New approaches to InGaN solar cells

196 Pages·2017·23.82 MB·English

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THÈSE
pour l’obtention du titre de
Docteur Université de Lorraine
de l’
présenté par :
Muhammad ARIF
préparée au sein du :
Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes EA 4423
Université de Lorraine et CentraleSupélec
et
Unité Mixte Internationale GT-CNRS 2958
Georgia Tech Lorraine et CNRS
Etude de deux nouvelle approches pour la
réalisation de cellule solaire à base d’InGaN
Thèse soutenue publiquement à Metz
devant le jury composé de :
Mme. Eva Monroy Chercheur CEA INAC/SP2M, Grenoble Rapporteur
M. Farid Medjdoub Chercheur CNRS IEMN, Lille Rapporteur
M. Abdel Hadi Kassiba Professeur Université du Maines, Le Mans Examinateur
M. Ali Ahaitouf Professeur USMBA Fès, Maroc Examinateur
M. Philippe Gros Professeur Université de Lorraine, Nancy Examinateur
M. Zakaria Djebbour Professeur Université de Paris-Saclay Examinateur
M. Abdallah Ougazzaden Professeur Georgia Institute of Technology Co-directeur
M. Jean-Paul Salvestrini Professeur Université de Lorraine, Metz Directeur

THESIS
doctor of philosophy
Université de Lorraine
Muhammad ARIF
prepared at:
Laboratoire Matériaux Optiques, Photonique et Systèmes EA 4423
Université de Lorraine and CentraleSupélec
et
Unité Mixte Internationale GT-CNRS 2958
Georgia Tech Lorraine and CNRS
Investigation of new approaches for the
realization of InGaN based solar cells
Mme. Eva Monroy Researcher CEA INAC/SP2M, Grenoble Reporter
M. Farid Medjdoub Researcher CNRS-IEMN, Lille Reporter
M. Abdel Hadi Kassiba Professor Univeristy of Maines, Mans Examiner
M. Ali Ahaitouf Professor USMBA Fès, Marocco Examiner
M. Philippe Gros Professor University of Lorraine, Nancy Examiner
M. Zakaria Djebbour Professor University of Paris-Saclay Examiner
M. Abdallah Ougazzaden Professor Georgia Institute of Technology Co-director
M. Jean-Paul Salvestrini Professor University of Lorraine, Metz Director

To my parents,
for their prayers, support an￿ sacrifices...

Contents
Acknowledgments vi
Introduction x
1 Context and Goals of the Study 1
1.1 Harnessing of Solar Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 III-Nitride Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Objective of This Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 InGaN Materials and Solar Cells 11
2.1 InGaN Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 Challenges in InGaN Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1.1 Critical Layer Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1.2 Phase Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 InGaN Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.0.3 InGaN Bulk PIN Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . 16
2.2.0.4 InGaN MQWs PIN Heterojunction Solar Cells . . . . . . . 22
2.2.0.5 InGaN Homojunctions PIN Solar Cells . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 New InGaN Solar Cell Design Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1.1 Semibulk InGaN PIN Heterojunction Solar Cells . . . . . 30
2.2.1.2 Nano-structure InGaN PIN Heterojunction Solar Cells . . 32
3 InGaN Bulk PIN Heterojunction Solar Cells 37
3.1 Design of the Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Effect of the P-GaN Growth Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Micro-structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.2 Morphological Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Device Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.1 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 Electro-Optical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.2.1 Current-Voltage and EQE Measurements . . . . . . . . . . 43
3.3.2.2 Electron Beam Induced Current Measurements . . . . . . 46
3.4 Summary and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 InGaN Semibulk PIN Heterojunction Solar Cells 53
4.1 Design of the Solar Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Device Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4 Semibulk In Ga N Solar Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
0.08 0.92
i
Chapter 0. CONTENTS
4.4.1 Structural and Morphological Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.2 Electro-Optical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.2.1 Electron Beam Induced Current Measurements . . . . . . 59
4.4.2.2 External Quantum Efficiency Measurements . . . . . . . . 60
4.4.2.3 Current-Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5 Semibulk In Ga N Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
0.12 0.88
4.5.1 Structural and Morphological Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5.2 Electro-Optical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.2.1 External Quantum Efficiency Measurements . . . . . . . . 67
4.5.2.2 Current - Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6 Comparison of Semibulk InGaN PV Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.7 Summary and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5 InGaN Nano-structure PIN Heterojunction Solar Cells 73
5.1 Design of the Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Device Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.1 Structural and Morphological Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3.2 Mirco-structural and Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.3 Electro-Optical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.3.1 Current - Voltage Measurements . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 Comparison of InGaN Nano-Structure PV Devices . . . . . . . . . . . . . . 85
5.5 Summary and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Conclusion and Perspectives 89
6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.1 Growth of P-GaN via MBE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.2 InGaN Schottky Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.3 InGaN Nano-structure with >35% of Indium Composition . . . . . 95
Appendices 97
A Introduction to III-Nitride Materials 99
A.1 Spontaneous and Piezoelectric Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
A.2 Electron Band-Structure Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.3 Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.4 Typical Defects - Threading Dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.5 Major Breakthroughs in III-Nitride Opto - electronic Devices . . . . . . . . 110
B Physics of solar cells 113
B.1 Solar Cells Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
B.2 Ideal Diode Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B.3 Non Ideal Behavior of Solar Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
C Growth of III-Nitride Materials 123
C.1 Growth by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy . . . . . . . . . . . . . . . 123
C.2 Nano Selective Area Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
ii
0.0 CONTENTS
D P-GaN Metal Contacting 127
D.1 Progress of Metallization Schemes to P-GaN . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
D.2 P-GaN Surface Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
D.3 Work Plan for the P-GaN Metal Contacting . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.4 Photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.5 Surface Treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
D.6 Photoresist Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
D.7 Metal Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
D.8 Rapid Thermal Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
D.9 Ohmic Contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
D.9.1 Basic Principle of Ohmic Contact Formation . . . . . . . . . . . . . 139
D.9.2 Specific Contact Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
D.10 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
E Characterization Techniques 151
E.1 Electron Beam Induced Current (EBIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
E.1.1 Physics of the EBIC technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
E.1.2 Different Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
E.1.3 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
E.1.3.1 Qualitative EBIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
E.1.3.2 Quantitative EBIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
E.1.4 Smart EBIC System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
E.2 Estimating the Number of Suns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Bibliography 156
Communications 179
iii