Les architectures de cellules solaires photovoltaïques à jonctions multiples à haut rendement destinées aux applications spatiales présentent des rendements très élevés (jusqu'à 32 %), mais nécessitent une absorption lumineuse suffisante, un bon transport des porteurs et une harmonisation des courants entre les sous-cellules. Le rendement de l'architecture actuelle standard GaInP – GaAs – Ge est inférieur au point optimal, en raison du courant photoélectrique plus élevé dans la sous-cellule Ge. Une amélioration possible consisterait à insérer une jonction à réseau cristallin adapté avec une bande interdite d'environ 1 eV entre les sous-cellules GaAs et Ge dans l’empilement. Seuls quelques alliages III-V peuvent répondre à ces exigences ; la famille d'alliages la plus prometteuse étant la famille GaInAsNSb. Malheureusement, ces alliages doivent être fabriqués à l'aide de méthodes hors équilibre et présentent des défauts intrinsèques; aucune cellule solaire à quatre jonctions à haut rendement (>32 %) n'a encore été démontrée. De plus, comme le rendement des cellules solaires diminue lorsqu'elles sont irradiées par des particules à haute énergie émises par le soleil, la résistance aux rayonnements de ce matériau doit être étudiée. Dans cette thèse, nous avons d'abord modélisé le rendement des cellules solaires multijonction. Nous avons démontré qu'il est essentiel d'optimiser la structure de la sous-cellule en GaInAsN en fonction des paramètres de l'alliage.
En particulier, l'architecture des cellules solaires à double hétérostructure n-i-p utilisée pour ces sous-cellules repose sur un équilibre précis entre l'absorption de la lumière et la collecte des porteurs assistée par champ. Nous nous sommes donc attachés à améliorer les propriétés du GaInAsN obtenu par épitaxie par jets moléculaires (EJM). Nous avons d'abord observé que les teneurs élevées en In et en N du GaInAsN imposent une limite supérieure stricte à la température du substrat pendant la croissance, au-delà de laquelle aucun matériau de qualité cristalline suffisante ne peut être fabriqué. Bien qu'une faible température de croissance permette la croissance d'alliages de qualité cristalline suffisante, elle favorise également la formation de défauts ponctuels. Une façon d'élargir la fenêtre de température de croissance optimale consiste à utiliser l'antimoine comme surfactant. Nous avons donc étudié l'impact combiné du flux d'antimoine et de la température de croissance sur les qualités optoélectroniques et cristallines de couches épitaxiales de GaInAsN(Sb). Cette étude montre que la température de croissance peut être augmentée bien au-delà de celle des couches épitaxiées de GaInAsN sans antimoine, tout en conservant une bande interdite de 1 eV et les conditions d’accord de maille, et en augmentant considérablement l’intensité de la photoluminescence. Nous avons ensuite fabriqué trois types de cellules solaires GaInAsN(Sb) (1 eV) à double hétérostructure et à simple jonction sur des substrats de GaAs de type n.
Nos mesures ont indiqué que les valeurs de dopage résiduel étaient trop élevées pour que la sous-cellule en GaInAsNSb soit efficace. Nous avons fabriqué un deuxième lot de cellules à partir de sous-parties de plaquettes qui avaient été préalablement recuites dans un four de recuit thermique rapide. Ces cellules ont présenté un comportement radicalement différent : nous avons constaté que la jonction des cellules s'était probablement déplacée, indiquant une conversion de type n vers p. Enfin, ces cellules ont été irradiées avec des particules à haute énergie afin de simuler le vieillissement lors de missions spatiales. Les principaux facteurs de rendement ont été mesurés in situ, ce qui a permis une mesure sans précédent de la dégradation de ce type de cellules. Nous avons constaté que les taux de dégradation des cellules dépendaient fortement de leur qualité initiale : plus la qualité était élevée, plus la sensibilité aux rayonnements était grande.
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High efficiency multi-junction photovoltaic solar cell architectures for space applications display very high power conversion efficiencies (up to 32%), but require sufficient light absorption, good carrier transport and current-matching between all subcells. In current technology, the power conversion efficiency of the standard lattice-matched architecture GaInP – GaAs – Ge is below the optimal point, due to the much higher photocurrent in the Ge subcell compared to the other two. One possible improvement would be to insert a lattice-matched junction with a bandgap of around 1eV between the GaAs and Ge subcells in the multijunction stack. Only a few III-V alloys can fulfil these requirements; the most promising class of alloys is the GaInAsNSb family. Unfortunately, these alloys must be manufactured using non-equilibrium methods and exhibit significant native defect levels; no high-efficiency (>32%) four-junction solar cell has yet been demonstrated. Additionally, as the power conversion efficiency of space solar cells decreases when hit by high-energy particles emitted by the sun (protons, electrons), the radiation hardness of this material must be investigated. In this thesis, we first modelled the power conversion efficiency of multi-junction solar cells made of GaInAsN. We demonstrated that optimizing the structure of the GaInAsN solar subcell with respect to the alloy material parameters is essential.
In particular, the n-i-p double-heterostructure solar cell architecture used for these subcells relies on a precise balance between photoabsorption and field-assisted carrier collection. We then focused on improving the material properties of GaInAsN grown by molecular beam epitaxy (MBE). We first observed that high In and N contents used for GaInAsN growth impose a high bound on the substrate temperature during growth, above which no material of sufficient crystalline quality can be fabricated. Although a low growth temperature enables the effective growth of GaInAsN alloys with high In and N content and sufficient crystalline quality, it also exacerbates point defect formation. One way to extend the optimal growth temperature window is to use antimony as a surfactant. We therefore performed a parametric study to investigate the combined impact of Sb flux and growth temperature on the optoelectronic and crystalline qualities of 500nm-thick 1eV-GaInAsN(Sb) epilayers which are lattice-matched to GaAs. This study shows that the growth temperature can be increased much higher than for Sb-free GaInAsN epilayers while maintaining a 1 eV bandgap, lattice-matching conditions, and significantly increasing the photoluminescence intensity. We then fabricated three types of mono-junction double heterostructure GaInAsN(Sb) (1 eV) solar cells on n-type GaAs substrates.
Our measurements indicated that the residual background doping values were likely too high for the GaInAsNSb subcell to be efficient. We manufactured a second set of cells from wafer subparts that had been previously annealed in a rapid thermal annealing oven. These cells exhibited strikingly different behaviour: we found that the junction of the cells had likely shifted from front to back, indicating an n-to-p type conversion. Finally, these cells were irradiated with high-energy particles to mimic ageing in space missions. The degradation rates of the main merit factors upon irradiation were measured in situ in the irradiation chamber, enabling an unprecedented measurement of the degradation of these types of cell. We found that the degradation rates of the cells were highly dependent on their initial quality, the higher the quality, the greater the sensibility to radiation.
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