Capacitance and admittance based characterization techniques adapted to multijunction solar cells : characterization and modeling

La limite de rendement théorique de Shockley-Queisser pour une cellule solaire à simple jonction (~30%) est particulièrement difficile à atteindre y compris dans la filière la plus répandue, la filière silicium, dont les records de rendement sont aujourd’hui proches de 27%. Les cellules à multijonctions (MJ), basées sur l’association de plusieurs cellules à jonctions PN appelées sous-cellules, font donc l’objet d’un intérêt tout particulier puisqu’elles permettent d’atteindre, et même de dépasser la limite de 30% de rendement. Pour autant, les travaux de caractérisation de cellules MJ sont plus délicats à mettre en œuvre et moins répandus. Dans cette thèse, nous nous intéressons au développement de techniques de caractérisation basées sur des mesures de capacité et d’admittance appliquées aux cellules MJ: capacité-tension (C(V)), spectroscopie d’admittance et spectroscopie des états profonds en régime transitoire (DLTS). Ces techniques, utilisées dans la caractérisation de cellules solaires simples pour déterminer notamment des concentrations de dopants (C(V)) ou la présence de défauts électriquement actifs (spectroscopie d’admittance et DLTS), ont été très peu développées pour des cellules MJ. En effet, dans le cas de cellules MJ monolithiques, le couplage optique et électrique des sous-cellules rend particulièrement délicat la caractérisation de chaque sous-cellule indépendamment. En nous appuyant sur des développements théoriques et numériques, ainsi que sur des validations expérimentales, nous proposons ici une méthode permettant de séparer les contributions capacitives de chaque sous-cellule. Cette méthode est basée sur l’ajout d’éclairements spécifiques de sorte que la jonction que l’on souhaite caractériser soit en conditions d’obscurité tandis que les autres sous-cellules absorbent la lumière. A partir de résultats expérimentaux et de modélisation obtenus pour des cellules tandem III-V/Si, nous analysons en détail ces techniques : propriétés physiques de chaque sous-cellule qu’il est possible de déterminer (concentration de dopants, défauts électriquement actifs), influence de différents paramètres expérimentaux (tension de polarisation DC, fréquence du signal AC, température, intensité du flux lumineux, etc..), limites et difficultés de chacune des techniques. L’application de ces techniques à d’autres types de cellules tandem, en particulier des cellules perovskite/silicium, et à des cellules MJ avec plus de 2 sous-cellules, fait partie des nombreuses perspectives qu’offre ce travail de thèse.The theoretical Shockley-Queisser radiative efficiency limit for single solar cells is around 30% and even silicon solar cells, which dominate the PV market, are very close to their performance limit with a record efficiency around 27%. The multi-junction (MJ) architecture is a strategy to reach or go over the 30% efficiency by combining semiconductor absorbers with appropriate bandgaps. However, the characterization of MJ solar cells can be much more complex than single junction cells. Indeed, for the two-terminal MJ architecture, the optical and electrical coupling between the subcells makes it challenging to characterize each subcell independently. In this thesis, we develop characterization techniques based on capacitance and admittance measurements and applied to MJ solar cells: capacitance-voltage (C(V)), admittance spectroscopy and deep-level transient spectroscopy (DLTS) techniques. These techniques are commonly used for single solar cells to determine doping densities (C(V)) or to study electrically active defects (admittance spectroscopy and DLTS), but only a few studies have been published about their use to characterize MJ cells at the subcell level. We show here it is possible to separate each subcell’s contribution to the cell capacitance by choosing illuminations such that one subcell is in the dark whereas the others absorb the light. Based on theoretical and numerical developments as well as experimental results performed on III-V/Si tandem cells, we present a detailed analysis of the techniques: subcell properties that can be extracted, influence of several experimental parameters (DC bias, frequency, temperature, light power…), limits and difficulties of the techniques. This work can be extended to other types of tandem cells like perovskite/Si or to MJ with more than two subcells