Towards III-V on silicon solar cells

A ce jour, les meilleurs rendements de conversion photovoltaique ont ete obtenus avec des cellules solaires multi-jonctions a base de materiaux semi-conducteurs III-V monocristallins sous eclairement solaire concentre. Cependant, le recours aux substrats III-V dans la fabrication de cellules solaires a haut rendement pose le probleme des couts consequents de ces materiaux. Afin de relever le defi strategique d’un cout de 0.25-0.5 Euro/Wp, nous avons opte pour l’utilisation du substrat silicium, qui est tres abondant sur Terre et donc bon marche. L’integration monolithique d’heterostructures III-V sur silicium permettrait de concilier a la fois hauts rendements et bas couts, tout en capitalisant sur une filiere industrielle eprouvee. Nous explorons deux approches de cellules III-V sur Silicium : les cellules tandem et les heterojonctions. Une cellule solaire tandem, constituee d’une cellule III-V a 1.7 eV sur une cellule c-Si a 1.1 eV, permettrait theoriquement d’atteindre 37% de rendement sous le spectre AM 1.5G. Les cellules top envisagees sont constituees d’un absorbeur en GaAs0,1P0.88N0.02 qui presente un gap pseudo direct de 1.7 eV et un parfait accord de maille avec le substrat silicium, entoure de couches dopees GaP [1]. Apres avoir optimise l’absorbeur [2], nous presentons une etude de l’extraction des porteurs en fonction du dopage n de la couche inferieure de GaP ainsi qu’un optimisation du contact p superieur. La hausse du dopage n de 2.1018cm-3 a 8.1018 cm-3 est benefique pour le rendement car elle diminue l’energie de seuil d’absorption et permet d’ameliorer le courant JSC sans modifier les autres parametres de la cellule. Une difficulte de ces cellules est aussi d’obtenir des contacts ohmiques sur GaP. L’ajout d’une fine couche de GaAsP p++ de 15 nm en surface de l’echantillon nous a permis de realiser des contacts ohmiques a l’aide d’alliages habituels sur GaAs tel Ti/Pt/Au au lieu de metaux specifiques pour le GaP tels Pd/Zn/Pd. Nous explorons aussi les proprietes photovoltaiques des heterojonctions GaP (n) sur Si (p) qui permettraient d’eviter l’absorption de la couche Si(n) usuelle. Les premieres mesures d’EQE montrent une amelioration de l’absorption a haute energie mais les cellules solaires realisees presentent des resistances serie trop importantes pour etre exploitables. [1] Almosni, S., et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 147 (2016): 53-60. [2] Da Silva M. et al., Int. Conf. on Molecular-Beam Epitaxy (IC-MBE 2016), 2016, Montpellier, France