Elaboration, caractérisation et modélisation de cellules multi-jonctions pour une application photovoltaïque sous forte concentration.

Elaboration, characterization and modeling of multijunction solar cells for high concentrating photovoltaic application.

• Auteur / Autrice : Joanna Kret
• Direction : Yvan Cuminal
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique et des systèmes
• Jury : Président / Présidente : Olivier Palais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Cuminal, Jean-François Guillemoles, Guilhem Almuneau, Eric TOURNIé, Frédéric Martinez, Stéphanie Parola, Alain Dollet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-François Guillemoles, Guilhem Almuneau

Mots clés

Mots clés libres

Cellules multi jonctions

Cellules hauts rendements

Semiconducteurs III-V

Photovoltaique

III-V semiconducting materials

High efficiency solar cells

Multijunction solar cells

Solar cells

Résumé

Afin d’accroitre encore le développement de nouvelles technologies photovoltaïques (PV) permettant de dépasser la limite d'efficacité théorique des cellules simples jonctions c-Si estimée à 29% l’utilisation de systèmes à concentration solaire associés à des cellules solaires multi-jonctions reste une solution. Dans ce domaine, des rendements dépassant 47,1 % ont déjà été atteints grâce à une cellule solaire à 6 jonctions fonctionnant sous un facteur de concentration de 143 soleils. L’une des raisons pouvant expliquer ces bonnes performances réside dans l’architecture de ces cellules qui permettent une meilleure exploitation du spectre solaire que les cellules à simple jonction. Afin d’améliorer encore ces cellules il semble maintenant nécessaire de mieux exploiter le domaine infrarouge pour lequel les matériaux adaptés (petit gap) ne sont pour l’instant pas optimisés Pour combler cette lacune un certain nombre d’alliages semblent adaptés parmi lesquels le GaInAsSb (Eg=0.5 eV) dont la croissance est réalisée sur un autre semiconducteur à bande étroite – GaSb (Eg=0.73 eV). La structure est ensuite inversée et ensuite mécaniquement raccordée aux autres jonctions réalisées sur des substrats plus conventionnels. Toutefois, pour des raisons de temps et de coût, les cellules solaires multi-jonctions devraient idéalement être fabriquées à partir des matériaux en accord de maille et offrant une grande gamme de choix de bande interdite réalisables couvrant l’ensemble du spectre solaire. Ces deux conditions pourraient être satisfaites par l'utilisation d'alliages à base de Sb, i.e. GaInAsSb, AlInAsSb ou AlGaAsSb, qui couvrent la gamme des bandes interdites allant de 0,4 eV à 1,6 eV tout en étant accordés en maille sur GaSb. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont pour but d’évaluer le potentiel des alliages antimoniures pour une application photovoltaïque sous forte concentration. Dans ce but des cellules solaire à simples et double jonction ont été fabriquées à partir de GaSb, AlGaAsSb et AlInAsSb et ensuite caractérisées. Leurs performances sont analysées à l'aide des modèles développés en interne, i.e. un simulateur physique 1D et un modèle 3D basés sur circuits distribués. Les facteurs limitant les performances de chaque cellule sont identifiés et les solutions d'optimisation sont proposées.

Further development of the photovoltaic (PV) technologies allowing to overcome the theoretical efficiency limit of a c-Si single junction solar cells estimated at 29% is necessary in order to trigger the growth of the PV market. One of the common approaches developed for this purpose relies on the design of the high concentrator multijunction solar cells. To-date, the efficiencies surpassing 47.1% have already been reached with 6-junction solar operating under 143 suns. The reason behind the good performance of these devices is their architecture allowing the good repartition of the solar spectrum between the subcells. One of the biggest challenges encountered when designing such devices is a lack of suitable narrow-bandgap materials (Eg < 0.7 eV), crucial for the effective harvesting of infrared light. An emerging approach having potential to remedy this deficiency is the use of GaInAsSb (Eg=0.5 eV) grown lattice-matched on another narrow-bandgap semiconductor GaSb (Eg=0.73 eV). The structure is then inverted and mechanically-stacked with other junctions grown on more conventional substrates. However, for the sake of time and cost, multijunction solar cells should ideally be made of materials lattice-matched to each other over a wide range of bandgaps. These two conditions could be satisfied with the use of Sb-based alloys - GaInAsSb, AlInAsSb and AlGaAsSb, covering altogether the 0.4 eV-1.6 eV bandgap range while being lattice-matched to GaSb. This works aims, therefore, to assess the potential of III-Sb alloys for high concentration multijunction solar cells applications. The procedure elaborated to ensure a fundamental development of these devices is explained through the presentation of adequate design and optimization strategies. Single junction and tandem solar cells based on GaSb, AlGaAsSb and AlnAsSb are fabricated and characterized for that purpose. Their performances are analyzed with the use of the in-house developed physically-based 1D numerical simulations and 3D model based on distributed circuit units. The performance limiting factors of each device are identified and the adequate optimization solutions are proposed.