Ce travail de thèse porte sur l’étude de l’effet des boîtes quantiques d’InAs sur l’efficacité de conversion des cellules solaires à simple jonction de GaAs crues par épitaxie par jets chimiques. Cette technique de croissance est particulièrement bien adaptée à la croissance de structures multicouches pour des applications photovoltaïques. Une partie importante de ce travail a été consacré à l’optimisation des conditions de croissance pour la réalisation des boîtes quantiques d’InAs et de structures à multicouches de boîtes quantiques d’InAs insérées dans une matrice de GaAs. L’optimisation des conditions de croissance des boîtes quantiques a été basée sur une étude morphologique réalisée à l’aide de mesures de microscopie à force atomique et sur une étude des propriétés optiques et électroniques effectuée à l’aide de mesures de photoluminescence en continu. Une optimisation de la quantité d’InAs déposée lors de la croissance des BQs d’InAs/GaAs a permis de montrer que les meilleures structures de BQs ont été obtenues pour une épaisseur nominale d’InAs comprise entre 2.07 et 2.47 monocouches atomiques avec une haute densité (8 × 10[indice supérieur 10] cm[indice supérieur −2]) et une énergie d’émission de 1.22 eV (λ= 1016 nm). La croissance des multicouches de boîtes quantiques, dans des conditions usuelles de maintien de la température lors de l’épitaxie des couches de barrière de GaAs, a montré des difficultés dues à l’accumulation de la contrainte dans la structure. Deux types d’amas d’InAs ont été observés : soit des boîtes quantiques cohérentes de petite taille (diamètre et hauteur typiques de 5 nm et 16 nm, respectivement) et des amas relaxés de grande taille (diamètre et hauteur de plus de 50 nm et 150 nm, respectivement). Dans ces conditions de croissance nos résultats ont montré que la formation des amas de grande taille est accompagnée par une diminution de la densité des boîtes quantiques au fur et à mesure que le nombre de couches de boîtes quantiques augmente. L’application d’une étape appelée "indium-flush" (procédéd’évaporation d’indium sous atmosphère d’arsenic) pendant la croissance des couches de barrière de GaAs, qui encapsulent les boîtes quantiques, a montré une amélioration de la qualité cristalline de la structure globale. Les caractérisations morphologique et optique d’une série d’échantillons contenant 1, 5 et 10 plans de boîtes quantiques ont montré une préservation de la densité de boîtes quantiques et de leur distribution en taille. Les résultats montrent également que l’intensité intégrée de la photoluminescence des boîtes quantiques augmente linéairement en fonction du nombre de plans de boîtes quantiques. La structure finale optimisée est donc très prometteuse pour la réalisation de cellules solaires à boîtes quantiques à haute performance. L’étude de l’effet des boîtes quantiques et l’influence de leur hauteur sur l’efficacité des cellules solaires simple jonction de GaAs ont été analysés. Des mesures de l’efficacité quantique externe et des mesures I-V ont été effectuées pour caractériser ces cellules solaires. La technique de l’indium-flush a été utilisée pour contrôler la hauteur des boîtes quantiques. Une meilleure performance a été obtenue par la cellule solaire à boîtes quantiques tronquées à 2.5 nm de hauteur avec 5% d’amélioration de l’efficacité de conversion.

La situation énergétique et les enjeux environnementaux auxquels la société est confrontée entraînent un intérêt grandissant pour la production d'électricité à partir de l'énergie solaire. Parmi les technologies actuellement disponibles, la filière du photovoltaïque à concentrateur solaire (CPV pour concentrator photovoltaics) possède un rendement supérieur et un potentiel intéressant à condition que ses coûts de production soient compétitifs.La méthode d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE pour chemical beam epitaxy) possède plusieurs caractéristiques qui la rendent intéressante pour la production à grande échelle de cellules photovoltaïques à jonctions multiples à base de semi-conducteurs III-V. Ce type de cellule possède la meilleure efficacité atteinte à ce jour et est utilisé sur les satellites et les systèmes photovoltaïques à concentrateur solaire (CPV) les plus efficaces. Une des principales forces de la technique CBE se trouve dans son potentiel d'efficacité d'utilisation des matériaux source qui est supérieur à celui de la technique d'épitaxie qui est couramment utilisée pour la production à grande échelle de ces cellules. Ce mémoire de maîtrise présente les travaux effectués dans le but d'évaluer le potentiel de la technique CBE pour réaliser la croissance de couches de GaAs sur des substrats de Ge. Cette croissance constitue la première étape de fabrication de nombreux modèles de cellules solaires à haute performance décrites plus haut.La réalisation de ce projet a nécessité le développement d'un procédé de préparation de surface pour les substrats de germanium, la réalisation de nombreuses séances de croissance épitaxiale et la caractérisation des matériaux obtenus par microscopie optique, microscopie à force atomique (AFM), diffraction des rayons-X à haute résolution (HRXRD), microscopie électronique à transmission (TEM), photoluminescence à basse température (LTPL) et spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS). Les expériences ont permis de confirmer l'efficacité du procédé de préparation de surface et d'identifier les conditions de croissance optimales. Les résultats de caractérisation indiquent que les matériaux obtenus présentent une très faible rugosité de surface, une bonne qualité cristalline et un dopage résiduel relativement important. De plus, l'interface GaAs/Ge possède une faible densité de défauts. Finalement, la diffusion d'arsenic dans le substrat de germanium est comparable aux valeurs trouvées dans la littérature pour la croissance à basse température avec les autres procédés d'épitaxie courants. Ces résultats confirment que la technique d'épitaxie par faisceaux chimiques (CBE) permet de produire des couches de GaAs sur Ge de qualité adéquate pour la fabrication de cellules solaires à haute performance. L'apport à la communauté scientifique a été maximisé par le biais de la rédaction d'un article soumis à la revue Journal of Crystal Growth et la présentation des travaux à la conférence Photovoltaics Canada 2010.

