Cellules solaires à base de nanofils III-V sur Si pour des applications tandem

III-V-on-Si nanowire-based solar cells for tandem applications

• Auteur / Autrice : Capucine Tong
• Direction : Stéphane Collin, Andrea Cattoni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 31/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Maria Tchernycheva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Cornet, Ray Lapierre, Erik Bakkers, Jean Decobert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Cornet, Ray Lapierre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Nanofils

Semiconducteurs

Effet photovoltaïque

Mots clés libres

Photovoltaïque

III-V

Nanofils

Épitaxie

Cellules solaires

Tandem

Photovoltaics

III-V

Nanowires

Epitaxy

Solar cells

Tandem

Résumé

Les cellules solaires tandem combinant une cellule à base de semiconducteurs III-V et une cellule en silicium (Si) offrent une voie prometteuse pour dépasser la limite de rendement des cellules traditionnelles à simple jonction en Si (29,4%). Grâce à leurs faibles diamètres, les nanofils (NFs) permettent de contourner élégamment les problèmes liés au désaccord de maille et aux différences d’expansion thermique, lors de la croissance directe de couches III-V sur Si. L'objectif de cette thèse est de fabriquer une cellule solaire à haut rendement constituée de NFs en GaAs, et ultimement de NFs en GaAsP, crus directement sur Si par épitaxie par jets moléculaires. Tout d’abord, la préparation du substrat de Si patterné a été optimisée pour obtenir de façon reproductible des réseaux ordonnés de NFs en GaAs, avec des taux de verticalité quasi-parfaits. Notre cellule record à base de NFs à jonctions GaAs/GaInP radiales a démontré un Voc élevé de 0,65 V et un rendement de près de 3,7%, à l’état de l’art des cellules solaires à NFs à base de jonctions en GaAs radiales, crues sur Si. La caractérisation avancée de ces réseaux de NFs a indiqué de bonnes propriétés opto-électroniques, avec une séparation des quasi-niveaux de Fermi de 0,84 eV à 1 soleil, et nous avons identifié des voies d’amélioration importantes. L'augmentation du dopage de type n dans la coquille des NFs pourrait être une des pistes d'amélioration. Dans ce contexte, nous avons étudié par cathodoluminescence l'efficacité et l’homogénéité de l’incorporation du tellure dans des NFs en GaAs auto-catalysés. Enfin, des cellules solaires à base de NFs à jonctions GaAs/GaAsP/GaP axiales ont été fabriquées pour la première fois dans notre groupe. Des caractérisations de luminescence ont indiqué des propriétés opto- électroniques prometteuses, tandis que des simulations électroniques ont permis d’attribuer l’origine des performances limitées à des barrières d’énergie au niveau du contact de type n. En conclusion, ce travail de thèse a contribué à des avancées technologiques significatives, et les caractérisations avancées ainsi que les résultats de simulation présentés ont mis en lumière le potentiel et les défis des cellules solaires à base de NFs III-V sur Si.

Tandem PV technologies combining a III- V semiconductor cell over a silicon (Si) cell offer a promising pathway to exceed the efficiency limit of single junction Si solar cells (29.4%). Owing to their small diameters, nanowires (NWs) allow to mitigate the lattice constant and thermal coefficient mismatch issues associated with the direct growth of high- quality III-V layers on Si. The goal of this PhD work is to fabricate a high-efficiency solar cell consisting of first GaAs NWs, and ultimately GaAsP NWs, directly grown on Si by molecular beam epitaxy. First, the patterned Si substrate preparation process was optimized to obtain ordered GaAs NW arrays with near-perfect and reproducible vertical yields. Our champion core–shell GaAs/GaInP NW solar cell demonstrated a high Voc of 0.65 V, and an efficiency of almost 3.7%, at the state-of-the-art of radial junction GaAs NW solar cells grown on Si. The calibrated photoluminescence characterization of these NW arrays indicated good optoelectronic properties, with a quasi-Fermi level splitting of 0.84 eV at 1 sun, and we identified significant room for device improvement. Increasing the n-type doping level in the NW shell could be one way of enhancing device performance. To this end, we used cathodoluminescence to study the incorporation efficiency and homogeneity of tellurium in self- catalyzed GaAs NWs. Finally, GaAs/GaAsP/GaP axial junction NW solar cells were fabricated for the first time in our group. Luminescence characterization indicated promising optoelectronic properties. Using electronic simulation, we attributed the limited performances to energy barriers at the n-type contact. Overall, this PhD work contributed to significant technological advances, and the detailed characterization experiments and simulation results presented shed light on the potential and challenges of III-V-on-Si NW-based solar cells.