Les matériaux III-Sb ont prouvé leur potentiel pour la réalisation de composants opto-électroniques dans des domaines aussi variés que les télécommunications ou l'environnement. Cependant, ils restent une filière quasi-inexplorée pour les systèmes photovoltaïques classiques. Dans ce projet de recherche, nous voulons démontrer que les composants à base d'antimoniures sont des candidats prometteurs pour des cellules solaires à haute efficacité et bas coût. Leurs avantages sont multiples : non seulement offrent-ils un large panel d'alliages accordés en maille et des jonctions tunnel à basse résistivité, mais ils permettent aussi une croissance directe sur substrat de Si. Nous étudions donc les briques élémentaires d'une cellule solaire multi-jonction intégrée sur Si. Tout d'abord, nous développons la croissance et fabrication de cellules homo-épitaxiales en GaSb. Les caractéristiques tension-intensité (J-V) mesurées sont proches de l'état de l'art avec une efficacité sous un soleil de 5.9 %. Puis, nous intégrons une cellule à simple jonction GaSb sur un substrat de Si par épitaxie par jet moléculaire (EJM). Les analyses de diffraction X (DRX) et de microscopie à force atomique (AFM) montrent des propriétés de structure et morphologie proches de celles reportées pour des buffers métamorphiques similaires dans la littérature. Nous adaptons alors la configuration de la cellule pour éviter la haute densité de défauts à l'interface GaSb/Si. La cellule hétéro-épitaxiale a une efficacité réduite de 0.6 %. Ce résultat est néanmoins proche des dernières avancées sur les cellules GaSb sur GaAs, et ce, malgré un désaccord de maille plus important. Enfin, nous étudions l'épitaxie d'AlInAsSb. Cet alliage pourrait en théorie atteindre une grande gamme d'énergies de bande interdite tout en restant accordé sur GaSb. Néanmoins, il souffre d'une lacune de miscibilité importante, le rendant sujet à la ségrégation de phase. Il n'y a que peu de mentions de l'AlInAsSb dans la littérature, et toutes rapportent des conditions de croissance instables et des énergies de bande interdite plus basses qu'attendues. Nous réussissons à produire des couches de bonne qualité d'AlInAsSb dont la composition en Al varie de 0.25 à 0.75 et ne présentant aucun signe macroscopique de décomposition de phase. Toutefois, l'observation au microscope à transmission électronique (TEM) révèle des fluctuations de composition nanométriques. Les données de photoluminescence (PL) sont étudiées pour déterminer les propriétés électroniques de l'alliage. Les mesures d'efficacité quantique (QE) montrent que la sous-cellule du haut limite la performance de la cellule tandem. Des modélisations numériques des courbes J-V et QE sont utilisées pour identifier des pistes d'amélioration pour chaque brique élémentaire. / III-Sb materials have demonstrated their potential for multiple opto-electronic devices, with applications stretching from communications to environment. However, they remain an almost unexplored segment for classical photovoltaic systems. In this research, we intend to demonstrate that III-Sb-based devices are promising candidates for high-efficiency, low-cost solar cells. Their benefits are two-fold: not only do they offer a wide range of lattice-matched alloys and low-resistivity tunnel junctions, but they also enable direct growth on Si substrates. We thus investigate the building blocks of a GaSb-based multi-junction solar cell integrated onto Si. First, we develop the photovoltaic growth and processing by fabricating homo-epitaxial GaSb cells. Intensity-voltage (J-V) measurements approach the state of the art with 1-sun efficiency of 5.9%. Then, we integrate a GaSb single-junction cell on a Si substrate by molecular beam epitaxy (MBE). X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) analysis show structural and morphological properties close to the best reported in the literature for similar metamorphic buffers. We further adapt the cell configuration to circumvent the high defect density at the GaSb/Si interface. The heteroepitaxial cell results in a reduced efficiency of 0.6%. Nevertheless, this performance is close the most recent advancements on GaSb heteroepitaxial cells on GaAs, despite a much larger mismatch. Last, we investigate the epitaxy of AlInAsSb. This alloy could in theory reach the widest range of bandgap energies while being lattice-matched to GaSb. However, it presents a large miscibility gap, making it vulnerable to phase segregation. AlInAsSb only counts few experimental reports in the literature, all referring to unoptimized growth conditions and abnormally low bandgap energies. We successfully grow good-quality layers with Al composition x_{Al} ranging from 0.25 to 0.75, showing no macroscopic sign of decomposition. Yet, transmission electron microscopy (TEM) observations point to nanometric fluctuations of the quaternary composition. Photoluminescence (PL) data is studied to determine the alloy's electronic properties. We eventually propose and fabricate a tandem cell structure, resulting in 5.2% efficiency. Quantum Efficiency (QE) measurements reveal that the top subcell is limiting the tandem performance. Numerical fits to both J-V and QE data indicate improvement paths for each building block.

