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17 avril 2018
Étude du vieillissement sous irradiation protonique de cellules solaires triple jonction pour les missions spatiales dans l’espace lointain
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Au cours de la mission "Jupiter Icy Moons Explorer" (JUICE 2022-2033) de l’agence spatiale Européenne (ESA), destinée à l'exploration des lunes glacées de Jupiter, des panneaux solaires assureront 100 % des apports énergétiques de la sonde. Le faible flux solaire reçu à ces distances du soleil nécessite d'utiliser des cellules photovoltaïques performantes de type triple-jonctions, permettant de capter une plus grande partie du spectre solaire. Au cours du voyage, ces cellules seront soumises à d’importantes doses d’irradiations (quelques 1016 e-.cm-2), en particulier par les particules de hautes énergies piégées par la magnétosphère géante de Jupiter. L’autre challenge de cette mission dans l’espace lointain est la très basse température (120 K) à laquelle les cellules solaires triple jonctions (GaInP/GaAs/Ge) devront fonctionner.

Pour le succès de la mission, il est ainsi de de première importance de connaitre et comprendre en détail les mécanismes spécifiques de dégradation sous irradiation aux protons et aux électrons à basse température de ces cellules complexes, à base de jonctions n/p de semi-conducteurs III-V et de germanium. Pour ceci, tout en respectant l’architecture de la cellule triple jonction, l'évolution des propriétés électriques de chacune des couches a été étudiée de façon indépendante. Cette étude est l'objet de la thèse de Seonyong Park, dont les premiers résultats, concernant la dégradation sous irradiation protonique, ont été publiés dans la revue "Progress in Photovoltaics Research and Applications" [1,2].

 

Mission JUICE vers les lunes glacées de Jupiter

La présente étude porte sur la dégradation sous irradiation des cellules solaires triple jonctions (TJ) (GaInP/GaAs/Ge) qui seront utilisées dans le cadre de la mission JUICE de l’ESA. Pour simuler l’environnement spatial, l'effet des irradiations à température ambiante avec des électrons et des protons de 1 MeV a tout d'abord été étudié, avec un dépôt d’énergie équivalent (dose équivalente) pour les 2 particules. Les irradiations aux protons ont été conduites sur la plateforme JANNUS et les irradiations aux électrons sur l'installation SIRIUS du LSI. On observe tout d'abord que les deux types d'irradiation conduisent à des dégradations des propriétés électriques à température ambiante similaires.

Au-delà de ce résultat préliminaire, l'évolution des performances des cellules en condition d'utilisation a été étudiée par des mesures de caractéristiques I-V à basse température, après irradiation à l'ambiante.

 

Empilement des couches minces dans une cellule photovoltaïque triple jonction, et les trois jonctions individuelles étudiées.

Ce type de protocole jusqu'ici utilisé dans le spatial considère donc des processus de production de défauts identiques dans toute la gamme de température de fonctionnement des cellules solaires, ce qui est vérifié pour les cellules de type silicium. Ceci n'est cependant plus vrai pour les autres matériaux semi-conducteurs, où la température d’irradiation influe fortement sur la nature et l’efficacité de production de défauts. Les résultats obtenus selon le protocole standard (irradiation ambiante, mesure électrique à 120 K) ont alors été complétés par l’étude de l’irradiation en fonction de la température et de son effet sur la dégradation de l'effet photovoltaïque. Dans une démarche originale, afin d’analyser en détail la dégradation sous irradiation avec des protons de 1 MeV d'une cellule triple jonction (GaInP n/p : jonction supérieure, GaAs n/p : jonction intermédiaire et Ge n/p : jonction inférieure), trois cellules ont été élaborées avec chacune une seule des 3 jonctions active, les deux autres étant remplacées par des couches intermédiaires (buffer) non dopées, tout en respectant la structure globale de l'ensemble.

