Développement de cellules solaires avancées - Contribution aux cellules à porteurs chauds sur InP et aux cellules tandem monolithiques III-V sur Si

Development of advanced solar cells - Contribution to the HCSC on InP and to the III-V onto Si monolithic tandem cells

• Auteur / Autrice : Fei Fan
• Direction : Olivier Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 21/12/2022
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Collin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Durand, Stéphane Collin, Zakaria Djebbour, Negar Naghavi, Soline Boyer-Richard, Nicolas Barreau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zakaria Djebbour, Negar Naghavi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet photovoltaïque

Systèmes photovoltaïques

Photopiles

Mots clés libres

GaP / Si

Mbe

Cellules solaires à porteurs chauds

Hétérostructures III-V / InP

Cellules solaires tandem sur Si

Technologies des matériaux III-V

GaP/Si interface

MBE

Hot Carrier Solar Cells

III-V/InP heterostructures

Tandem solar cells on Si

III-V materials technologies

Résumé

Cette thèse concerne la réalisation de deux types de cellules solaires innovantes et à haut rendement, les cellules tandem III-V/Si et les cellules à porteurs chauds (HCSC). Les cellules HCSC offrent la possibilité de récolter plus d'énergie solaire que la limite fixée par le modèle de Shockley-Queisser. Dans les HCSC, l'énergie cinétique excédentaire est convertie en énergie électrique utile plutôt que d'être perdue par des mécanismes de thermalisation. Pour extraire les porteurs pendant qu'ils sont encore "chauds", il faut développer des contacts sélectifs (en énergie) efficaces. Dans ce travail, nous étudions un ensemble de cellules HCSC avec deux contacts sélectifs différents (une barrière semi-sélective et un puits quantique unique sélectif) pour étudier l'extraction des porteurs chauds. Les échantillons ont été fabriqués sur substrat d’InP (001) par MBE. Cette étude est la première étape vers le développement de cellules HCSC. Aujourd'hui, les meilleurs rendements sont atteints grâce à des cellules solaires multijonctions sur des substrats en GaAs ou en Ge. Bien que présentant des rendements de conversion élevés, ces cellules solaires souffrent du coût élevé de ces substrats. Notre stratégie consiste donc à développer une cellule tandem sur silicium. De plus, cette voie permettrait de dépasser la limite d'efficacité théorique des cellules individuelles en silicium. Dans ce but, nous utilisons le GaP, épitaxié par MBE sur Si, comme première étape vers l'utilisation d'absorbeurs en nitrures dilués GaAsPN possédant la bande interdite requise de 1,7 eV. En particulier, nous avons étudié des photodiodes GaP n-i-p épitaxiées sur substrat de Si, et avec deux types de contacts électriques : des contacts top-top (non sensible à l'interface GaP/Si) et des contacts top-bottom (photocourant à travers l'interface GaP/Si.

This thesis subject concerns the realization of two types of innovative and high efficiency photovoltaic solar cells, the III-V/Si tandem cells and the hot carrier cells (HCSC). HCSC offer the possibility to harvest more solar energy than the limit set by the Shockley-Queisser model. In the HCSC the excess kinetic energy is converted into useful electric power rather than being lost through thermalization mechanisms. To extract the carriers while they are still “hot”, one needs to develop energy selective contacts. In this work, we investigate a set of HCSC with two different contacts (a semi-selective barrier and a selective single quantum well) to study the extraction of the hot carriers from these contacts. The samples were made on InP (001) substrate by MBE. We present our work in the whole picture of design and elaboration of HCSC. Nowadays, the best efficiencies are reached thanks to multijunction solar cells on GaAs or Ge substrates. While displaying high conversion efficiencies, these solar cells suffer from the high cost of such substrates. Therefore, our strategy is to develop a tandem cell on silicon. Furthermore, this route would surpass the theoretical efficiency limit of the Si single cells. To this aim, we use GaP epitaxially grown on Si, as a first step towards the use of dilute-nitrides GaAsPN absorbers displaying the required1.7 eV bandgap. In particular, we have studied GaP n-i-p photodiodes grown on silicon substrate, with two kinds of electrical contacts: top-top (not sensitive to the GaP/Si interface) one and bottom one (photocurrent through the GaP/Si interface)