Cellules solaires multi-jonctions dupliquées pour le photovoltaïque à très haute concentration

L'électricité d'origine photovoltaïque constituera une composante majeure des apports énergétiques (domestiques, industriels et spatiaux) dans les prochaines années. Les cellules solaires multi-jonctions III-V sous concentration solaire détiennent actuellement les records de taux de conversion de la lumière en électricité (>47%). Le photovoltaïque concentré (CPV) a de nombreux avantages : (i) très faible empreinte carbone, (ii) utilise moins de surface et (iii) permet de créer des emplois locaux particulièrement intéressants pour les pays en voie de développement. Afin de rendre le CPV compétitif par rapport aux autres technologies, en particulier celles à base de silicium dont le coût ne cesse de baisser, il faut opérer efficacement au-delà du millier de soleils. Cependant, au fur et à mesure que la lumière devient concentrée, la cellule solaire délivre plus de courant (I), ce qui entraîne d’autres effets indésirables, comme par exemple les pertes résistives et le surchauffage. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche de conception des cellules solaires, qui consiste à dupliquer les sous-cellules de même gap en deux ou plusieurs sous-jonctions de gaps identiques, connectées électriquement et optiquement en série. Ainsi, le dispositif fonctionne à des tensions plus élevées et il en résulte un courant plus faible, ce qui contribue une réduction substantielle des pertes résistives proportionnelles à I2. Nous avons démontré, pour la première fois, qu’une telle approche est très performante pour améliorer le rendement avec l’augmentation du facteur de concentration, ouvrant de nouveaux horizons de solution pour la minimisation des coûts de l’énergie. En premier lieu, plusieurs architectures des cellules dupliquées à base de GaAs et de triple-jonction In0.51Ga0.49P/GaAs/Ge sont simulées avec une approche multiphysique pour étudier leurs performances sur une large gamme de concentrations. On a ainsi identifié les structures permettant de minimiser le coût de l’électricité grâce à une maximisation du facteur de concentration. Cette étude a montré qu’une réduction de plus de 20% du coût de l’électricité est atteignable par rapport à un système de référence. Ensuite, le concept est validé expérimentalement par une cellule à trois jonctions de GaAs dupliquées. Une simulation calibrée par éléments finis, à l’aide du logiciel Silvaco Atlas, est utilisée pour étudier les facteurs de mérite des cellules dupliquées à très hautes concentrations (>1000 soleils). Nous avons commencé par l’optimisation des jonctions tunnel servant d’interconnexions électriques dans les cellules dupliquées pour déterminer les plages de dopage où elles ne seront pas limitantes. Pour cela, un modèle de transport non local est utilisé pour simuler les jonctions suivantes (p++/n++): Al0.4Ga0.6As / In0.51Ga0.49P, Al0.4Ga0.6As / Al0.4Ga0.6As et Al0.7Ga0.3As / Al0.7Ga0.3As. À la suite de cette optimisation, plusieurs cellules dupliquées (2xGaAs, 3xGaAs et 2xInGaP/2xGaAs) sont simulées. Les résultats confirment que l’augmentation des sous-jonctions améliore le rendement des cellules solaires à hautes concentrations. Typiquement, des améliorations de l’efficacité absolue d’environ 2%, 3.5% et 4% sont atteintes pour 2xGaAs, 3xGaAs et 2xIn0.51Ga0.49P/2xGaAs, respectivement. Le modèle économique indique qu’une réduction substantielle du coût (jusqu’à 30%) serait possible en implémentant cette technologie dans les panneaux solaires terrestres et spatiaux, permettant ainsi de rendre le CPV très compétitif, par rapport aux systèmes commerciaux FLATCON CPV opérant à des concentrations maximales d’environ 500 soleils.Abstract : Photovoltaic electricity will be a major component of energy production (domestic, industrial and space applications) during upcoming years [1]. Multi-junction III-V solar cells under solar concentration currently hold the conversion efficiency records (>47% [2]). Concentrated photovoltaic (CPV) has many advantages: (i) very low carbon footprint (ii) uses less surface area and (iii) creates local jobs that are particularly interesting for developing countries. In order to make CPV competitive with other technologies, in particular those based on silicon, the cost of which is constantly falling, it is necessary to operate efficiently beyond a thousand suns. However, as the light becomes concentrated, the solar cell delivers more current (I), leading to other undesirable effects such as resistive losses and overheating. In this thesis, we propose a new approach to solar cell design, which consists of duplicating sub-cells with the same gap into two or more identical gap sub-junctions, electrically and optically connected in series. Thus, the device operates at higher voltages and delivers a lower current, which will contribute to a substantial reduction of resistive losses proportional to I2. We demonstrated, for the first time, that such an approach is highly effective in improving solar cells efficiency as the concentration factor increases, opening up new solutions for minimizing energy costs. Firstly, several designs of GaAs and In0.51Ga0.49P/GaAs/Ge triple-junction duplicated cells were simulated with a multiphysics approach, to study their performance over a wide range of concentrations and identify the best structures. This will minimize the cost of electricity through maximizing the concentration factor. The studies carried out in the context of this work have revealed that a reduction of more than 20% in the cost of electricity is attainable compared to a reference system. The feasibility of implementing the duplicated junction solar cells was experimentally validated by a cell with three duplicated GaAs junctions. A calibrated finite element simulation, using Silvaco Atlas software, was employed to study the factors of merit of the duplicated cells at high concentrations (>1000 suns). The process began by optimizing the tunnel junctions, serving as electrical interconnections in the duplicated cells, to determine the doping ranges where they will not be a limiting factor anymore. For such a purpose, a non-local transport model was used to simulate the following multijunction structures (p++/n++): Al0.4Ga0.6As / In0.51Ga0.49P, Al0.4Ga0.6As / Al0.4Ga0.6As and Al0.7Ga0.3As / Al0.7Ga0.3As. Following this optimization, several duplicated cells (2xGaAs, 3xGaAs and 2xInGaP/2xGaAs) were simulated for determining the layer thicknesses and related doping concentration. The outcomes of this thesis confirm that the increase in sub-connections improves the efficiency of solar cells at high concentrations. Typically, absolute efficiency improvements of about 2%, 3.5% and 4% were achieved for 2xGaAs, 3xGaAs and 2xIn0.51Ga0.49P/2xGaAs, respectively. The economic model indicates that a substantial cost reduction (up to 30%) would be possible by implementing this technology in terrestrial and space solar panels, thus making CPV very competitive, compared to commercial FLATCON CPV systems operating at maximum concentrations of about 500 suns

