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M@CSEE

Microéléctronique Composants Systèmes efficacité énergétique

Thème de recherche :

Cellules solaires multi jonction III-Sb

Actuellement, les meilleurs rendements, « à un soleil », des cellules photovoltaïques de 3 à 6 jonctions sont d’environ 38-39 %, alors qu’ils atteignent 44 à 47 % sous une lumière concentrée [1]. Le nombre de jonctions tend à augmenter au fil des ans, améliorant toujours la récolte du spectre solaire.

La figure 1.a. présente les bandes passantes optimales en fonction du nombre de sous-cellules. Nous pouvons observer que la fabrication de multi-jonction à 4 jonctions et plus nécessite des matériaux avec une large gamme de valeurs de « bande interdite » et particulièrement la valeur spécifique de 0,5 eV. Comme on peut le voir sur la cartographie des énergies de « bande interdite » en fonction de la constante de réseau (Fig. 1.b.), il est difficile de trouver des matériaux parmi tous les SC III-V et II-VI qui sont capables de remplir cette exigence et surtout si l’on veut rester adapté au réseau des plaquettes standard comme Ge, GaAs et InP. Notre travail vise à explorer une nouvelle stratégie basée sur des alliages III-Sb appariés en réseau à GaSb

En réalité, les alliages quaternaires appariés au GaSb peuvent répondre à cette préoccupation (Fig. 2.) [2]. La bande interdite de 0,5 eV peut être atteinte avec l’alliage GaInAsSb. Des bandes interdites moyennes de 0,726 à 1,64 eV peuvent être atteintes avec les alliages GaSb et AlGaAsSb et des bandes interdites plus élevées avec un quaternaire II-VI apparié à GaSb. Nous pouvons également noter que l’alliage AlInAsSb permet de couvrir une large gamme de bandgaps mais sa croissance n’est pas facile en raison de problèmes de miscibilité.

Nous sommes capables de concevoir, fabriquer et caractériser des cellules solaires III-Sb optimisées (voir Fig. 3.) [3]. Dans un premier temps, l’architecture de la cellule est optimisée à l’aide de nos solveurs développés en interne. Sur la base de ces optimisations, la structure est développée par MBE (épitaxie par faisceau moléculaire) en étroite collaboration avec l’équipe NanoMIR (IES). Ensuite, nous procédons à la fabrication des cellules dans la salle blanche avec des équipements dédiés aux antimoniures. Les cellules solaires ainsi fabriquées sont caractérisées et analysées par des simulations numériques.

Les derniers résultats :

Rendement record d’une cellule solaire à simple jonction en GaSb (7,2 % à « un soleil ») [3].
Élaboration de cellules solaires à simple jonction AlGaAsSb [2].
Elaboration de cellules tandem III-Sb [4].
Développement d’une bibliothèque de matériaux d’alliages quaternaires III-Sb pour les simulations numériques [2].
Développement d’un solveur numérique 1D pour simuler les cellules solaires à une et plusieurs jonctions [4].
Développement d’un solveur pseudo-3D pour simuler le comportement des cellules solaires sous une lumière concentrée.