Procédé pour réduire le recours au Germanium dans les cellules GaAs

Une équipe de chercheurs de l’Université de Sheerbroke, au Québec, a annoncé la création d’un matériau nanoporeux à base de germanium (np-Ge) qui pourrait améliorer l’efficacité des cellules solaires à jonctions multiples basées sur des éléments III-V tels que l’arséniure de gallium.

Dans l’article intitulé Uprooting defects to enable high-performance III–V optoelectronic devices on silicon, publiés dans la revue scientifique Nature, les scientifiques ont expliqué que leur approche repose sur une réduction maximale de l’utilisation de germanium – dont la disponibilité est très limitée comparée au silicium – sur un dispositif épitaxial à haute performance qui ils ont développé pour être intégrés dans des cellules solaires et autres dispositifs à semi-conducteurs.

Les chercheurs ont déposé une couche de germanium de 2 µm – 100 fois moins que l’épaisseur d’une feuille de papier – sur un support mécanique pour absorber la lumière. Ils ont décrit le processus comme un défi scientifique et technologique important en raison de la petite taille de l’appareil et, plus particulièrement, à cause des défauts entraînés par le processus de dépôt qui peuvent réduire les performances des cellules solaires.

Processus en deux étapes

Les scientifiques auraient trouvé un moyen de supprimer les dislocations de filetage à la surface du matériau np-Ge en utilisant une gravure électrochimique profonde et sélective suivie d’un processus de recuit thermique.

Les chercheurs ont expliqué que le processus en deux étapes crée des nanovoïdes qui attirent les dislocations indésirables, facilitant leur annihilation. «Les dispositifs tels que les photodétecteurs, les cellules solaires à jonctions multiples, les microprocesseurs [et] les modulateurs, fondés sur la technologie Ge-sur-Si [germanium sur silicium] doivent résoudre ces problèmes afin de respecter les normes de l’industrie», indique l’étude.

Les mesures de cathodoluminescence ont montré que le processus crée des nanovoïdes augmentant les probabilités de recombinaison des dislocations de filetage, réduisant considérablement leur présence dans la couche de germanium modifié. “Des nanovoïdes sont formés dans la couche de Ge ainsi que dans le substrat de Si par porosification électrochimique, suivis d’un recuit thermique, créant une nouvelle configuration dénommée substrat virtuel Ge / Si à base de nanovoïde”, précise le document.

Réduction des coûts

Les scientifiques signalent que les procédés utilisées jusqu’alors pour éliminer la densité de dislocations par filetage se limitaient à de petites échelles et nécessitaient l’utilisation de technologies coûteuses et complexes. «La réduction des coûts par cellule solaire peut atteindre 75% lorsque l’on considère les prix beaucoup plus bas et les plus grandes surfaces de plaquettes de silicium», indiquent-ils.

La recherche sur le germanium pour le solaire a repris avec plusieurs projets annoncés au cours des deux dernières années.

Au titre des innovations à noter, une méthode de production de cellules solaires à l’arséniure de gallium avec un substrat en germanium réutilisable, mise au point par des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables des États-Unis (NREL) et de l’Institut coréen de la science et de la technologie; et une cellule solaire ultra-mince à base d’arséniure de gallium réalisée par une équipe de chercheurs de l’institut allemand Fraunhofer ISE et du Centre français de nanosciences et nanotechnologies (C2N de l’Université Paris Sud).

Le coût de production de cellules solaires à base de composés de matériaux III-V – nommés d’après les groupes du tableau périodique des éléments auquel ils appartiennent – a limité ces dispositifs à des applications de niche, notamment les drones et les satellites, pour lesquels un faible poids et un rendement élevé sont plus importants que les coûts, en relation avec l’énergie produite.