Composant photovoltaïque innovant à base d’hétérojonction GaP/Si

The main objective of this thesis is to study an alternative to conventional amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell using gallium phosphide (GaP) as an emitter layer. This would allow a performance improvement because of its optical and electrical properties. The potential of GaP/Si heterojunction solar cells have been evaluated by studying each of the critical issues inherent to their fabrication process. The chemical preparation of the substrates surface and the mechanisms controling the structure of the Si (100) surface have been studied in order to obtain a single domain silicon surface (with diatomic steps) and slightly roughened by homoepitaxy (UHV-CVD). This work was completed by the study of the impact of surface preparation (chemical preparation and homoepitaxy) of the substrate on the crystalline quality of GaP deposited in two steps by MBE and MEE. The growth of GaP by MEE was subsequently carried out on Si(100) substrates having only undergone a chemical surface preparation. MEE growth sequence parameters were studied and adjusted to optimize GaP nucleation. The structural quality of the thin films was evaluated by AFM and XRD characterizations. Thin films of 20 nm have lower surface roughness equivalent to an homoepitaxy and a volume fraction of MTs below the detection limit. The MEE growth ensures a 2D nucleation. However, TEM and STM characterizations reveal the presence of antiphase boundaries. In parallel, simulations of the structure HET GaP/Si (with AFORS-HET) have been performed to evaluate the potential of the structure. First, diodes and demonstrator cells with GaP/Si junction have been fabricated and optically/electrically characterized. Limitations in performance due to the presence of traps at the interface and silicon volume degradation have been observed. All this work has allowed us to identify the technological issues to overcome in order to fully exploit the GaP/Si heterojunction cells to improve solar cell performance.L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier une alternative à la cellule photovoltaïque à hétérojonction classique de silicium amorphe/cristallin avec un matériau (GaP) qui permettrait une amélioration de rendement grâce à ses propriétés optiques et électriques. L’étude du potentiel des hétérojonctions GaP/Si pour des applications PV nous a amené à étudier chacun des aspects critiques inhérents à leur réalisation. La préparation chimique de la surface des substrats et les mécanismes qui contrôlent la structuration de la surface de Si(100) ont été étudiés afin d’obtenir une surface de silicium mono-domaine (à marches diatomiques) et faiblement rugueuse par homoépitaxie (dépôts par UHV-CVD). Cette étude a été complétée par l’étude de l’influence de la préparation de surface (préparation chimique et homoépitaxie) du substrat sur la qualité cristalline du GaP déposé en deux étapes par MEE et MBE. La croissance de GaP par MEE a par la suite été effectuée sur des substrats de Si(100) ayant uniquement subi une préparation chimique de surface. Les paramètres de la séquence de croissances MEE ont été étudiés et ajustés afin d’optimiser la phase de nucléation du GaP. La qualité structurale des dépôts a été évaluée par des caractérisations par AFM et DRX. Les couches minces de faibles épaisseurs (20nm) présentent une faible rugosité de surface équivalente à une homoépitaxie et une fraction volumique de MTs inférieure à la limite de détection. La croissance MEE permet d’assurer une nucléation 2D. Cependant les caractérisations par TEM et STM révèlent la présence de parois d’antiphase. En parallèle, la simulation de structures HET GaP/Si (effectuée grâce au programme AFORS-HET) et la réalisation de diodes et de démonstrateurs cellules GaP/Si ont permis de démontrer les optimisations apportées par l’utilisation d’un émetteur de GaP. Ces composants ont été étudiés par caractérisations optiques et électriques. Nous avons constaté une limitation des performances due à la présence de pièges à l’interface et dans le volume. Ces différentes études ont donc permis d’identifier les verrous technologiques à lever pour exploiter pleinement les cellules à hétérojonctions GaP sur silicium afin d’obtenir des hauts rendements photovoltaïques

