Croissance épitaxiale de Germanium et de matériaux III-V sur des substrats de Germanium mésoporeux, pour des applications photovoltaïques

Notre société est confrontée, depuis ces dernières années, à une incessante croissance de la demande énergétique dans de nombreux domaines, tels que les transports, les télécommunications, etc. Pour répondre à cette demande et progressivement remplacer l’utilisation des énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon, etc.), le secteur des énergies renouvelables est de plus en plus sollicité et semble constituer la solution idéale. Parmi les énergies renouvelables disponibles, celle du photovoltaïque a fait l’objet de nombreuses avancées, notamment dans le marché civil et spatial. Actuellement, les cellules solaires les plus performantes sont celles de type III-V multijonctions, reposant sur des substrats de Germanium (Ge) et/ou d’Arséniure de Gallium (GaAs). Avec ce type de cellule, il est maintenant possible d’obtenir des efficacités dépassant les 45 %. Néanmoins, leur utilisation est limitée à des marchés de niche tel que le domaine spatial, dû à un coût de production élevée. En effet, le Ge est considéré comme un matériau rare (et donc cher), ce qui impacte fortement le prix de cellules. De plus, les substrats utilisés ont des épaisseurs généralement utilisées entre 150 μm et 180 μm, alors que seulement quelques μm seraient nécessaires pour maintenir les performances de la cellule. Cette forte épaisseur, représentant environ 95 % du poids total de la cellule, est un facteur très limitant dans la démocratisation des cellules dans les secteurs où la réduction de poids est un défi, comme le spatial et l’automobile. Enfin, ces substrats ne peuvent pas être réutilisés, ce qui est une perte substantielle de matériaux. Il est donc nécessaire de trouver une approche fiable, économique et applicable à l’échelle industrielle afin de pouvoir diminuer la quantité de matériaux utilisée et permettre la réutilisation du substrat de Ge. Dans le cadre de cette thèse, il sera démontré une optimisation de l’approche de l’homoépitaxie de Ge sur une monocouche de Germanium poreux (PGe), à basse et à haute température, maintenant connue sous le nom de PEELER. Cette toute nouvelle approche a permis la démonstration de la création d’un template de croissance, sous la forme d’une membrane détachable de Ge, de qualité monocristalline et de faible rugosité (< 1 nm) permettant la croissance de matériaux III-V de haute qualité. Il sera aussi montré qu’il est possible de réutiliser, plusieurs fois, le substrat afin de reproduire le processus. Les paramètres utilisés et étudiés, pour cette démonstration, sont issus de l’étude de l’impact de plusieurs facteurs tels que la température de croissance du Ge ainsi que l’épaisseur de la couche mésoporeuse de Ge, sur la réorganisation du poreux et la force d’adhésion de la membrane. Il a été observé qu’en augmentant la température de croissance, la réorganisation du poreux devient plus importante, permettant l’augmentation de la force d’adhésion de la membrane. Avec la variation de l’épaisseur de la couche poreuse, il a été montré qu’il est possible d’obtenir une large plage de variation de la force d’adhésion de la membrane, allant d’une membrane détachable avec une simple bande adhésive, de faible force d’adhésion, jusqu’à une membrane non détachable. Cette étude a permis de démontrer que le contrôle de la force d’adhésion de la membrane de Ge est possible et d’envisager l’utilisation de l’approche PEELER dans d’autres domaines que celui des cellules solaires.

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