GROWTH OPTIMIZATION AND PROCESS DEVELOPMENT OF INDIUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE SOLAR CELLS

OPTIMISATION DE CROISSANCE ET DÉVELOPPEMENT DE PROCÉDÉS DE CELLULES SOLAIRES INDIUM GALLIUM NITRIDE / GALLIUM NITRIDE

Matthew B Jordan (1)

1 Georgia Tech Lorraine [Metz]

Chapter one is an introductory chapter defining some basic physics that are important to solar cells as well an introduction to the economic pressures driving solar cell innovation and the state of the art for various types of solar cells. Chapter two deals with the material indium gallium nitride. The material prop erties are discussed followed by a discussion of InGaN solar cells. We discuss our laboratory’s approach to InGaN solar cells, namely optimizations of the semibulk growth method. We also demonstrate how semibulk InGaN can be used to produce a very high quality solar cell absorber resulting in a high short circuit current. Through this process we found that we may be able to improve the solar cell by optimizing the processing. Lastly we discuss simulations performed on InGaN/Si tandem solar cells and show that this is a promising route to high eciency solar cells. In order to decouple the material quality from the device processing and focus on optimizing the solar cell process we use LED samples. We then deconstruct each step of the process and describe the steps we used to optimize them in chapter three. Specifically we discuss: • Device Design • GaN Etching • V-Pits – How they e↵ect solar cell performance and how to passivate them • Metal contacting to n-GaN – Materials, Improving the specific contact resistance, and yield • Metal contacting to p-GaN – The transport mechanisms associated with the contacts, various studies optimizing the contact, and the measured e↵ect of the contact on the electrical performance. • Passivation of the mesa • And the next steps – Chiefly investigating the p-contact’s optical properties, other p-contact materials, passivation, and antireflective coatings In this chapter we present device results from LEDs. These LEDs were also characterized as solar cells and used in and InGaN/Si solar cell tandem. We discuss alternative paths to high eciency InGaN based solar cells and demonstrate InGaN based solar cells grown on BN as well and nanoselective area growth solar cells. Finally in the last chapter we conclude by briefly recapping the work that has been done as well as what is left to be done to achieve high eciency InGaN/Si tandem solar cells.

Le premier chapitre est un chapitre introductif définissant une physique de base important pour les cellules solaires ainsi qu'une introduction aux pressions économiques entraînant l'innovation des cellules solaires et l'état de l'art pour différents types de cellules solaires. Le chapitre deux traite du nitrure de gallium et d'indium. Le support matériel Les propriétés sont discutées, suivies d'une discussion sur les cellules solaires InGaN. Nous discutons de notre approche du laboratoire des cellules solaires InGaN, à savoir l'optimisation du semi-mulk méthode de croissance. Nous montrons également comment le semi-mulk InGaN peut être utilisé pour produire un absorbeur de cellules solaires de très haute qualité résultant en un courant de court-circuit élevé. Par ce processus, nous avons constaté que nous pouvons être en mesure d'améliorer la cellule solaire en optimisant le traitement. Enfin, nous discutons des simulations effectuées sur le solaire tandem InGaN / Si cellules et montrent qu'il s'agit d'une voie prometteuse vers des cellules solaires à haut rendement. Afin de dissocier la qualité du matériau du traitement et de la mise au point de l'appareil pour optimiser le processus des cellules solaires, nous utilisons des échantillons de LED. Nous déconstruisons ensuite chacun étape du processus et décrire les étapes que nous avons utilisées pour les optimiser dans le chapitre trois. Plus précisément, nous discutons: • Conception de l'appareil • Gravure au GaN • V-Pits - Comment ils affectent les performances des cellules solaires et comment les passiver • Contact du métal avec le n-GaN - Matériaux, Amélioration de la résistance de contact spéci fi que et rendement • Contact du métal avec le p-GaN - Les mécanismes de transport associés aux contacts, diverses études optimisant le contact et l’effet mesuré du contact sur les performances électriques. • Passivation de la mesa • Et les prochaines étapes - Chie fl y étudie les propriétés optiques du p-contact, d'autres matériaux de p-contact, la passivation et les revêtements antireflet Dans ce chapitre, nous présentons les résultats des appareils à partir des LED. Ces LED étaient également caractérisés comme cellules solaires et utilisés en tandem de cellules solaires InGaN / Si. Nous discutons voies alternatives vers des cellules solaires à haute efficacité basées sur InGaN et démonstration d'InGaN à base de cellules solaires cultivées sur BN ainsi que de cellules solaires à croissance nanosélective. Enfin, dans le dernier chapitre, nous concluons en récapitulant brièvement le travail qui a été fait ainsi que ce qui reste à faire pour obtenir un tandem InGaN / Si à haute efficacité cellules solaires.

Mots clés: Nitride

Mots clés: Nitride

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

Matthew B Jordan. GROWTH OPTIMIZATION AND PROCESS DEVELOPMENT OF INDIUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE SOLAR CELLS. Engineering Sciences [physics]. École Doctorale de génie électrique et informatique, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02433343⟩