Proposition de sujet de thèse - Institut d`Electronique Fondamentale

Proposition de sujet de thèse
Nanostructures pour application photovoltaïque sur silicium
DESCRIPTIF ET APPORT DU TRAVAIL DE THÈSE:
Le contexte de la recherche
Ce sujet s’intègre dans une étude poursuivie au laboratoire sur l’épitaxie de nanostructures (boîtes quantiques, îlots
localisés, et nanofils, ...) pour intégration hétérogène sur Si, qu'il s'agit de développer pour des applications avancées
en photovoltaïque. Cette thématique constitue un nouvel axe du laboratoire, qui bénéficiera des possibilités de la
centrale technologique universitaire-IEF-MINERVE. Ce projet sera mené en collaboration avec différents partenaires
académiques nationaux comme le LGEP, qui a acquis des compétences en caractérisations électriques spécifiques de
semiconducteurs et de dispositifs photovoltaïques en couches minces.
Bref descriptif scientifique
Dans le contexte mondial d'approvisionnement énergétique, le secteur photovoltaïque affiche une croissance
supérieure à 30% par an. Cependant, le développement à une plus grande échelle de cette énergie renouvelable reste
conditionné à une diminution du coût de l’énergie solaire. L’augmentation du rendement des cellules photovoltaïques
permettra alors une diminution du prix de revient de cette énergie. Parmi les concepts à haut rendement, celui qui a
apporté un progrès important concerne les cellules solaires multispectrales (ou multijonctions). Par exemple, les
cellules à triple jonctions, sont constituées des semi-conducteurs GaAs, Ge et GaInP. L’intérêt est de choisir des
matériaux avec des largeurs de bande interdite complémentaires de manière à ce qu'une majorité du spectre solaire soit
absorbé. Le coût de ces cellules reste cependant prohibitif car elles sont réalisées sur des substrats de Ge ou de
matériaux III-V. La réalisation de couches actives sur substrat de silicium devrait permettre de réduire le coût.
Néanmoins, on se heurte dans ce cas au problème du désaccord de maille existant entre le substrat et les empilements
réalisés. Ce problème peut être résolu en utilisant une approche alternative, qui consiste à réduire la surface de contact
entre les matériaux déposés et le substrat. En effet, l’épitaxie d’objets de dimensions nanométriques peut être
totalement exempte de défauts tout en restant en relation d’épitaxie avec le substrat. L’utilisation de nanostructures
permet non seulement de minimiser la quantité de matière photo-active et ainsi de diminuer le coût de fabrication des
cellules, mais aussi d’améliorer l'efficacité de l'absorption du rayonnement solaire.
L’approche retenue à l’IEF consiste à développer des stratégies pour obtenir la croissance de nanostructures mixtes
IV-IV et III-V sur Si sans émission de dislocations. Ceci inclut les empilements de boîtes quantiques, les empilements
localisés obtenus par épitaxie sélective, et les nanofils obtenus par la méthode VLS (Vapeur-Solide-Liquide).
Nous avons mis en place un banc d’épitaxie par UHV-CVD (Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition) qui
sera relié à terme à un bâti de traitement laser. Il est doté de moyens de diagnostic in situ : diffraction électronique
(RHEED), spectrométrie d’électrons Auger, spectroscopie de photoélectrons (XPS) résolue en angle. Les moyens de
la centrale technologique universitaire (CTU) seront très largement utilisés. Le doctorant mettra à profit les méthodes
de préparation étudiées pour réaliser des dispositifs de test et mettre au point les briques de base destinées à la
réalisation de cellules solaires en relation avec les différents partenaires.
Compétences acquises lors du travail de thèse
Au terme de son travail, l’étudiant aura acquis une compétence approfondie sur la surface du silicium, l’épitaxie de
nanostructures de la colonne IV et III-V, sur les méthodes de caractérisations physico-chimiques et sur des
installations technologiques avancées dans la filière du silicium (lithographie électronique, gravure plasma, etc..).
Ainsi que sur les caractérisations électriques des dispositifs photovoltaïques. Il aura eu l’opportunité de gérer un projet
dans le cadre d’une collaboration nationale. Ce travail donnera lieu à publications et communications dans des
manifestations internationales.
DIRECTEUR DE THÈSE : Daniel Bouchier ([email protected])
Co-encadrant: Charles Renard ([email protected]),
ÉQUIPE D’ACCUEIL : Opération transversale “SiGeC et nanostructures”, Institut d’Électronique
Fondamentale, UMR 8622