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Influence de l'irradiation dans les cellules solaires triple jonctions pour des applications spatiales
Seonyong Park
Tue, Jul. 10th 2018, 14:00
Amphi. Becquerel, École Polytechnique, Palaiseau,

Manuscrit de la thèse


Résumé :

Cette thèse est le résultat d'un travail sur l'effet d'irradiation de cellules solaires à triple jonction (TJ) GaInP/GaAs /Ge en forme de réseau dans des conditions LILT. Initié par les besoins de la compréhension des performances EOL des cellules solaires dans la mission JUICE, nous avons trouvé des phénomènes très particuliers qui ne sont pas supposés se produire si celle-ci a été irradiée à température ambiante.

Tout d'abord, une cellule de composante inférieure montrait une plus grande chute d'Isc à une température plus basse, ce qui suggère potentiellement une limitation de courant par la sous-cellule inférieure dans la structure TJ. Une dépendance en température de la récupération RF(Isc) par un recuit isochrone et, la dépendance d'orientation de la dégradation Isc de la cellule composante inférieure impliquaient que son mécanisme de dégradation pourrait être lié à des grappes de défauts formées comme des zones isolantes (non actives) pour les transporteurs minoritaires. Par ailleurs, nous avons observé en général une plus grande dégradation de FF et Pmax des cellules TJ irradiées par les électrons, par rapport aux cellules irradiées aux protons. Cette nette différence provient surtout des sous-cellules supérieure et inférieure en raison de l'apparition d'un courant d'obscurité excessif. Ce courant supplémentaire dans l'obscurité semble être lié à l'effet tunnel indirect par des défauts induits par l'irradiation électronique. En outre, EOL FF et Pmax semblaient se propager de plus en plus d'une cellule à l'autre à mesure que la fluence des électrons augmentait.

Une approche de dose d'endommagement par déplacement (DDD) a été appliquée à des cellules TJ irradiées par des électrons et des protons de 1 et 2 MeV et à ses cellules composantes. Il s'est avéré que les électrons de 2 MeV induisaient une plus grande dégradation que les autres pour tous les paramètres (Isc, Voc, FF, Pmax). La cellule du milieu a montré une correspondance parfaite de DDD entre les cellules irradiées par électrons et protons en condition LILT, indiquant que les défauts finaux produits par les irradiations par électrons et protons sont peut-être les mêmes. La TJ et sa cellule de composant supérieur présentaient moins de dégradation sur les Voc sous irradiation électronique que l'irradiation protonique. Pour la cellule du composant de Ge, l'irradiation électronique a induit une dégradation beaucoup plus importante des Voc, FF et Pmax par rapport à l'irradiation protonique. Pour améliorer la dureté de rayonnement des cellules en réduisant le courant d'obscurité en excès, il serait intéressant de diminuer la concentration en dopage des jonctions pour réduire la création de défauts secondaires liés aux impuretés.

Mots-clés : Cellules solaires, Defauts induits par l'irradiation, Recuit, Tunnel.


Irradiation effects in GaInP/GaAs/Ge triple junction solar cells for deep space applications

Abstract:

This thesis is the result of work on the irradiation effect of lattice matched GaInP/GaAs/Ge triple junction (TJ) solar cells in LILT conditions. Initiated by needs of the understanding of EOL performances of the solar cells during the JUICE mission, we have found very peculiar phenomena which are not supposed to occur if it was irradiated at room temperature.

1) he electron and the proton seem to induce degradations in TJ cells in different ways in LILT condition. We have observed in general a larger degradation of FF and PMAX from electron irradiated TJ cells compared to proton irradiated ones. This distinct difference has originated especially from the top and bottom sub-cells due to the occurrence of excess dark current. This additional current in dark seems to be related to the indirect tunneling effect by defects induced by electron irradiation. Furthermore, EOL FF and PMAX appeared to be more and more spread from cell to cell as the electron fluence increased. The large distribution of EOL PMAX of TJ cells implies that the worst performance must be considered as a value for the mission.

2) Individual analysis of proton irradiated component cells revealed that the electric field dependence of the recombination current of EOL TJ cells in LILT condition mostly originated from the top and the middle sub-cells. The contribution of this recombination current on the total degradation of PMAX in LILT condition is much larger than the case of room temperature.

3) Proton irradiated bottom component cells exhibited a larger drop of ISC at a lower temperature, which potentially proposes a current limiting by the bottom sub-cell in the TJ structure. A temperature dependence of RF(ISC) recovery by an isochronal annealing and the orientation dependence of ISC degradation of the bottom component cell support that its degradation mechanism could be related to defect clusters formed along proton tracks, acting like insulating (non-active) area for minority carriers.

Overall, exposed in 1 MeV proton environment in LILT condition, the degradation of TJ cells is more or less equally contributed by all sub-cells. However, it should be noted that the damage induced by proton in a TJ structure is rather complex. The higher the proton energy is applied, the deeper the penetration depth is. Furthermore, the energy loss per unit length of proton will be smaller at higher energy ranges, resulting in a less degradation of the upper cells. On the other hand, the electron with the higher energy can simply produce more defects through its trajectory. This difference in the TJ structure complicates the qualitative analysis of electron and proton irradiation of the TJ cell in LILT condition. Therefore, to complete a modeling of the GaInP/GaAs/Ge TJ solar cell degradation in LILT condition, additional irradiation tests with different energies must be conducted.

Key words: solar cells, irradiation, radiation induced defects, annealing, tunneling, LIL.

Contact : Bruno BOIZOT

 

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