Ce projet de maîtrise consiste à l'asservissement et la mise en marche d'un réacteur d'épitaxie par jets chimiques au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. Le réacteur sert à la croissance dans l'ultravide de matériaux semi-conducteurs tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium-gallium (GalnP). La programmation LabVIEW™ et du matériel informatique de National Instruments sont utilisés pour asservir le réacteur. Le contrôle de la température de l'échantillon et de la pression de contrôle des réactifs de croissance dans le réacteur est assuré par des boucles de rétroaction. Ainsi, la température de l'échantillon est stabilisée à ±0,4 °C, alors que les pressions de contrôle de gaz peuvent être modulées sur un ordre de grandeur en 2 à 4 secondes, et stabilisées à ±0,002 Torr. Le système de pompage du réacteur a été amélioré suite à des mesures de vitesse de pompage d'une pompe cryogénique. Ces mesures révèlent une dégradation sur plus d'un ordre de grandeur de son pompage d'hydrogène avec l'opération à long terme. Le remplacement de la pompe cryogénique par une pompe turbo-moléculaire comme pompe principale a permis d'améliorer la fiabilité du système de pompage du système sous vide. D'autre part, la conductance du système d'acheminement de gaz et d'injection a été augmentée afin de réduire un effet mémoire des sources le système et faciliter la croissance de matériaux ternaires. Ainsi, des croissances de GaAs (100) sur substrat de même nature ont été effectuées et ont révélé un matériau de bonne qualité. Sa rugosité moyenne de 0,17 nm, mesurée par microscopie à force atomique, est très faible selon la littérature. De plus, une mobilité élevée des porteurs est obtenue à fort dopage au silicium, au tellure et au carbone, notamment une mobilité de 42 ± 9 cm2V_1s_1 des porteurs majoritaires "(trous) lors du dopage au carbone à 1,5 • 1019 cm-3, en accord avec la courbe théorique. La croissance du matériau ternaire GalnP a aussi été réalisée en accord de maille avec le substrat de GaAs, et avec une rugosité de 0,96 nm. Ceci constitue un premier pas dans la croissance d'alliages ternaires au laboratoire. Finalement, la mise eh marche du réacteur d'épitaxie par jets chimiques permet maintenant à cinq étudiants gradués de faire progresser des projets reliés directement à la croissance épitaxiale au Laboratoire d'Épitaxie Avancée de l'Université de Sherbrooke. [symboles non conformes]

L'énergie solaire est une source d'énergie renouvenable, peu polluante, disponible universellement et abondante. Elle est donc une solution de choix pour résoudre les problèmes énergétiques et environnementaux de l'humanité. Cependant, les panneaux solaires couramment utilisés pour transformer l'énergie solaire en électricité sont encore trop dispendieux pour une utilisation répandue. L'utilisation de lumière concentrée se veut une méthode de réduire les coûts de l'électricité produite, mais cette réduction n'est pas encore atteinte. Ce projet propose d'explorer des matériaux et des structures semiconductrices fabriqués par épitaxie par jets chimiques qui pourraient être utilisés dans des cellules solaires optimisées pour la très haute concentration. En premier lieu, plusieurs designs de cellules solaires sont simulés avec une approche multiphysique pour identifier des structures permettant de minimiser les coûts de l'électricité à travers une maximisation du facteur de concentration. Basé sur ces structures de cellules solaires, plusieurs designs de jonctions tunnels sont simulés et une jonction tunnel standard (GaAs:Te/AlGaAs:C) est choisie. Le GaAs dopé au Te présente un problème de morphologie de surface à haut dopage. Ce problème est étudié et éliminé à travers l'optimisation des conditions de croissance. Dans le cas de l'AlGaAs dopé au C, le niveau de dopage est maximisé à travers l'utilisation d'un précurseur chimique qui n'est pas utilisé en CBE, le TMA. Suite à l'optimisation de ces deux matériaux, des jonctions tunnels avec d'excellentes performances sont crûes. Par la suite, une tentative de croissance de jonction tunnel GaInP/AlGaAs avec des boîtes quantiques en InAs permet d'améliorer le courant tunnel par rapport à une jonction tunnel sans boîtes, mais sans atteindre des performances satisfaisantes pour l'inclusion dans une cellule solaire. Ensuite, un matériau alternatif pouvant servir de jonction p-n dans les structures de cellules solaires, le GaInAsP, est caractérisé par photoluminescence pour explorer l'effet des paramètres de croissance sur la séparation de phase et l'influence de cette séparation sur les propriétés du matériau. On en découvre qu'une forte séparation de phase induit la présence d'états localisés sous le bandgap qui affecterait les performances d'une cellule solaire. Ensuite, il est démontré que le dopage de type n idéal est le Te alors que celui de type p est au Zn. Cependant, les temps de vie obtenus pour le GaInAsP dopé n ou p sont très bas et donneraient de mauvaises performances de cellules solaires. Ces temps de vie sont néamoins meilleurs que ceux obtenus pour l'AlGaAs, l'alternative au GaInAsP.