Study of epitaxial Cu(In,Ga)S2/GaP/Si heterostructures for tandem solar cells applications
Étude d’hétérostructures épitaxiales Cu(In,Ga)S2/GaP/Si pour les applications en cellules solaires tandem
Résumé
Cu(In,Ga)S2 (CIGS) thin films are relevant candidates when combined with crystalline Si in tandem solar cells. Indeed, with an appropriate composition, the bandgap of CIGS can be tuned to 1.7eV. However, a significant technological challenge is the lack of adhesion when CIGS is directly deposited on Si. To address this issue, we propose the addition of a GaP interlayer between the CIGS and Si. Given the similar lattice parameters and crystal structures of CIGS, GaP, and Si, we consider the epitaxial growth of CIGS on GaP/Si(001), resulting in a mechanically strong interface. In this thesis, we investigate the influence of the film's Cu content on phase segregation, epitaxial relationships, morphology, and extended defect density. Furthermore, we aaa examine the surface and interface reactions in CIGS/GaP/Si heterostructures. More precisely, we study the chemical reactivity of GaP toward S vapors and CIGS, depending on the growth conditions. We identify reaction pathways that demonstrate GaP's lack of chemical stability during CIGS deposition in Cu-excess conditions. Despite this reactivity, we show that GaP can be employed as a diffusion barrier to prevent the out-diffusion of Cu from the CIGS into the Si substrate. Finally, we explore the potentialities of GaP/Si(p) pseudo-substrates as a hole contact for CdS/CIGS heterojunction solar cells. In particular, we discuss the origin of a potential barrier for photogenerated hole collection. This allows us to conclude with prospects for future two-terminal CIGS/Si tandem solar cells.
Les couches minces de Cu(In,Ga)S2 (CIGS) sont des candidats pertinents en association au Si cristallin dans les cellules solaires tandem. En effet, pour une composition appropriée, le bandgap du CIGS peut être modulé à 1,7eV. Un obstacle technologique majeur reste le manque d'adhérence du CIGS directement déposé sur le Si. En réponse, nous proposons l'ajout d'une couche de GaP entre le CIGS et le Si. Compte tenu des similitudes des paramètres de maille et des structures cristallines du CIGS, GaP et du Si, nous étudions la croissance épitaxiale de CIGS sur GaP/Si(001), formant une interface mécaniquement solide. Nous étudions l'influence du taux de Cu sur la ségrégation de phase, les relations d’épitaxie, la morphologie et la densité de défauts étendus des couches. De plus, nous examinons les réactions de surface et d'interface dans les aaa hétérostructures CIGS/GaP/Si. Plus précisément, nous étudions la réactivité chimique de GaP envers les vapeurs de S et envers le CIGS, en fonction des conditions de croissance. Nous identifions des réactions chimiques démontrant que le GaP n'est pas stable lors du dépôt de CIGS en excès de Cu. Malgré cette réactivité, nous montrons que GaP peut être utilisé comme barrière de diffusion du Cu depuis le CIGS vers le Si. Enfin, nous explorons les potentialités des pseudosubstrats GaP/Si(p) comme contacts pour les cellules solaires à hétérojonction CdS/CIGS. En particulier, nous discutons de l'origine d'une barrière pour la collecte des trous photogénérés. Cela nous permet de conclure sur des perspectives pour les futures cellules solaires tandem CIGS/Si à deux terminaux.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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