Nanofils coeur-coquille Ge-GaAs pour application photovoltaïque sur Si

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Ajouté le: 6/06/2014
Directeur : RENARD Charles - charles.renard@ief.u-psud.fr
Titre : Nanofils coeur-coquille Ge-GaAs pour application photovoltaïque sur Si
Thèmes : Conversion d’énergie et systèmes électromagnétiques
Électronique, opto-électronique, Nano-sciences, nanotechnologies
Laboratoires : IEF - Institut d'Electronique Fondamentale UMR 8622
Description :

Contexte du projet de recherche et motivations
Les activités de l’équipe Heterna de l'IEF (http://heterna.ief.u-psud.fr/) portent sur l'intégration hétérogène de matériaux sur silicium à l'échelle nanométrique. Un des axes de recherche est orienté plus spécifiquement sur l'élaboration et l'étude des nanofils (NFs) semiconducteurs pour des applications photovoltaïques (PV) sur Si.

La conversion de l'énergie solaire en électricité est un domaine en pleine expansion technologique motivée par un fort impact économique et environnemental lié à la nécessité de réduire les émissions de carbone. Les NFs semi-conducteurs sont considérés à l’heure actuelle comme des candidats très prometteurs pour une nouvelle génération de dispositifs photovoltaïques. D’une part, la synthèse des NFs, par l’approche ″bottom-up″, permet de réduire considérablement la quantité de matériau associée à une cellule, et donc son coût. De plus, la structure radiale (de type coeur-coquille) des jonctions p-n dans les NFs permet une collecte efficace des porteurs photo-générés, car les distances que doivent parcourir les porteurs engendrés par la lumière sont considérablement réduites par rapport aux structures classiques à empilement. Enfin, les réseaux de nanofils possèdent des propriétés optiques très attractives comme une diffusion accrue de la lumière qui conduit à une augmentation de l'absorption par rapport aux films minces. D'autre part, le concept de multijunctions (MJS) a conduit à l’obtention des plus hautes performances pour les cellules solaires, avec des rendements de conversion record de 35,8% à 1 soleil et de 43,5% sous concentration pour les cellules triple jonction (Ge / InGaAs / InGaP). Cependant, cette technologie souffre de coûts élevés, principalement dus au prix des substrats de Ge et à la nécessité d’utiliser des matériaux de très haute qualité et dont certains sont relativement peu abondants, contrairement au silicium. Du fait que les NFs peuvent accommoder leurs désaccords de maille en volume il est alors possible de réaliser les MJs sur des substrats de silicium bon marché.

Objectifs et descriptif du travail de thèse
L'objectif de cette thèse est de maîtriser la croissance et le dopage de nanofils coeur-coquille Ge-GaAs et d'apporter des connaissances fondamentales sur leurs propriétés physiques en vue d’applications photovoltaïques. Dans un premier temps, le travail de thèse consistera à optimiser les conditions de croissance des structures visées. Pour cela, le doctorant effectuera une étude paramétrique corrélant les paramètres (P, T, flux..) de croissance et les propriétés structurales des nanofils coeur-coquille. un soin particulier sera tout de même apporté pour obtenir le bon dopage des nanofils de Ge(n) pendant la croissance VLS. La reprise d’épitaxie du matériau Ge(p) sur les nanofils de Ge(n) sera également un point critique à optimiser afin d’obtenir des jonctions idéales. La structure coeur-coquille entre le GaAs et le Ge sera réalisée par une reprise d’épitaxie classique de GaAs sur Ge. Ces deux matériaux présentent l’intérêt d’être en quasi-accord de maille l’un avec l’autre, ce qui permet de réaliser la reprise d’épitaxie, suivant la géométrie radiale, sans se soucier des problèmes de relaxation. Cependant, pour ces systèmes de matériaux (GaAs/Ge) des domaines d’antiphase (DAPs) peuvent se former lors de la croissance d’un matériau polaire (GaAs) sur un matériau non polaire (Ge). Heureusement, dans la géométrie présentée ici, vu les faibles distances mises en jeu pour la collection des porteurs, cet effet ne devrait pas être gênant. Cependant, si ces DAPs posent problèmes, des solutions existent pour réduire leur densité, comme jouer sur la rugosité des fils afin d’obtenir des bords de marche permettant de localiser les DAPs à l’interface.
Une fois ces structures réalisées, le doctorant s’intéressera ensuite à l’encapsulation des nanofils nécessaire pour augmenter la stabilité mécanique et chimique de l'ensemble et permettre aussi l'isolation électrique du contact supérieur avec le substrat. Finalement, il optimisera les prises de contacts ″hauts et bas″ des structures réalisées. L’étape ultérieure consistera à valider les propriétés électriques des structures proposées et caractériser l’efficacité des cellules PV obtenues, cette partie du projet sera réalisée au LGEP (Laboratoire de Génie Électrique de Paris) dans la continuité d’une collaboration engagée sur le projet ANR MULTISOLSI.