Structural and optical properties of (In,Ga)As/GaP quantum dots and (GaAsPN/GaPN) diluted-nitride nanolayers coherently grown onto GaP and Si substrates for photonics and photovoltaics applications

San Francisco, California, United StatesInternational audienceLattice-matched GaP-based nanostructures grown on silicon substrates is a highly rewarded route for coherent integration of photonics and high-efficiency photovoltaic devices onto silicon substrates. We report on the structural and optical properties of selected MBE-grown nanostructures on both GaP substrates and GaP/Si pseudo-substrates. As a first stumbling block, the GaP/Si interface growth has been optimised thanks to a complementary set of thorough structural analyses. Photoluminescence and time-resolved photoluminescence studies of self-assembled (In,Ga)As quantum dots grown on GaP substrate demonstrate a proximity of two different types of optical transitions interpreted as a competition between conduction band states in X and Γ valleys. Structural properties and optical studies of GaAsP(N)/GaP(N) quantum wells coherently grown on GaP substrates and GaP/Si pseudo substrates are reported. Our results are found to be suitable for light emission applications in the datacom segment. Then, possible routes are drawn for larger wavelengths applications, in order to address the chip-to-chip and within-a-chip optical interconnects and the optical telecom segments. Finally, results on GaAsPN/GaP heterostructures and diodes, suitable for PV applications are reporte

New photovoltaic device based on GaP/Si heterojunctions

L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier une alternative à la cellule photovoltaïque à hétérojonction classique de silicium amorphe/cristallin avec un matériau (GaP) qui permettrait une amélioration de rendement grâce à ses propriétés optiques et électriques. L’étude du potentiel des hétérojonctions GaP/Si pour des applications PV nous a amené à étudier chacun des aspects critiques inhérents à leur réalisation. La préparation chimique de la surface des substrats et les mécanismes qui contrôlent la structuration de la surface de Si(100) ont été étudiés afin d’obtenir une surface de silicium mono-domaine (à marches diatomiques) et faiblement rugueuse par homoépitaxie (dépôts par UHV-CVD). Cette étude a été complétée par l’étude de l’influence de la préparation de surface (préparation chimique et homoépitaxie) du substrat sur la qualité cristalline du GaP déposé en deux étapes par MEE et MBE. La croissance de GaP par MEE a par la suite été effectuée sur des substrats de Si(100) ayant uniquement subi une préparation chimique de surface. Les paramètres de la séquence de croissances MEE ont été étudiés et ajustés afin d’optimiser la phase de nucléation du GaP. La qualité structurale des dépôts a été évaluée par des caractérisations par AFM et DRX. Les couches minces de faibles épaisseurs (20nm) présentent une faible rugosité de surface équivalente à une homoépitaxie et une fraction volumique de MTs inférieure à la limite de détection. La croissance MEE permet d’assurer une nucléation 2D. Cependant les caractérisations par TEM et STM révèlent la présence de parois d’antiphase. En parallèle, la simulation de structures HET GaP/Si (effectuée grâce au programme AFORS-HET) et la réalisation de diodes et de démonstrateurs cellules GaP/Si ont permis de démontrer les optimisations apportées par l’utilisation d’un émetteur de GaP. Ces composants ont été étudiés par caractérisations optiques et électriques. Nous avons constaté une limitation des performances due à la présence de pièges à l’interface et dans le volume. Ces différentes études ont donc permis d’identifier les verrous technologiques à lever pour exploiter pleinement les cellules à hétérojonctions GaP sur silicium afin d’obtenir des hauts rendements photovoltaïques.The main objective of this thesis is to study an alternative to conventional amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell using gallium phosphide (GaP) as an emitter layer. This would allow a performance improvement because of its optical and electrical properties. The potential of GaP/Si heterojunction solar cells have been evaluated by studying each of the critical issues inherent to their fabrication process. The chemical preparation of the substrates surface and the mechanisms controling the structure of the Si (100) surface have been studied in order to obtain a single domain silicon surface (with diatomic steps) and slightly roughened by homoepitaxy (UHV-CVD). This work was completed by the study of the impact of surface preparation (chemical preparation and homoepitaxy) of the substrate on the crystalline quality of GaP deposited in two steps by MBE and MEE. The growth of GaP by MEE was subsequently carried out on Si(100) substrates having only undergone a chemical surface preparation. MEE growth sequence parameters were studied and adjusted to optimize GaP nucleation. The structural quality of the thin films was evaluated by AFM and XRD characterizations. Thin films of 20 nm have lower surface roughness equivalent to an homoepitaxy and a volume fraction of MTs below the detection limit. The MEE growth ensures a 2D nucleation. However, TEM and STM characterizations reveal the presence of antiphase boundaries. In parallel, simulations of the structure HET GaP/Si (with AFORS-HET) have been performed to evaluate the potential of the structure. First, diodes and demonstrator cells with GaP/Si junction have been fabricated and optically/electrically characterized. Limitations in performance due to the presence of traps at the interface and silicon volume degradation have been observed. All this work has allowed us to identify the technological issues to overcome in order to fully exploit the GaP/Si heterojunction cells to improve solar cell performance

