Étude du comportement de la nouvelle technologie des cellules solaires III-V//Si sous irradiations pour les applications spatiales

Investigation of new solar cell technology III-V//Si behavior under irradiations for space applications

• Auteur / Autrice : Karim Medjoubi
• Direction : Bruno Boizot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/02/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des solides irradiés (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Pere Roca i Cabarrocas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Boizot, Isabelle Monnet, Stéphane Collin, Dominique Vergnet, Victor Khorenko
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Monnet, Stéphane Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Irradiation

Silicium

Photoélectricité

Mots clés libres

Cellules solaires

Tandem sur silicium

III-V//Si

Irradiation électronique

Irradiation protonique

Conditions NIRT

Conditions LILT

Applications spatiales

Solar cells

Tandem on silicon

III-V//Si

Electrons irradiation

Protons irradiation

NIRT conditions

LILT conditions

Space Applications

Résumé

Ce travail s’intéresse au comportement en environnement spatial d’une nouvelle technologie de cellules solaires photovoltaïque : les tandems III-V//Si (2- et 3-jonctions), obtenues par collage direct. Ces cellules ont été exposé à des irradiations électrons et protons et testé dans deux type d’environnement : a) irradiance normale, 1 soleil, et température ambiante 300K, condition NIRT (orbites terrestres) et b) basse irradiance, 0,03 soleil, et basse température 120K, condition LILT (espace lointain). Dans une étape préliminaire une étude comparative a été mené sur 2 simulateurs solaires, équipés respectivement d’une lampe flash et de lampes LED, afin d’assurer la fiabilité et la reproductibilité des mesures de ces multi-jonctions. Pour le simulateur flash, une méthode de caractérisation pour tandems I-V sous 1 soleil qui s’affranchit de l’utilisation de cellules de référence isotype a été adoptée, en se basant sur des mesures d’EQE et des mesures du spectre du flash. Pour le simulateur LED, monté in-situ sur le faisceau d’irradiation, une optimisation du spectre a été effectuée afin de se rapprocher de la référence à basse irradiance, soit ~3% AM0. Cette étude comparative a également permis d’établir la validité de l’extrapolation par le calcul de mesures I-V sous 1 soleil vers les basses irradiances.Ensuite, la compatibilité de cette technologie tandem III-V//Si avec d’un part le cyclage thermique et d’autre part les irradiations a été démontrée, l’interface de collage maintient son intégrité mécanique et électrique face à ces contraintes. L’impact des irradiations sur les performances cellules a révélé certaines similitudes à 300 K et 120 K : - une décroissance marquée du courant de court-circuit (liée à la diminution de la longueur de diffusion) - une diminution plus faible de la tension de circuit-ouvert (défauts de type génération). Du fait de la connexion en séries des sous-cellules, la dégradation de la limitante Si (faible résistance intrinsèque aux irradiations) domine le comportement de la multi-jonction. Il a été démontré que l’ajout d’un nombre croissant de cellules sur le Si se traduit par une sensibilité accru aux irradiations; en effet, la configuration tandem restreint la bande d’absorption du Si au proche infrarouge, partie spectrale la plus affectée par la baisse de longueur de diffusion. L’utilisation d’un modèle basé sur l’IQE a permis de quantifier cette dégradation de longueur de diffusion dans le Si en tandem, ainsi que le coefficient de dommage. A la différence des électrons, les irradiation aux protons 1 MeV sont à l’origine d’une dégradation non-uniforme dans le Si ; par des mesures EQE couplées à de la simulation, nous avons corrélé cette dégradation non-homogène dans le Si avec la position du pic de Bragg correspondant.Pour l’étude basse température, une augmentation linéaire de l’efficacité a été observée jusqu’à ~150K ; et en deçà, des anomalies de caractéristiques I-V ont été détectées ; de type « S like shape » et « flat spot » ces défauts affectent le FF et donc le rendement. Documentées dans la littérature, ces effets sont caractéristiques des conditions LILT, et souvent liées à des modifications des interfaces métal/semi-conducteur. Bien qu’importante, la dégradation des performances électriques fin de vie LILT des III-V//Si s’avère être plus prédictible que celles des III-V/Ge LILT (dispersion statistique). Nous avons également démontré qu’un passage à 300 K, après irradiation à 120 K, entraine une guérison marquée du courant de court-circuit; ceci souligne l’importance des caractérisations in-situ pour quantifier le vieillissement cellule en conditions de fonctionnement. L’approche DDD « Displacement Damage Dose » a été appliqué pour les électrons et protons 1 MeV afin de comparer le taux de dégradation induit. Cette approche permet de prédire la dégradation de ces cellules quel que soit la fluence, les particules et l’énergie, pour une mission spatiale à 300 K.