Cette thèse est essentiellement à caractère expérimental et bénéficiera d'un ensemble d'équipements techniques d'excellence grâce à l'association des deux laboratoires IEF et LGEP. En premier lieu, la croissance des matériaux sera assurée par le banc d'épitaxie CBE développé dans l’équipe HETERNA, qui permet de faire des associations de matériaux IV-IV et III-V. Cet équipement est, de plus, doté d'un ensemble complet d'outils d'analyses physico-chimiques in-situ, comprenant la diffraction électronique (RHEED), la spectrométrie Auger, et la spectroscopie de photoélectrons (XPS) résolue en angle. En second lieu, pour les caractérisations électroniques et optoélectroniques, on bénéficiera de la plateforme CAMADISC du LGEP. Celle-ci intègre notamment un système unique permettant de coupler les spectroscopies à l'échelle microscopique de type Raman, photoluminescence, AFM et AFM à pointe conductrice. Cette plateforme comprend aussi les outils propres à la caractérisation des propriétés photovoltaïques, mesures des caractéristiques courant-tension et photoréponse spectrale, ainsi que des caractérisations de défauts électroniquement actifs par spectroscopie d'admittance et DLTS.
Le projet s'appuiera également sur les moyens de la Centrale de Technologie Universitaire-MINERVE hébergée à l'IEF, d’une surface proche de 1000 m2 et dédié aux nanotechnologies. L'ensemble de cette étude nécessitera des caractérisations structurales qui seront principalement effectuées par microscopie électronique en transmission (MET) en utilisant les différents modes d'imagerie et d'analyse. Cette technique est devenue un outil d'analyse indispensable pour l'étude des matériaux à l'échelle nanométrique. Les caractérisations par MET seront effectuées en partenariat étroit avec deux laboratoires, le LPN (Laboratoire de Photonique et de Nanostructures) de Marcoussis et le CEMES (Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales) de Toulouse, chacun d'eux proposant des outils et des techniques spécifiques utiles pour nos caractérisations.

Publications de l'équipe sur le sujet
[1] Boukhicha R., Gardès C., Vincent L., Renard C., Yam V., Fossard F., Patriarche G., Jabeen F., Bouchier D. Europhysics Letters, vol. 95, (2011) 18004
[2] Renard C., Boukhicha R., Gardès C., Fossard F., Yam V., Vincent L., Bouchier D., Hajjar S., Bubbendorf J., Garreau G., Pirri C. Thin Solid Films 520 (2012) 3314
[3] Renard C., Cherkasin N., Jaffre A., Vincent L., Michel A., Molie?re T., Hamouche R., Yam V., Alvarez J., Fossard F., Mencaraglia D., Bouchier D, Applied Physics Letters 102 (2013) 191915
[4] Connolly J., Mencaraglia D., Renard C., Bouchier D., Progress in photovoltaic (2014), DOI: 10.1002/pip.2463

Laboratoires et équipes d'accueil
Institut d’Electronique Fondamentale, CNRS / Université Paris-Sud, Bât. 220, Université Paris-Sud, Bât. 220, Université Paris-Sud, 91405 Orsay
Département Nanoélectronique / Equipe Heterna (http://heterna.ief.u-psud.fr/)
Laboratoire de Génie Electrique de Paris, CNRS/Supélec/ Université Paris-Sud, 11 rue Joliot-Curie, Plateau de Moulon, 91192 Gif-sur-Yvette

Encadrants de thèse :
Charles RENARD (E-mail : charles.renard@ief.u-psud.fr), Téléphone : 01 69 15 40 47
José ALVAREZ (E-mail : jose.alvarez@lgep.supelec.fr), Téléphone : 01 69 85 16 43
Directeur de thèse titulaire de l'HDR :
Jean-Paul KLEIDER (E-mail : jean-paul.kleider@lgep.supelec.fr), Téléphone : 01 69 85 16 45