Epitaxie de matériaux iii-v assistée graphène pour des cellules solaires haut-rendements et bas-coûts // graphene assisted iii-v epitaxy for low-cost high-efficiency solar cells

Topic description

Les cellules solaires à base de matériaux III-V présentent les meilleurs rendements parmi les technologies existantes, mais à des coûts non-compétitifs par rapport aux modules silicium largement utilisés aujourd'hui. La majeure partie de ce coût, environ 80-90%, vient du substrat III-V nécessaire à la croissance d'un monocristal de qualité suffisante. Pour réduire ce coût de façon drastique, nous proposons de recycler le substrat III-V pour plusieurs croissances successives.
La stratégie explorée ici consistera à synthétiser le matériau III-V sur un substrat couvert de graphène. Des études ont montré qu'il était toujours possible d'obtenir un cristal en accord de maille avec le substrat sous le graphène, tout en créant un plan mécaniquement faible dépourvu de liaisons verticales permettant l'exfoliation. Ce projet constitue un défi technologique, qui demande de développer les procédés depuis la fabrication du graphène jusqu'à l'obtention d'un dispositif, et un défi scientifique, les mécanismes de croissance sur un substrat couvert de graphène faisant encore débat.
Nous proposons dans ce projet de thèse de mettre au point une méthode utilisant comme substrat du graphène synthétisé sur germanium, un matériau en accord de maille avec les III-V utilisés dans le solaire. Ce procédé n'utilisera donc pas de transfert de graphène vers un substrat III-V, comme utilisé précédemment, ce qui simplifiera la méthode en la rendant plus robuste, et compatible avec de grandes surfaces. Dans un deuxième temps, nous viserons la démonstration du recyclage du substrat, et la fabrication de dispositifs en s'appuyant sur les savoir-faire de l'équipe.
Ce projet sera réalisé au Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) dans l'équipe SUNLIT. Les études menées utiliseront plusieurs méthodes de fabrication (graphène par CVD, III-V par MBE) et de caractérisation (luminescence, microscopie électronique). Des collaborations pour des techniques complémentaires spécialisées sont programmées (XPS, STM). Cet environnement donnera au doctorant de nombreuses opportunités pour atteindre les objectifs du projet et gagner en expérience.
Le candidat idéal dispose d'un master ou équivalent en physique, ingénierie, science des matériaux ou domaines connexes. Une expérience antérieure en salle blanche sera appréciée sans être essentielle. Le candidat doit présenter de bonnes capacités d'organisation pour la réalisation des tâches du projet, qui utilisent des procédés impliquant de nombreux paramètres, en salle blanche. Il devra faire preuve d'indépendance et être force de propositions pour le développement de nouveaux procédés. Le travail collaboratif étant au cœur du projet, de bonnes compétences en communications sont attendues, pour un fonctionnement effectif en équipe, et la présentation régulière des résultats obtenus en conférences et meetings internes.
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Solar cells made of III-V materials present the best efficiencies among currently available technologies, up to 46% under concentration. Nevertheless, their cost is significantly higher than mainstream silicon modules. The major part of this cost, about 80% to 90%, lies in the III-V substrates necessary for the growth of monocrystalline materials with sufficient quality. We propose to explore a new strategy to reuse the substrate for several consecutive growths, in order to drastically reduce its cost contribution.
The method developed here consists in synthesizing the III-V material on a graphene covered substrate. Studies showed that it was compatible with the fabrication of a crystal lattice matched with the substrate below the graphene, while introducing a mechanically weak plane free of vertical bonds, allowing for the exfoliation. This project represents a technological challenge, requiring to develop fabrication processes from graphene deposition to the final device, and a scientific challenge, the mechanism in play during growth on a graphene covered substrate being still under debate.
We propose in this project thesis to use as a substrate graphene synthesized on germanium, a material lattice matched to III-V used in photovoltaics. This process will not use graphene transfer, as was used so far, greatly simplifying the method, making it more robust and compatible with large surfaces. We will then target the recycling of the substrate, and the processing of devices by leveraging the team's knowhow.
This work will take place at the Center for Nanoscience and Nanotechnologies (C2N) in the SUNLIT team. It includes several methods of fabrication (graphene by CVD, III-V by MBE) and characterization (luminescence, SEM, TEM). Collaboration with high level scientists in specialized techniques are expected (XPS, STM). This environment gives the PhD candidate many opportunities to tackle this project challenge and gain experience.
The ideal candidate will have a master degree in physics, engineering, material sciences or related. Previous experience in clean-room is desirable but not essential. The candidate must show good organization skills to fabricate the target materials, using methods implying numerous parameters, in a clean room environment. A proactive approach is expected. Collaborative work being at the core of the program, communication skills are required for team working as well as regular presentation of work progress in internal meetings and conferences.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Funding further details

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS*Programme pour normalien (hors ENS Paris-Saclay) et polytechnicien*Programme pour normalien ENS Paris-Saclay