Thèse Épitaxie Plasma de Matériaux Iii-V pour la Production de Cellules Solaires Tandem Gaas - Si Flexibles et à Faible Coût H/F

École polytechnique

Établissement : École polytechnique
École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris
Laboratoire de recherche : LPICM - Laboratoire des Interfaces et des Couches Minces
Direction de la thèse : Karim OUARAS ORCID 0000000187852043
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59

Le coeur du projet de thèse consiste à poursuivre le développement et l'optimisation de la croissance de couches épitaxiales III-V de GaAs par RPVPE et de substrats virtuels Si-Ge via épitaxie PECVD. Le projet s'appuiera sur une caractérisation structurale et optoélectronique détaillée des matériaux et hétérojonctions réalisés à basse température afin d'identifier les paramètres critiques permettant d'améliorer les performances photovoltaïques.

En s'appuyant sur les avancées réalisées ces quatres dernières années sur les dispositifs monocouches, le/la candidat·e fabriquera des cellules tandem GaAs/Si utilisant des substrats virtuels Ge/Si. Les défis liés à l'intégration, le dopage, la compatibilité de croissance, la qualité d'interface, la gestion des contraintes, seront étudiés.

De manière globale, le/la candidat·e devra :

- Déposer et optimiser l'architecture de cellules solaires GaAs à basse température, compatible avec des substrats Si flexibles, ouvrant la voie à de nouvelles architectures de dispositifs.

- Combiner diagnostics plasma et caractérisations de couches minces pour comprendre les mécanismes de croissance à basse température :

- Analyse en phase plasma et vapeur : spectroscopie in situ, analyse des gaz résiduels.

- Caractérisations optiques/structurales : ellipsométrie spectroscopique, absorption FTIR, spectroscopie Raman, TEM, XRD.

- Caractérisations électroniques : IV, photoluminescence, effet Hall.

- Comparer les couches GaAs obtenues par RPVPE/PECVD avec les références issues des procédés MBE/MOCVD.

À l'issue de la thèse, l'objectif est de démontrer un premier prototype de cellule tandem GaAs/Si flexible avec un rendement comparable à l'état de l'art du silicium (> 25 %).

Les semi-conducteurs III-V, et le GaAs en particulier, détiennent des records mondiaux de rendement de conversion photovoltaïque et constituent la base des technologies solaires hautes performances. Cependant, leur déploiement dans les marchés photovoltaïques terrestres et spatiaux reste limité en raison des coûts de production élevés et des contraintes liées à l'épitaxie conventionnelle à haute température (typiquement au-dessus de 600-650 °C). Ces températures élevées empêchent l'utilisation de substrats flexibles ou à faible coût et conduisent à une faible efficacité d'utilisation des précurseurs.

Au LPICM, nous visons à bouleverser ce paradigme en développant de nouvelles voies de fabrication pour les couches minces III-V grâce à des techniques d'épitaxie plasmas basse température et basse pression. La Remote Plasma Vapor Phase Epitaxy (RPVPE) permet la croissance épitaxiale de GaAs à des températures bien inférieures à celles des procédés conventionnels tels que MBE ou MOCVD. Ce traitement à basse température ouvre deux voies technologiques majeures :

1. Cellules solaires III-V flexibles : le budget thermique réduit autorise le dépôt sur des substrats flexibles et légers - un atout majeur pour les futures plateformes aérospatiales et les systèmes déployables.

2. Réduction significative des coûts : une meilleure utilisation des précurseurs et une gestion thermique simplifiée réduisent drastiquement les coûts matériaux et procédés, facilitant l'accès aux marchés photovoltaïques en pleine expansion (applications spatiales, méga-constellations, véhicule-PV intégrés, etc.).

Ce projet de thèse s'inscrit dans ce contexte ; il vise à développer des procédés plasmas basse température pour la fabrication, l'optimisation et l'intégration de GaAs sur silicium à faible coût pour des cellules solaires tandem GaAs/Si à haut rendement.

At the end of the thesis, we expect to produce a first proof-of-concept flexible GaAs/Si tandem cells with efficiency as high as the state of the art performances of Silicon (i.e. > 25%).