Epitaxie à Distance par Graphène pour les Cellules Solaires – A-PROPOS

Le graphène est synthétisé par une méthode maîtrisée au laboratoire par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur un substrat de germanium. Contrairement aux méthodes « humides » classiques, qui impliquent la gravure du premier substrat en solution et l’utilisation d’une couche de PMMA pour maintenir le graphène, notre approche repose sur un transfert sec. Ce procédé évite l’immersion du substrat cible dans une solution avant le contact avec le graphène, permettant ainsi un contrôle de l’état de l’interface et une désoxydation préalable du substrat. Dans les cas où nous avons cherché à optimiser la croissance sélective de GaAs dans les ouvertures du graphène, celui-ci est structuré en bandes de largeurs et périodes variables (typiquement 50 à 300 nm pour les bandes et les ouvertures) par lithographie électronique.

La croissance du GaAs est réalisée par épitaxie par jets moléculaires (MBE), avec une optimisation systématique des paramètres : désoxydation sous ultravide, températures de croissance, flux de gallium (Ga) et d’arsenic (As).

Pour l’exfoliation, nous utilisons une méthode inspirée de la littérature, comprenant le dépôt d’une couche d’accroche de 30 nm de titane et d’une couche contrainte de 250 nm de nickel. Un « thermal release tape » est ensuite attaché à l’empilement pour une exfoliation manuelle.

Afin de maîtriser le déroulement du procédé, des méthodes de caractérisation variées ont été utilisées : La spectroscopie Raman pour évaluer la qualité du graphène avant et après transfert, microscopie électronique à balayage (MEB) et microscope à force atomique pour visualiser la surface et la morphologie des couches. La microscopie électronique en transmission (TEM) a été utilisée sur ponctuellement et nous a permis d’observer l’interface III-V/graphène/III-V.

La photoluminescence a été mesurée pour prédire la tension électrique qu’une cellule solaire fabriquée à partir du matériau pourrait générer. La cathodoluminescence offre une résolution sub-micrométrique, plus précise spatialement que la photoluminescence.

Les travaux ont commencé par le développement de la méthode de transfert sèche de graphène sans détérioration. Les tests de croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE) ont amené à la formation de couches polycristallines, pointant vers une absence d’interaction à distance. Plusieurs observations en MEB, TEM et AFM sont cohérentes avec cette hypothèse. Nous avons donc cherché à optimiser la croissance sélective dans des ouvertures de graphène, puis la coalescence. Nous observons qu’un contrôle fin de l’orientation des ouvertures par rapport au substrat monocristallin est décisif pour l’obtention d’une couche coalescée de bonne qualité opto-électronique. Nous montrons comme preuve de concept un matériau coalescé avec faible rugosité (< 1 nm RMS), absence de dislocations visibles au TEM (densité < 107 cm-2) avec une bonne qualité opto-électronique. La photoluminescence obtenue est divisée par un facteur 10 par rapport à la référence sur un substrat epi-ready sans graphène, soit une perte de 60 mV prédite pour la fabrication d’une cellule solaire. Cette perte de performance est très restreinte étant donné toutes les étapes de préparation de la surface avant croissance, et est très encourageante.

Après des tests d’exfoliation, on note que les structures obtenues sur une couverture de 95 % de graphène sont plus facilement décollées, contrairement à la couverture de 50 %. On note également une dépendance entre la possibilité d’exfolier le matériau épitaxié et l’orientation des ouvertures dans le graphène. Nous avons déterminé que la direction du décollement doit être effectuée parallèlement aux ouvertures. Un décollement perpendiculaire ne permet pas l’exfoliation.

Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet ouvrent plusieurs perspectives prometteuses :

Le principe physique permettant d’obtenir une telle qualité de matériau sur un substrat structuré reste une question ouverte. Son élucidation est cruciale, car elle conditionnera. La qualité ultime du matériau que nous pourrons atteindre, et les paramètres de fabrication (taux de couverture du graphène, motifs de structuration, orientations du substrat).

Les mesures de luminescence indiquent que le matériau obtenu est compatible avec la fabrication de dispositifs performants. Cela ouvre la voie à la réalisation de démonstrateurs, une étape essentielle pour valider le potentiel applicatif de cette approche.

Nous avons également montré que la méthode est compatible avec l’exfoliation. Pour boucler la boucle et permettre le recyclage du substrat, deux axes doivent être approfondis : L’optimisation de l’étape d’exfoliation et la re-préparation du substrat après exfoliation. Ces études nécessitent des compétences pluridisciplinaires : Mécanique pour l’exfoliation, chimie pour la caractérisation et la re-préparation de la surface, en plus des sciences des matériaux et ingénierie des dispositifs exploitées jusqu’ici.

Les cellules solaires records ont été fabriquées à partir de matériaux III-V, mais leur coût limite leur usage à des applications de niches. Plus de 80% de ce coût provient des substrats utilisés, si bien qu’une méthode permettant leur recyclage représenterait une technologie de rupture pour des dispositifs hauts-rendements et bas-coûts. Ce projet vise de développement de la remote epitaxy, une solution attractive à cette problématique technologique. Cette méthode consiste en l’épitaxie sur un substrat cristallin couvert d’une monocouche de graphène, et a permis la croissance de couches minces transférables. Tout en présentant des résultats convaincants, la méthode soulève des questions fondamentales sur les interactions en jeu pendant la croissance. Ce projet défini une méthodologie pour répondre à ces interrogations, tout en proposant des développements originaux pour des procédés robustes et contrôlables et des objectifs ambitieux en termes de performances des dispositifs. Au-delà du photovoltaïque, ce projet ouvre également des perspectives dans des champs comme la photonique sur silicium ou les dispositifs opto-électroniques flexibles.