A novel videography method for generating crack-extension resistance curves in small bone samples

Assessment of bone quality is an emerging solution for quantifying the effects of bone pathology or treatment. Perhaps one of the most important parameters characterising bone quality is the toughness behaviour of bone. Particularly, fracture toughness, is becoming a popular means for evaluating bone quality. The method is moving from a single value approach that models bone as a linear-elastic material (using the stress intensity factor, K) towards full crack extension resistance curves (R-curves) using a non-linear model (the strain energy release rate in J-R curves). However, for explanted human bone or small animal bones, there are difficulties in measuring crack-extension resistance curves due to size constraints at the millimetre and sub-millimetre scale. This research proposes a novel "whitening front tracking" method that uses videography to generate full fracture resistance curves in small bone samples where crack propagation cannot typically be observed. Here we present this method on sharp edge notched samples (<1 mm×1 mm×Length) prepared from four human femora tested in three-point bending. Each sample was loaded in a mechanical tester with the crack propagation recorded using videography and analysed using an algorithm to track the whitening (damage) zone. Using the "whitening front tracking" method, full R-curves and J-R curves could be generated for these samples. The curves for this antiplane longitudinal orientation were similar to those found in the literature, being between the published longitudinal and transverse orientations. The proposed technique shows the ability to generate full "crack" extension resistance curves by tracking the whitening front propagation to overcome the small size limitations and the single value approach

Solar cells with gallium phosphide/silicon heterojunction

International audienceOne of the limitations of current amorphous silicon/crystalline silicon heterojunction solar cells is electrical and optical losses in the front transparent conductive oxide and amorphous silicon layers that limit the short circuit current. We propose to grow a thin (5 to 20 nm) crystalline Gallium Phosphide (GaP) by epitaxy on silicon to form a more transparent and more conducting emitter in place of the front amorphous silicon layers. We show that a transparent conducting oxide (TCO) is still necessary to laterally collect the current with thin GaP emitter. Larger contact resistance of GaP/TCO increases the series resistance compared to amorphous silicon. With the current process, losses in the IR region associated with silicon degradation during the surface preparation preceding GaP deposition counterbalance the gain from the UV region. A first cell efficiency of 9% has been obtained on ∼5×5 cm2 polished samples

GaP/Si heterojunction solar cells: an alternative to amorphous silicon?

International audienc

Evolution of Bulk c-Si Properties during the Processing of GaP/c-Si Heterojunction Cell

International audienc

Growth of III-V GaP on biatomic Si steps using a UHVCVD-MBE cluster

International audienc

Enhanced incorporation of nitrogen on atomic step edges adsorption sites in diluted nitrides alloys

International audienc

New concept of photovoltaic heterostructure GaP/c-Si : AFORS-HET simulation and first pseudomorphic approach

National audienc