Cette thèse évalue le potentiel des alliages AlGaNAs en tant que couche active pour la quatrième jonction à ~1 eV de cellules photovoltaïques multi-jonctions III-V. L’introduction d’une faible quantité d’aluminium (Al, <15%) augmente de façon significative l’efficacité d’incorporation de l’azote (N), tout en distribuant de façon plus homogène les atomes de N dans la couche, réduisant aussi la densité d’agrégats. Une optimisation de la température de croissance démontre que la région optimale se situe entre 400°C et 440°C. Dans cette gamme, la concentration de N est maximisée tandis que la qualité cristalline de la couche épitaxiée est optimisée tout en préservant un mode de croissance 2D et une faible rugosité de ~1 nm. La bande interdite des alliages d’AlGaNAs est mesurée par transmission optique. Ces mesures révèlent que l’AlGaNAs suit le modèle théorique du modèle de croisement de bandes, ou band anticrossing et que son bandgap diminue quand la concentration de N augmente. La bande interdite est réduite jusqu’à ~1.22 eV pour des concentrations respectives d’Al et de N de ~15% et ~3.4%. Les défauts présents dans le GaNAs avec ~0.4% de N sont étudiés, révélant trois défauts peu profonds à 116, 18 et 16 meV, attribués à des contaminations en H et en C, et deux pièges profonds à 0.21 eV et 0.35 eV, attribués à des complexes N-H et à des antisites AsGa respectivement. Les mesures électriques de l’AlGaNAs démontrent que le recuit améliore la mobilité des trous et des valeurs de ~60 cm2/Vs avec ~5% d’Al et ~0.5% de N et ~6 cm2/Vs avec ~10% d’Al et ~2% de N sont obtenues. Les mesures optiques de photoluminescence obtenues sur des couches d’AlGaNAs crues sur un substrat de GaAs semi-isolent de 65 µm d’épaisseur révèlent un pic à ~920 nm attribué a un défaut radiatif qui ne semble pas être affecté par un changement dans la concentration d’Al ou de N, ni même par un recuit. Des mesures SIMS révèlent la présence de contaminants C, H et O dans les couches, qui dégradent les performances optoélectroniques des alliages AlGaNAs. Cette thèse démontre le bon potentiel de l’AlGaNAs pour les cellules photovoltaïques. Il est toutefois important de réduire la concentration de contaminants dans la couche pour obtenir un matériau adéquat.

Ce travail de thèse porte sur l’étude de nanostructures semi- conductrices III-V pour le développement d’émetteurs laser sur silicium dans une approche pseudomorphique. Une croissance en accord de maille d’alliages à base de GaP ou plus précisément de nitrures dilués GaPN doit garantir une faible densité de défauts cristallins. Le modèle des liaisons fortes à base étendue est tout d’abord présenté afin de simuler les propriétés électroniques et optiques de structures semi-conductrices sur substrats de GaP ou Si. Les propriétés des alliages massifs GaPN et GaAsPN sont étudiées par des expériences de photoluminescence continue en fonction de la température et de photoluminescence résolue en temps. Les potentialités des puits quantiques GaAsPN/GaP en tant que zone active sont étudiées théoriquement par le modèle des liaisons fortes et expérimentalement en spectroscopie de photoluminescence en température et résolue en temps. Les effets de désordre engendrés par l’incorporation d’azote sont notamment mis en évidence. L’alliage AlGaP est ensuite proposé pour les couches de confinement optique des structures laser. Un contraste d’indice optique entre AlGaP et GaP est mesuré par ellipsométrie spectroscopique. Ce contraste doit permettre un confinement efficace du mode optique. Le problème de l’alignement des bandes en présence d’aluminium est ensuite évoqué. L’utilisation de l’alliage quaternaire GaAsPN est proposée pour résoudre ce problème. Enfin, les boites quantiques InGaAs/GaP sont étudiées en tant qu’alternative aux puits quantiques GaAsPN/GaP dans la zone active. Une forte densité de boites quantiques et une émission de photoluminescence à température ambiante sont ainsi obtenues pour ce système. Les états électroniques des boîtes quantiques sont simulés par la technique des liaisons fortes et la méthode k.p. La photoluminescence résolue en temps couplée à des expériences de photoluminescence continue sous pression hydrostatique, permet de montrer que la transition fondamentale de ces boîtes implique majoritairement des états de conduction de type X. / This PhD work focuses on the study of III-V semiconductor nanostructures for the development of laser on Si substrate in a pseudomorphic approach. GaP-based alloys and more specifically dilute nitride GaPN-based alloys are expected to guarantee a low density of crystalline defects through a perfect lattice-matched growth. An extended tight-binding model is first presented to deal with the theoretical challenges for the simulation of