Hybrid MBE-CBE Growth and Characterization of undoped In 0,53 Ga 0,47 As on Fe-InP(001) for avalanche photodiodes (APDs)

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Duplicated multi-junction solar cells for very high concentration photovoltaics

Photovoltaic electricity will be a major component of energy production (domestic, industrial and space applications) during upcoming years [1]. Multi-junction III-V solar cells under solar concentration currently hold the conversion efficiency records (>47% [2]). Concentrated photovoltaic (CPV) has many advantages: (i) very low carbon footprint (ii) uses less surface area and (iii) creates local jobs that are particularly interesting for developing countries. In order to make CPV competitive with other technologies, in particular those based on silicon, the cost of which is constantly falling, it is necessary to operate efficiently beyond a thousand suns. However, as the light becomes concentrated, the solar cell delivers more current (I), leading to other undesirable effects such as resistive losses and overheating. In this thesis, we propose a new approach to solar cell design, which consists of duplicating sub-cells with the same gap into two or more identical gap sub-junctions, electrically and optically connected in series. Thus, the device operates at higher voltages and delivers a lower current, which will contribute to a substantial reduction of resistive losses proportional to I2. We demonstrated, for the first time, that such an approach is highly effective in improving solar cells efficiency as the concentration factor increases, opening up new solutions for minimizing energy costs. Firstly, several designs of GaAs and In0.51Ga0.49P/GaAs/Ge triple-junction duplicated cells were simulated with a multiphysics approach, to study their performance over a wide range of concentrations and identify the best structures. This will minimize the cost of electricity through maximizing the concentration factor. The studies carried out in the context of this work have revealed that a reduction of more than 20% in the cost of electricity is attainable compared to a reference system. The feasibility of implementing the duplicated junction solar cells was experimentally validated by a cell with three duplicated GaAs junctions. A calibrated finite element simulation, using Silvaco Atlas software, was employed to study the factors of merit of the duplicated cells at high concentrations (>1000 suns). The process began by optimizing the tunnel junctions, serving as electrical interconnections in the duplicated cells, to determine the doping ranges where they will not be a limiting factor anymore. For such a purpose, a non-local transport model was used to simulate the following multijunction structures (p++/n++): Al0.4Ga0.6As / In0.51Ga0.49P, Al0.4Ga0.6As / Al0.4Ga0.6As and Al0.7Ga0.3As / Al0.7Ga0.3As. Following this optimization, several duplicated cells (2xGaAs, 3xGaAs and 2xInGaP/2xGaAs) were simulated for determining the layer thicknesses and related doping concentration. The outcomes of this thesis confirm that the increase in sub-connections improves the efficiency of solar cells at high concentrations. Typically, absolute efficiency improvements of about 2%, 3.5% and 4% were achieved for 2xGaAs, 3xGaAs and 2xIn0.51Ga0.49P/2xGaAs, respectively. The economic model indicates that a substantial cost reduction (up to 30%) would be possible by implementing this technology in terrestrial and space solar panels, thus making CPV very competitive, compared to commercial FLATCON CPV systems operating at maximum concentrations of about 500 