Le développement des systèmes de conversion photovoltaïques ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances. A ce jour, les meilleurs rendements de conversion photovoltaïques sont obtenus avec des systèmes à oncentration solaire utilisant des cellules multi-jonctions (MJ) à base de matériaux semi-conducteurs III-V. Dans ce domaine, le meilleur rendement atteint à ce jour est de 46,0 % sous une concentration de 508 soleils avec une cellule à 4 jonctions issu du partenariat Soitec/Fraunhofer ISE/CEA. Cette cellule MJ est composée d’une cellule tandem accordée sur GaAs assemblée par collage moléculaire à une autre cellule tandem accordée sur InP. Bien que le rendement atteint soit élevé, les performances de la cellule sont limitées sous fortes concentrations à cause de ce collage moléculaire. Dans le domaine des fortes concentrations, le record est actuellement détenu par la société américaine Solar Junction avec un rendement de 44,0 % mesuré sur une cellule triple jonction monolithique en GaInP/GaAs/GaInNAs de 0,3 cm² pour un taux de concentration de 942 soleils (irradiance directe de 942 kW/m²). Une seconde cellule a atteint un rendement performant à une irradiance directe supérieure à 1 MW/m², il s’agit d’une cellule tandem en GaInP/GaAs de l’IES-UPM qui a atteint 32,6 % sous une concentration de 1026 soleils.Dans le contexte précédent, les travaux présentés dans ce manuscrit visent à l’évaluation d’une nouvelle filière dans le domaine du CPV à base de semi-conducteurs III-V : la filière antimoniure (III-Sb). Les cellules que nous avons étudiées dans le cadre de cette thèse sont à base de GaSb et de l’alliage AlxGa1-xAsySb1-y, fabriquées de façon monolithique par MBE (Molecular Beam Epitaxy) sur substrat GaSb. Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré.Le travail à réaliser dans le cadre de cette thèse porte sur :- La caractérisation électrique et optique des alliages quaternaires utilisés.- La conception et le design des cellules.- La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la conception des cellules (photolithographie UV, gravure, métallisation, …).- La caractérisation électrique et optique des cellules fabriquées (I(V), TLM, réponse spectrale, …).- La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré.Ce travail a été cofinancé par l’Université de Montpellier et le LabEx SOLSTICE. / The development of photovoltaic conversion systems these past thirty years led to considerable improvements in terms of cost and performances. The best conversion efficiencies are currently obtained with solar concentration systems associated with multi-junction solar cells (MJSC) made of III-V materials. In this field, the record efficiency is of 46.0% under a 508-sun solar concentration with a 4-junction cell from Soitec/Fraunhofer ISE/CEA. This MJSC is composed of a tandem cell lattice-matched to GaAs wafer bonded to another tandem cell lattice-matched to InP. Although it reached high conversion efficiency, its performances are limited under solar concentration because of the wafer bonding. In the field of high solar concentrations, the record is held by Solar Junction with a monolithic triple junction GaInP/GaAs/GaInNAs cell of 0.3 cm² that reached an efficiency of 44.0% under 942 suns (direct irradiance of 942 kW/m²). Another high solar concentration efficiency record worth mentioning is held by IES-UPM with a tandem solar cell (GaInP/GaAs) that reached an efficiency of 32.6% under a concentration of 1026 suns.In this context, the work presented in this manuscript aims to evaluate the potential of a new family of III-V materials for high solar concentration applications: antimonide-based materials (III-Sb). The studied cells in this thesis are made out of GaSb and the quaternary AlxGa1-xAsySb1-y, monolithically grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) on a GaSb substrate. These materials, thanks to the large range of available band-gaps, represent an original and well-founded alternative to existing solar cells for high solar concentration applications.The work achieved in this thesis covers:- The electrical and optical characterization of the quaternary materials used.- The conception and designing of the cells.- The production and tuning of every technological steps in order to fabricate our solar cells (UV photolithography, etching, metal deposition,…).- The electrical and optical characterization of our fabricated solar cells (I(V), TLM, spectral response,…).- The characterization under (high) solar concentration of our cells.This work was cofounded by the University of Montpellier and the LabEx SOLSTICE.

