Thèse Année : 2024

III-V epitaxy by RP-CVD : from thin film growth to solar cell devices

Épitaxie de III-V par RP-CVD : de la croissance de couches minces aux dispositifs de cellules solaires

Résumé

Solar cells based on III-V materials have reached the highest efficiency of any technology available today, i.e. up to 47% under concentration. However, their production cost is approximately a hundred times higher than that of c-Si solar cell, the technology that dominates the market (95% in 2023) but currently cap at around 26.8% of efficiency. Reducing the cost of III-V semiconductors would represent a major advancement towards increasing the share of solar energy in the energy mix. Specifically, combining III-V with low-cost silicon in tandem configuration would maximize energy conversion from the solar spectrum. The high price of this technology is mainly due to the III-V solar cell processing, the III-V substrate and the III-V epitaxy. This PhD thesis specifically addresses this third challenge. To this end, we have developed a new approach for the epitaxial growth of III-V materials by using a Remote Plasma Chemical Vapor Deposition (RP-CVD) reactor. The addition of a plasma in the reactor proves advantageous, as it allows (i) low pressure growth (~1 mbar vs. ~500 mbar for CVD) which contribute to a reduction of frequently toxic and expensive gases consumption, (ii) effective precursor dissociation leading to reduced growth temperature, and (iii) effective in-situ surface treatments, reducing the number and complexity of processing steps. We have developed and optimized this innovative reactor, entirely built in the laboratory (LPICM, Ecole Polytechnique), for the growth of III-V materials, namely gallium nitride (GaN) and then gallium arsenide (GaAs). For GaN, we have achieved epitaxial growth on sapphire and highly (0002) oriented growth on c-Si at a low temperature of 500°C. We have proposed an innovative solution for the direct growth of GaN on c-Si and addressed the challenges associated with using standard techniques to analyze the composition of materials produced through non-conventional processes. For GaAs, we have obtained high-quality homoepitaxial growth at 400°C and 3 µm/h, optimized doping, and developed proof-of-concept solar cells. Our work also tackles the issue of substrate cost by achieving heteroepitaxial growth on virtual substrates, all at low pressure (~ 0.5 mbar), proposing a set of viable solutions for producing high-efficiency, low-cost solar cells.
Les cellules solaires composées de semi-conducteurs III-V ont atteint le rendement le plus élevé parmi toutes les technologies actuellement disponibles, affichant une efficacité dépassant les 47% sous concentration. Cependant, leur coût de production est environ cent fois supérieur à celui des cellules solaires en silicium, la technologie qui domine le marché (95% en 2023) mais qui plafonne aujourd’hui à un rendement photovoltaïque d’environ 26.8%. Réduire le coût des semi-conducteurs III-V représenterait une avancée majeure vers l’accroissement de la part du solaire dans le mix énergétique. En particulier, combiner les III-V avec le silicium bas coût, en configuration « tandem », permettrait de convertir un maximum d’énergie du spectre solaire. Le prix élevé de cette technologie s’explique notamment par le coût afférent au process de fabrication des cellules solaires III-V, au substrat III-V et à l’épitaxie de III-V. Les travaux de cette thèse s’attaquent spécifiquement à troisième ce défi. À cette fin, nous avons développé une nouvelle approche pour la croissance épitaxiale de matériaux III-V en utilisant un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur par plasma déporté (RP-CVD). L'ajout d'un plasma dans le réacteur s'avère très avantageux, car il permet (i) une croissance à basse pression (~1 mbar contre ~500 mbar pour la CVD4) qui contribue à une réduction de la consommation de gaz souvent toxiques et coûteux, (ii) une dissociation efficace des précurseurs conduisant à une réduction de la température de croissance, et (iii) des traitements de surface in situ efficaces, réduisant le nombre et la complexité des étapes de procédés. Nous avons développé et optimisé ce réacteur, entièrement construit dans le laboratoire (LPICM, Ecole polytechnique), pour la croissance de matériaux III-V, à savoir le nitrure de gallium (GaN) puis l’arséniure de gallium (GaAs). Pour le GaN, nous avons réalisé une croissance épitaxiale sur saphir et une croissance fortement orientée selon (0002) sur le c-Si à une basse température de 500°C. Nous avons proposé une solution innovante pour la croissance directe de GaN sur c-Si et relevé les défis associés à l'utilisation de techniques standard pour analyser la composition de matériaux produits par des procédés non conventionnels. Pour le GaAs, nous avons obtenu une croissance homoépitaxiale de haute qualité à 400°C et 3 µm/h, optimisé le dopage et développé des cellules solaires de démonstration. Nos travaux abordent également la question du coût des substrats grâce à la réalisation d’une croissance hétéroépitaxiale sur des substrats virtuels, le tout à basse pression, proposant un ensemble de solutions viables pour produire des cellules solaires à haut rendement et à faible coût.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04956679 , version 1 (19-02-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04956679 , version 1

Citer

Lise Watrin. III-V epitaxy by RP-CVD : from thin film growth to solar cell devices. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris, 2024. English. ⟨NNT : 2024IPPAX075⟩. ⟨tel-04956679⟩
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