Optimisation numérique de cellules solaires à très haut rendement à base d’InGaN

La nécessité de promouvoir un accès universel à une énergie durable fait du domaine de l’énergie un axe de développement majeur autour duquel de nombreuses recherches se concentrent. L’objectif ultime de toutes ces recherches est le développement d’un futur mix énergétique bas-carbone. Actuellement, la consommation mondiale d’énergie est très majoritairement satisfaite par les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) polluants en carbone. Ces derniers assurent près de 85% de la consommation mondiale en énergie. Les énergies renouvelables (éolien, photovoltaïque) assurent, quant à eux, environ 3% de la consommation mondiale [1]. Afin de parvenir à une énergie décarbonée, la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique devrait considérablement augmenter. D’énormes efforts sont donc actuellement entrepris à l’échelle mondiale pour le développement de ces énergies renouvelables dites également « propres ».

Dans le secteur du photovoltaïque, les attentes sont nombreuses : augmentation de l’efficacité de conversion, diminution des coûts de production, diminution de l’impact environnemental, etc. Actuellement, la filière est largement dominée par la technologie silicium cristallin avec près de 93% de la production mondiale en 2016 [2]. Cependant, la production des cellules solaires à base de silicium reste coûteuse et nécessite une importante quantité de matériau. En outre, les cellules en silicium présentent actuellement en laboratoire, un rendement maximal de 25,6% [3], ce qui est très proche de la limite théorique maximale pour une cellule simple jonction [4]. Par conséquent, le besoin grandissant d’énergie photovoltaïque a poussé les travaux de recherche sur l’utilisation d’autres matériaux alternatifs, bien que cela ne signifie nullement l’arrêt des recherches dans la filière silicium. Aujourd’hui, ces recherches, très nombreuses et variées, se focalisent principalement sur les technologies à couches minces. Parmi ces technologies, on trouve notamment, celle à base de matériaux III-V  , très prometteuse en termes d’efficacité. Elle détient, de nos jours, les records en rendements avec des cellules solaires à multijonctions [3]. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à l’alliage de Nitrure de GalliumIndium (InGaN).

L’alliage InGaN est devenu au cours des dernières années un matériau prometteur pour les applications optoélectroniques, notamment photovoltaïques. En effet, ce matériau possède de nombreux avantages, à savoir, une bande d’énergie interdite directe qui peu couvrir une grande partie du spectre solaire en modifiant le taux d’indium, un coefficient d’absorption élevé et une très bonne tolérance aux radiations. Du fait de sa large couverture spectrale, l’InGaN est surtout étudié (dans le domaine photovoltaïque) dans la perspective de réaliser des cellules photovoltaïques multijonction à très haut rendement. En effet, Il est possible d’avoir, avec le seul matériau InGaN, plusieurs couches ayant différentes bandes d’énergie interdites, cela en changeant seulement la composition d’indium. De ce fait, nous avons la possibilité de concevoir plus aisément les cellules solaires à multijonction  . Cependant, malgré ces nombreux avantages, les enjeux technologiques tels que le manque de substrat adapté pour la croissance épitaxiale, la difficulté de réaliser le dopage de type P, ou encore, une incorporation d’indium relativement faible, sont autant de facteurs qui font obstacle au développement de la filière InGaN.

L’épuisement des ressources naturelles et les impératifs de protection de l’environnement ont amorcé un processus dynamique de transition énergétique dans le monde. Il consiste à passer du système énergétique actuel, dépendant fortement des énergies fossiles à un système reposant principalement sur des sources renouvelables. On distingue parmi ces dernières l’énergie solaire photovoltaïque qui connait un fort développement ces dernières années. La filière photovoltaïque offre une solution très pratique pour l’obtention de l’électricité partout, aussi bien dans de grands parcs solaires que sur des petites installations autonomes isolées. Elle s’est d’abord principalement développée grâce à l’industrie spatiale avant d’être largement démocratisée pour s’installer sur nos toits et devenir l’une des énergies alternatives de demain.

L’énergie photovoltaïque est obtenue en exposant à la lumière un capteur appelé cellule solaire ou photopile. Il s’agit d’un phénomène physique dit « effet photovoltaïque ». La découverte de ce dernier est attribuée à Antoine Becquerel en 1839 [6]. Le principe repose sur l’interaction lumière-matière dans les semi conducteurs. En effet, lorsqu’un matériau semi-conducteur est exposé à la lumière, les photons d’énergie égale ou supérieure à la largeur de la bande interdite sont absorbés créant ainsi des paires électron-trou par le passage des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. Si ces paires électron-trou ne sont pas séparées, leur recombinaison se fait très rapidement en libérant un phonon, selon l’énergie absorbée, et un photon.

Le rôle principal d’une cellule photovoltaïque est de réduire ces recombinaisons et donc de forcer les électrons et les trous à se diriger chacun vers une face opposée du matériau. Ainsi, il apparaîtra une différence de potentiel, donnant lieu à un photocourant. L’une des solutions couramment utilisées, pour extraire sélectivement les électrons et les trous est de créer un champ électrique permanent dans le matériau au moyen d’une jonction entre une couche de semi-conducteur dopée P  et une autre couche dopée N  (jonction PN) .

La mise en contact d’un semi-conducteur dopé P et d’un semi-conducteur dopé N fait apparaître un phénomène de diffusion dans la jonction. Les électrons majoritaires dans la couche N diffusent vers le côté P et les trous majoritaires dans la couche P diffusent vers le côté N. A la jonction, les porteurs de charge (électrons et trous) se recombinent créant une zone dépourvue de porteurs mobiles, appelée zone de charge d’espace (ZCE). Il apparaît alors une différence de potentiel et donc un champ électrique orienté de la région N vers P. Lorsqu’on éclaire la jonction, les photons d’énergie (hν) égale ou supérieure à l’énergie de la bande d’énergie interdite (Eg ) du matériau sont absorbés. Des paires électron-trou sont ensuite créées par le passage des électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Le champ électrique interne créé dans la ZCE va séparer spatialement les porteurs photogénérés : les électrons sont dirigés vers la couche N et les trous vers la couche P créant ainsi un courant électrique continu entre les électrodes métalliques déposés de part et d’autre de la structure .