Cellules solaires multispectrales sur silicium cristallin – MULTISOLSI

Le projet MULTISOLSI consiste en l’étude de conception et d’optimisation de la jonction électrique entre deux matériaux hétéro-épitaxiés en désaccord de maille avec des défauts de relaxation de contrainte négligeables. Ces matériaux concernent la famille des composés III-V Ga1-xInxAs et Si en premier lieu, afin d'optimiser un démonstrateur de cellule photovoltaïque multispectrale qui est une jonction triple finale GaAs/Si/Ga0.24In0.76As permettant d'atteindre un rendement très élevé (33%) sous spectre global AM1.5G sans concentration. Ce but est réalisable grâce au savoir-faire acquis par l’IEF dans l’hétéro-épitaxie latérale de Ge sur oxyde ultra-mince de silicium nanostructuré. L'objectif principal est d'étudier l'hétérojonction Ga1-xInxAs/Si et de concevoir les structures optimisées en particulier pour la conception tridimensionnelle originale de jonctions tunnel. La caractérisation électrique et la conception des structures seront exécutées au LGEP en collaboration avec l'IEF. Pour ce partenaire, l’objectif consistera, en collaboration étroite avec le CEMES, à adapter le processus de croissance à la réalisation des jonctions entre le substrat de silicium et la couche Ga1-xInxAs hétéro-épitaxiée. Cette étude comporte les investigations complémentaires suivantes : (1) identifier les défauts électriquement actifs aux hétéro-interfaces et déterminer leur densité, évaluer l’étendue des zones dopées sur les deux faces de la couche de silice ultra-mince en mettant en œuvre les techniques I (V), C (V) et de spectroscopie d'admittance (LGEP), les mesures d'EBIC et d'AFM (LGEP, IEF), (2) l’imagerie TEM pour l'identification des défauts structuraux (CEMES). Trois étapes principales peuvent être énumérées dans ce projet :

- (i) étude de l'interface Ga1-xInxAs/Si oxydé : la méthode mise en œuvre pour le procédé de croissance de Ga1-xInxAs est l’hétéro-épitaxie latérale (ELO) où les paramètres à optimiser sont la taille et la densité des nanotrous ainsi que l'épaisseur de la silice nanostructurée,
- (ii) réalisation des jonctions tunnel entre le substrat de silicium et la couche Ga1-xInxAs en accord avec la conception des structures proposée par le LGEP grâce à la connaissance acquise dans la première étape,
- (iii) La troisième étape est l'objectif ultime de ce projet: développer une cellule multispectrale triple jonction GaAs/Si/GaInAs ayant un rendement, pour la conversion photovoltaïque terrestre sous spectre AM1.5G sans concentration, aussi proche que possible de notre prédiction théorique (32.9%).

Nous prévoyons dans un premier temps de limiter la présente proposition à la famille GaInAs, mais la prolongation au quaternaire InGaAsP doit permettre d’atteindre ultérieurement des rendements encore plus élevés avec le même procédé de croissance.
La méthodologie décrite ci-dessus exploitant le système ternaire GaInAs sur silicium nous permet de projeter quantitativement un rendement de 32.9% pour notre démonstrateur triple jonction, dépassant le record mondial terrestre actuel d’une cellule triple jonction (mais sur un substrat plus coûteux de germanium), et significativement plus élevé que le record mondial 26% d’une simple jonction. Une fois les briques de bases développées, il y a un fort potentiel à développer la même méthodologie pour GaInP/Si/GaInAs. Notre modélisation projette alors un rendement de 45.5% sous AM1.5G sans concentration, présentant une étape importante vers la conversion photovoltaique de très haut rendement avec la filière silicium, car cette efficacité est très proche de la limite théorique (47.3 %) pour une jonction triple idéale sous AM1.5G.