suns.L'électricité d'origine photovoltaïque constituera une composante majeure des apports énergétiques (domestiques, industriels et spatiaux) dans les prochaines années. Les cellules solaires multi-jonctions III-V sous concentration solaire détiennent actuellement les records de taux de conversion de la lumière en électricité (>47%). Le photovoltaïque concentré (CPV) a de nombreux avantages : (i) très faible empreinte carbone, (ii) utilise moins de surface et (iii) permet de créer des emplois locaux particulièrement intéressants pour les pays en voie de développement. Afin de rendre le CPV compétitif par rapport aux autres technologies, en particulier celles à base de silicium dont le coût ne cesse de baisser, il faut opérer efficacement au-delà du millier de soleils. Cependant, au fur et à mesure que la lumière devient concentrée, la cellule solaire délivre plus de courant (I), ce qui entraîne d’autres effets indésirables, comme par exemple les pertes résistives et le surchauffage. Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche de conception des cellules solaires, qui consiste à dupliquer les sous-cellules de même gap en deux ou plusieurs sous-jonctions de gaps identiques, connectées électriquement et optiquement en série. Ainsi, le dispositif fonctionne à des tensions plus élevées et il en résulte un courant plus faible, ce qui contribue une réduction substantielle des pertes résistives proportionnelles à I2. Nous avons démontré, pour la première fois, qu’une telle approche est très performante pour améliorer le rendement avec l’augmentation du facteur de concentration, ouvrant de nouveaux horizons de solution pour la minimisation des coûts de l’énergie. En premier lieu, plusieurs architectures des cellules dupliquées à base de GaAs et de triple-jonction In0.51Ga0.49P/GaAs/Ge sont simulées avec une approche multiphysique pour étudier leurs performances sur une large gamme de concentrations. On a ainsi identifié les structures permettant de minimiser le coût de l’électricité grâce à une maximisation du facteur de concentration. Cette étude a montré qu’une réduction de plus de 20% du coût de l’électricité est atteignable par rapport à un système de référence. Ensuite, le concept est validé expérimentalement par une cellule à trois jonctions de GaAs dupliquées. Une simulation calibrée par éléments finis, à l’aide du logiciel Silvaco Atlas, est utilisée pour étudier les facteurs de mérite des cellules dupliquées à très hautes concentrations (>1000 soleils). Nous avons commencé par l’optimisation des jonctions tunnel servant d’interconnexions électriques dans les cellules dupliquées pour déterminer les plages de dopage où elles ne seront pas limitantes. Pour cela, un modèle de transport non local est utilisé pour simuler les jonctions suivantes (p++/n++): Al0.4Ga0.6As / In0.51Ga0.49P, Al0.4Ga0.6As / Al0.4Ga0.6As et Al0.7Ga0.3As / Al0.7Ga0.3As. À la suite de cette optimisation, plusieurs cellules dupliquées (2xGaAs, 3xGaAs et 2xInGaP/2xGaAs) sont simulées. Les résultats confirment que l’augmentation des sous-jonctions améliore le rendement des cellules solaires à hautes concentrations. Typiquement, des améliorations de l’efficacité absolue d’environ 2%, 3.5% et 4% sont atteintes pour 2xGaAs, 3xGaAs et 2xIn0.51Ga0.49P/2xGaAs, respectivement. Le modèle économique indique qu’une réduction substantielle du coût (jusqu’à 30%) serait possible en implémentant cette technologie dans les panneaux solaires terrestres et spatiaux, permettant ainsi de rendre le CPV très compétitif, par rapport aux systèmes commerciaux FLATCON CPV opérant à des concentrations maximales d’environ 500 soleils

