Élaboration de cellules solaires en GaAs à base de substrats texturés sur verre

The increasing demand for clean energy has driven research toward higher efficiency and lower cost solar cells. Gallium arsenide solar cells detain the record efficiency for single junction devices but the high cost of the substrate limits their applications. In this work, we investigate an alternative GaAs substrate based on a low cost silica support coated by a thin (20 nm) Germanium layer. This layer is nearly lattice-matched to GaAs and can be crystallized with a high (111) texture using Metal Induced Crystallization (MIC). However, this requires a careful optimization of the deposition and annealing parameters. Here, we use a specially designed in situ optical microscope to optimize the annealing sequence. In particular, we identified two crystallization pathways, of which one should be minimized to obtain a good (111) crystalline texture. We then perform the heteroepitaxy of GaAs on this Ge seed layer using Molecular Beam Epitaxy, keeping the initial (111) crystal texture. We identify specific growth conditions for the twin- and defect-free growth of GaAs on Ge(111) surfaces. We also observe the growth of GaAs adopting the (111)A polarity on Ge (111) rather than the expected (111)B orientation. Finally, we fabricate (111)-oriented GaAs solar cells with 15,9% efficiency on a monocrystalline GaAs(111)B substrate. The transfer to standard Ge(111) monocrystalline wafers and to our Ge-coated silica pseudo-substrates reveals doping issues related to the (111)A orientation of the GaAs, as well as surface roughening due to grain boundaries in the initial Ge seed layer.Les cellules solaires à base de GaAs détiennent le record d’efficacité pour les architectures à simple jonction, mais le coût des substrats GaAs monocristallins restreint fortement leur utilisation. Dans ce travail, nous avons fabriqué des substrats alternatifs pour la croissance de GaAs, basés sur la combinaison d’un support en silice et d’un film mince (20 nm) de Germanium. Ce dernier est presque à l’accord de maille avec le GaAs et on peut obtenir une texture (111) prononcée en utilisant le procédé de cristallisation induite par un métal (MIC). La texture cristalline est très dépendante des conditions de dépôt et de recuit, ce qui a nécessité le développement d’un microscope in situ pour suivre et optimiser cette étape. Nous avons identifié deux mécanismes de cristallisation, dont l'un perturbe celui qui est responsable de l’orientation (111). Nous avons ensuite réalisé la croissance de GaAs sur ces surfaces de Ge texturées par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Nous avons identifié les conditions nécessaires à l’obtention sur Ge(111) de couches de GaAs sans macle ni autre défaut étendu. Les couches de GaAs obtenues présentent une polarité (111)A plutôt que l’orientation (111)B habituellement observée. Enfin, nous avons fabriqué des cellules solaire GaAs orientées (111)B avec un rendement photovoltaïque de 15,9 %. Le transfert de cette cellule sur des substrats Ge(111) et sur nos couches de Ge texturées sur silice révèle un dopage difficile, lié à l’orientation (111)A du GaAs, et une rugosité de surface importante induite par les joints de grain présents dans la couche de Ge initiale