This work focuses on the behavior in space environment of a new photovoltaic solar cell technology: the III-V//Si tandems (2- and 3-junction), obtained by direct bonding. These cells have been exposed to electron and proton irradiations and tested in two types of environment: a) normal irradiance, 1 sun, and 300K room temperature, NIRT condition (Earth orbits) and b) low irradiance, 0.03 sun, and 120K low temperature, LILT condition (deep space). In a preliminary stage, a comparative study was conducted on 2 solar simulators, respectively equipped with a flash lamp and LED lamps, in order to ensure the reliability and reproducibility of the measurements of these multi-junctions. For the flash simulator, a tandems characterization method for I-V under 1 sun that dispense the use of isotype reference cells has been adopted, based on EQE and flash spectrum measurements. For the LED simulator, mounted in-situ on the irradiation beam, a spectrum optimization was performed in order to approach the low irradiance reference, i.e. ~3% AM0. This comparative study also allowed to establish the validity of the extrapolation by calculating I-V measurements under 1 sun towards low irradiances.Then, the compatibility of this tandem III-V//Si technology with thermal cycling on the one hand and irradiances on the other hand has been demonstrated. The bonding interface maintains its mechanical and electrical integrity face to these constraints. The impact of the irradiations on the cell performances has revealed certain similarities at 300 K and 120 K: - a marked decrease in the short-circuit current (linked to the decrease in the diffusion length) - a smaller decrease in the open-circuit voltage (generation type defects). Due to the series connection of the sub-cells, the degradation of the limiting Si (low intrinsic resistance to irradiation) dominates the behavior of the multi-junction. It has been shown that the addition of an increasing number of cells on the Si results in an increased sensitivity to irradiation; indeed, the tandem configuration restricts the absorption band of the Si to the near infrared, the spectral part most affected by the decrease in diffusion length. The use of a model based on the IQE allowed the qualification of this diffusion length degradation of the Si in tandem, as well as the damage coefficient. Unlike electrons, 1 MeV proton irradiations are at the origin of a non-homogeneous degradation in Si; by EQE measurements coupled with simulation, we have correlated this non-homogeneous degradation in Si with the position of the corresponding Bragg peak.For the low-temperature study, a linear increase in efficiency was observed up to ~150K; and below this, anomalies of I V characteristics were detected; of "S-like shape" and "flat spot" type, these defects affect the FF and thus the efficiency. Reported in the literature, these effects are characteristic of LILT conditions, and are often related to changes in the metal/semiconductor interfaces. Although significant, the LILT end-of-life electrical performance degradation of III-V//Si has been shown to be more predictable than that of III-V/Ge LILT (statistical dispersion). We have also shown that a 300 K annealing after irradiation at 120 K leads to a marked healing of the short-circuit current; this underlines the importance of in-situ characterizations to quantify cell aging under operating conditions. The Displacement Damage Dose (DDD) approach was applied for 1 MeV electrons and protons in order to compare the rate of induced degradation. This approach allows to predict the degradation of these cells whatever the fluence, particles and energy, for a space mission at 300 K.