Optimized duplicated-junction solar cells: An innovative approach for energy harvesting at ultra-high concentrations

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Cost‐effective energy harvesting at ultra‐high concentration with duplicated concentrated photovoltaic solar cells

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Duplicated design to further improve III-V solar cell efficiency at ultra-high concentration factors (> 1000 suns)

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Duplicated design to further improve III-V solar cell efficiency at ultra-high concentration factors (>1000 suns)

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Duplicated design to further improve III-V solar cell efficiency at ultra-high concentration factors (> 1000 suns)

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Hybrid epitaxy technique for the growth of high-quality AlInAs and GaInAs layers on InP substrates

International audienceThe quality and properties of epitaxial films are strongly determined by the reactor type and the precursor source phase. Such parameters can impose limitations in terms of background doping, interface sharpness, clustering, phase separation, and homogeneity. The authors have implemented a hybrid epitaxy technique that employs, simultaneously, vapor and solid sources as group III precursors. The system combines the high throughput and the versatility of gas sources as well as the high purity of solid sources. Using this technique, the authors successfully demonstrated epitaxial growth of Al0.48In0.52As and Ga0.47In0.53As layers on Fe-doped semi-insulating InP (001) substrates with interesting properties, compared with the epilayers grown by more standard techniques (chemical beam epitaxy, metal-organic chemical vapor deposition, and MBE). For AlInAs growth, trimethylindium and solid aluminum were used as In and Al precursors, respectively. In the case of GaInAs, triethylgallium and solid indium were used, respectively, as Ga and In precursors. Thermally cracked arsine (AsH3) was used as an As (group V) precursor for both alloys. The AlInAs and GaInAs epilayers grown at a temperature of 500 °C exhibited featureless surfaces with RMS roughness of 0.2 and 1 nm, respectively. Lattice mismatch is of 134 ppm, for AlInAs, and −96 ppm, for GaInAs, which were determined from high-resolution x-ray diffraction (HR-XRD) patterns and showed a large number of Pendellösung fringes, indicating a high crystalline quality. An FWHM of 18.5 arcs was obtained for GaInAs epilayers, while HR-XRD mapping of a full 2-in. wafer confirmed a viable lattice mismatch homogeneity (standard deviation of 0.026%) for as-grown layers. The authors observed room-temperature background doping values as low as 3 × 1015 cm−3, for AlInAs, and 1 × 1015 cm−3, for GaInAs. Analysis of the PL spectra at 20 K showed an FWHM of 8 meV, for AlInAs, and 9.7 meV, for GaInAs, demonstrating a very good optical quality of the epilayers. In addition, they have investigated the effects of the growth temperature and of the arsine pressure on epilayer properties. They also discuss the optimum conditions for the growth of high-quality Al0.48In0.52As and Ga0.47In0.53As layers on InP (001) substrates using this hybrid epitaxy technique