electronic and optical properties of semiconductor structures grown on GaP or Si substrate. The optical properties of bulk GaPN and GaAsPN alloys are then studied through temperature dependent continuous wave photoluminescence and time-resolved photoluminescence experiments. The potential of GaAsPN/GaP quantum wells as a laser active zone is discussed in the framework of both theoretical simulations (with the tight-binding model) and experimental studies (with temperature dependent and time-resolved photoluminescence). In particular, the N-induced disorder effects are highlighted. The AlGaP alloy is then proposed as a candidate for the cladding layers. A significant refractive index contrast between AlGaP and GaP is measured by spectroscopic ellipsometry which may lead to a good confinement of the optical mode in a laser structure. The issue of band alignment is highlighted. Solutions based on the quaternary GaAsPN alloy are proposed. Finally, the InGaAs/GaP quantum dots are studied as an alternative to GaAsPN/GaP quantum wells for the active zone. The growth of a high quantum dot density and room temperature photoluminescence are achieved. The electronic band structure is studied by time-resolved photoluminescence and pressure dependent photoluminescence as well as tight-binding and k.p simulations. It demonstrates that the ground optical transition involves mainly X-conduction states.

Ce travail s’intéresse aux cellules solaires multi-transitions. Deux semiconducteurs à niveaux subbandgap : un highly mismatched alloy, le GaAsPN, et un absorbeur à boites quantiques. Les états subbandgap permettent de modifier l’énergie de gap ou de créer une bande intermédiaire au milieu du gap. En premier lieu, une introduction de la cellule solaire par l’étude de luminescence est présentée. Des liens entre luminescence et propriétés électriques sont établis, et les limites thermodynamiques de l’efficacité des dispositifs multi-transitions sont explicitées. Enfin, une méthode optique de caractérisation des cellules solaires est démontrée. La première partie expérimentale de la thèse est dédiée au développement d’une top cell en GaAsPN en accord de maille avec une bottom cell en Silicium. Des simulations numériques ont mis en évidence les difficultés à surmonter pour ce type de matériau. La dynamique des porteurs a été étudiée par photoluminescence en régime permanent et résolue en temps. Ces mesures ont mis en évidence que les absorbeurs crûs souffraient d’états fortement localisés, majoritairement dus à des clusters d’azote. Ces états nous ont permis en revanche d’étudier les propriétés de bande intermédiaire de cet alliage. Enfin, une méthode optique de caractérisation, adaptée aux IBSCs et à la mise en évidence des deux mécanismes clés de ce concept (two-step two-photon absorption et la préservation de la tension). Cette méthode a été appliquée à deux candidats pour les IBSCs, un absorbeur à multi-puits quantiques et un à boîtes quantiques. Les résultats montrent que l’absorbeur à boîtes quantiques présente un comportement compatible avec les IBSCs. / This thesis deals with the multi-transition solar cells by studying two subband gap localised states materials: one highly mismatched alloy, GaAsPN, and one multi-stacked quantum dots heterostructure. These subband gap states give the possibility to tune the band gap energy or create two photon transitions inside a single the absorber. In a first part, a radiance based introduction of the solar cell is presented. Links between radiances and electrical properties are pointed out. From this analysis, the thermodynamic limits of the single and multiple transition solar cells are derived and key mechanisms for multi-transition solar cells are identified. A universal optical characterisation method for probing electrical properties of solar cells is displayed. The first experimental part of this thesis was dedicated to the development of a GaAsPN based pin top cell lattice matched with a Silicon bottom cell. Numerical simulations have been carried out. Carrier dynamics has been studied by steady-state and time-resolved photoluminescence, with the conclusion that the GaAsPN we grew still suffer from multiple strongly localised states below the band gap, mainly due to N-clusters. Finally, we have taken advantages of the strong carrier localisation for a use as an intermediate band solar cell. Eventually, a quantitative optical characterisation method was developed in order to evaluate the potential of an absorber as an IBSC. The two key processes, the two-step two-photon absorption and the voltage preservation, can be widely investigate through it. This method has been applied to two IBSC candidates, a MQW and a MSQD absorbers. The MSQD cell have shown IB compatibility.