Le travail de thèse effectué a pour objectif d'amener vers une meilleure compréhension des comportements électrique et optique des modules CPV, dans des conditions environnantes variables. La première partie est consacrée à l’étude de la performance des modules en conditions réelles de fonctionnement. Quatre technologies de module, toutes équipées de cellules triple-jonctions, mais de concentrateurs optiques différents, ont été testées en extérieur sur des périodes de un mois à deux ans. Les résultats montrent que la sensibilité à la température de lentille, la température de cellule et au spectre incident varie selon le type d'architecture optique. La sensibilité la plus importante à la température de lentille a été obtenue pour un dispositif sans optique secondaire. Le coefficient en température de la tension Voc a été calculé et varie entre les technologies. Enfin, les variations importantes de facteur de forme avec le spectre incident observées pour une technologie, mettent en évidence la nécessité d'étudier les phénomènes de non-uniformités d'irradiance sur la cellule. Dans une deuxième partie, le développement d’un banc de test en intérieur permettant de mesurer les performances électriques et optiques est présenté. Ce banc a pour objectif de permettre la reproduction des conditions réelles de fonctionnement des modules de façon contrôlée en intérieur. Un système d’imagerie est utilisé pour déterminer la distribution spatiale et spectrale d’irradiance sur la cellule. Associé à un traceur de courbes IV, il vise à caractériser les effets de flux non-uniformes sur la cellule. Le banc de mesure a pour avantage de découpler les paramètres d’études, telles que la température de la lentille et la température de la cellule, et permet ainsi de décorréler leurs effets respectifs sur l'ensemble optique-cellule, ce qui n’est que difficilement possible sur des mesures en extérieur. Le procédé de calibration et la validation du dispositif sont détaillés dans le manuscrit. Enfin, dans une dernière partie, le banc développé est utilisé pour caractériser trois différents dispositifs CPV : un sans optique secondaire, et deux avec des optiques secondaires différentes. Les impacts de la distance lentille-cellule et de la température de lentille sur les performances de la cellule sont quantifiés optiquement et électriquement. Les résultats montrent comment ces paramètres modifient la distribution de densités de courant des sous-cellules, et donc le comportement électrique du dispositif. Ils soulignent plus spécifiquement comment les non-uniformités spectrales et spatiales affectent les performances de la cellule pour les différents concentrateurs. Le dispositif sans optique secondaire montre une sensibilité importante à la température de la lentille et la distance optique primaire-cellule, qui se traduit par une perte de production d'énergie dans des conditions réelles de fonctionnement. / The goal of this doctoral thesis is to bring answers to a better understanding of the electrical and optical behavior of CPV modules, under different operating conditions. In the first part, a study on module performance under real conditions is presented. Using an outdoor automated test bench, the sensitivity of four different CPV module technologies to most operating conditions relevant to CPV systems has been studied, namely DNI, spectrum, cell and lens temperature and clearness of the sky. In order to isolate the influence of a single operation parameter, the analysis of outdoor monitoring data from one month to two years is performed. The results show how the optical design influences the sensitivity of the electrical parameters to the mentionned operating conditions. The effect of lens temperature on cell current has been found to be maximum for the CPV module without Secondary Optical Element. Also the $V_{oc}$ thermal coefficient was found to vary between module technologies. Finally, the important variations of the fill factor for one technology underlines the need of studying non-uniformities effects on the cell performance. According to the results observed outdoors, an indoor tool was developed in order to uncorrelate outdoor parameters. A test bench that measures multi-spectral irradiance profiles, through CMOS imaging and bandpass filters in conjunction with electrical $IV$ curves, is used as a mean to visualize and characterize the effects of chromatic aberrations and nonuniform flux profiles under controllable testing conditions. The bench allows decoupling the temperatures of the Primary Optical Element and cell allowing the analyze of their respective effects on optical and electrical performance. In varying the temperature of the Primary Optical Element, the effects on electrical efficiency, focal distance, spectral sensitivity, acceptance angle, or multi-junction current matching profiles can be quantified. Calibration procedures and validation process are detailed. Finally, the developed testbench is used for analyzing the behvaior of three different CPV devices : one without Secondary Optical Element, and two with different Secondary Optical Elements. The impacts of cell position and lens temperature on the cell performance are quantified optically and electrically. The results show how these parameters modify the current density distribution of the subcells, and hence the electrical behavior of the device. They underline more specifically how spectral and spatial non-uniformities affect the cell performance for the different devices. The device without SOE shows a strong sensitivity to lens temperature and POE-cell distance, that will correspond to a decrease of energy production under real conditions of operation.