Les trois jonctions sont montées en série, le courant généré par une jonction devant traverser les deux autres, tant qu'il n'est pas supérieur à leur courant de court circuit  limite : ISC-lim. À température ambiante et avant irradiation, le courant traversant la triple jonction est principalement limité par la jonction GaInP (courant ISC-lim minimum pour cette jonction). Pour les doses d'irradiation supérieures à 1011 p.cm-2, c'est la jonction GaAs qui devient la jonction limitante.

Sur l'ensemble des températures, on observe que :

  • Avant irradiation la jonction Ge est la jonction qui limite le moins le courant de la cellule solaire, mais avec une incidence importante de l'irradiation, qui augmente quand la température diminue.
  • la jonction GaInP est la jonction dont le courant limite résiste le mieux à la dégradation dans la gamme des doses d'irradiation imposées.
 

Évolution individuelle, sous irradiation par des protons de 1 MeV, du courant de court-circuit limite ISC-lim des différentes jonctions de la cellule photovoltaïque triple jonctions : GaInP n/p (carré noir), GaAs n/p (cercle rouge) et Ge n/p (triangle bleu). Irradiation et mesure de courant pour 4 températures : 100, 123, 200 et 300 K (flux de 4x109 protons cm-2s-1).

A très basses température (100-123 K), dans la gamme des températures de fonctionnement dans le cadre de la mission vers les lunes de Jupiter, l’irradiation protonique conduit à une très forte diminution de ISC-lim de la jonction Ge, dès les plus faibles doses (2x1010 p.cm-2). Ce comportement particulier est partiellement lié à des processus de recyclage de photons ("photon recycling effect" - PRE) dans cette composante de la cellule : cet effet désigne la réabsorption dans les deux jonctions supérieures d'un photon secondaire émis lors de la recombinaison des porteurs de charge, créés par un photon primaire au sein de la jonction germanium. Il induit ainsi pour les fortes doses d'irradiation des variations de ISC-lim bien supérieures à celles effectivement générées au sein de la jonction Ge seule.

L'approche mise en œuvre, avec le suivi détaillé de la dégradation élémentaire de chaque jonction, apporte ainsi les données indispensables pour déterminer quelle est la jonction limitante des performances globales de la cellule solaire sous irradiation de protons, et ceci sur une large gamme de température. Ces recherches montrent que dans les conditions de fonctionnement de la mission JUICE, la jonction Ge est la jonction qui limitera le courant dans les cellules solaires triple jonction lors de son utilisation au voisinage des lunes glacées de Jupiter, du fait de l'irradiation subie lors de son long voyage de l'ordre d'une dizaine d'année à travers le système solaire. Une fois ce diagnostic établi, des orientations de recherches pourront être proposées pour palier la faiblesse de la couche germanium face à l'irradiation de protons.

Ce travail se poursuit avec l'étude de ces mêmes cellules par irradiation aux électrons auprès de l'accélérateur SIRIUS du LSI.

 

Références :

[1] “Origin of the degradation of triple junction solar cells at low temperature.”
S. Park, J.C. Bourgoin, O. Cavani, V. Khorenko, C. Baur, B. Boizot. Fernandez A, ed. E3S Web Conf. 2017;16(1):04004-04004

[2] " Space degradation of 3J solar cells: I – proton irradiation "
S. Park, J. C. Bourgoin, H. Sim, C. Baur, V. Khorenko, O. Cavani, J. Bourcois, S. Picard, B. Boizot. Prog. Photovolt. Res. Appl. 2018, 1-11.

[3] Thèse de Seonyong Park (IRAMIS/LSI) : soutenance prévue en Juillet 2018.


Contact CEA-IRAMIS : Bruno Boizot (LSI / D2SM-SIRIUS)

Financement de la thèse de Seonyong Park (2015-2018) : contrat de formation par la recherche CEA et ESA.

Collaboration et contact :

 

Maj : 18/04/2018 (2848)

 

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