Cellules solaires GaAs à triple jonction : un aperçu détaillé de la structure photovoltaïque spatiale dominante

Introduction

Alors que le vol spatial commercial ne cesse de croître, les engins spatiaux ont besoin de plus en plus d'énergie électrique. Le photovoltaïque spatial constitue la principale source d'énergie pour la plupart des engins spatiaux, donc le choix de la technologie de cellules solaires influence directement le succès de la mission, son rapport coût-efficacité et sa compétitivité sur le marché.

Actuellement, il existe trois principales directions technologiques : l'arséniure de gallium (GaAs), l'hétérojonction de type p (HJT) et les cellules tandem HJT/pérovskite de type p. En examinant où la technologie se dirige et son potentiel à long terme, et en analysant les principaux avantages et inconvénients de chaque voie, le GaAs reste en tête. Malgré les défis de coût, ses performances globales inégalées, sa fiabilité éprouvée dans des environnements extrêmes et sa marge de réduction des coûts claire et considérable font du GaAs le meilleur choix pour les missions spatiales commerciales à haute valeur ajoutée et haute fiabilité, aujourd'hui et au cours des 3 à 5 prochaines années.

Les avantages des cellules GaAs à triple jonction

Haute efficacité

La bande interdite du GaAs (1,42 eV) se situe dans la plage théoriquement optimale. De plus, les cellules multi-jonctions empilent des couches de GaInP, GaAs et Ge qui absorbent respectivement les photons de haute, moyenne et basse énergie, ce qui élargit considérablement le spectre qu'elles peuvent utiliser. Les dernières cellules GaAs à triple jonction pour le photovoltaïque spatial atteignent désormais des rendements de conversion de puissance supérieurs à 30 %.

Haute fiabilité

Une forte résistance aux radiations et une excellente stabilité à haute température rendent ces cellules parfaitement adaptées aux besoins essentiels des missions haut de gamme et de longue durée. L'avantage en termes de performances suffit à compenser le coût plus élevé.

Technologie mature avec un long historique en orbite

En 1965, le satellite Venera 3 de l'ancienne Union soviétique est devenu le premier à utiliser des cellules en GaAs. En 1995, le premier satellite de communications commerciales MEASAT a utilisé du GaAs à jonction unique comme unité de puissance principale, et la conception du panneau solaire a constitué une base de données complète prouvant que les cellules en GaAs pouvaient répondre aux besoins en énergie sur tout le cycle de vie d'un engin spatial. À partir de là, les cellules en GaAs ont progressivement remplacé les cellules plus anciennes comme unité de base de production d'énergie sur les engins spatiaux, évoluant pas à pas de conceptions à jonction unique à des conceptions à jonctions multiples.

Pourquoi concevoir une structure à trois jonctions ?

Tout matériau semi-conducteur ne peut absorber efficacement que les photons dont l'énergie est supérieure à sa bande interdite. Les photons avec trop peu d'énergie ne peuvent pas être utilisés, tandis que les photons avec trop d'énergie perdent l'excédent sous forme de chaleur (perte par thermalisation). La bande interdite d'une cellule à jonction unique ne peut pas correspondre parfaitement au spectre solaire. Prenons l'exemple d'une cellule en silicium à jonction unique : elle peut absorber les photons dans la plage de 0,3 à 1,1 μm (300 nm à 1100 nm), travaillant principalement dans la bande de 0,38 μm à 0,7 μm. C'est pourquoi les cellules en silicium à jonction unique ont un plafond d'efficacité limité, avec une limite théorique d'environ 29,7 %.

Une cellule à trois jonctions répartit le travail entre trois sous-cellules, découpant le spectre solaire en trois segments afin que chaque sous-cellule fonctionne dans sa bande la mieux adaptée. Cela réduit nettement à la fois les pertes par thermalisation et les pertes par désadaptation spectrale. En théorie, les cellules à jonctions multiples peuvent approcher une efficacité de 50 %, bien supérieure à ce qu'une structure à jonction unique peut offrir.

La structure d'une cellule en GaAs à triple jonction

La cellule en GaAs à triple jonction est divisée en trois parties : la cellule supérieure, la cellule intermédiaire et la cellule inférieure. Chaque partie utilise des matériaux principaux (région de base) différents et joue un rôle différent.

Cellule supérieure

Généralement AlGaInP / GaInP, avec une bande interdite autour de 1,8-1,9 eV. Elle absorbe principalement les photons à courte longueur d'onde (ultraviolet, lumière bleue). La cellule supérieure absorbe les photons à haute énergie et réduit les pertes par thermalisation.

Cellule intermédiaire

Généralement InGaAs ou GaAs, avec une bande interdite autour de 1,42 eV. Elle absorbe principalement les photons à longueur d'onde moyenne et longue (lumière verte, jaune, rouge). La cellule intermédiaire gère les longueurs d'onde moyennes à longues et contribue à la majeure partie du photocourant.

Cellule inférieure

Généralement Ge, avec une bande interdite autour de 0,67 eV. Elle absorbe principalement les photons à longue longueur d'onde (proche infrarouge). La cellule inférieure capture la lumière infrarouge hautement pénétrante.

Maintenant, passons en revue ce que fait chaque couche.

① Couche de contact

Située juste au-dessus de la couche de capuchon la plus externe, c'est la couche semi-conductrice que l'électrode métallique touche directement. Elle est généralement fortement dopée n⁺⁺-GaAs ou n⁺⁺-GaInP. Son rôle principal est de réduire la résistance de contact — le dopage élevé aide à former un bon contact ohmique avec l'électrode métallique et réduit les pertes électriques. Elle protège également la région active, isolant l'électrode métallique de la région active délicate en dessous (couche de fenêtre, émetteur, etc.) pour éviter les dommages de processus.

② Couche de capuchon

Située au-dessus de la couche de fenêtre et en dessous du revêtement antireflet, entre le film antireflet et la couche de contact. Elle est généralement en GaAs, bien que certains designs utilisent des oxydes conducteurs transparents (TCO) tels que l'ITO. Son rôle principal est d'aider à la collecte du courant en tant qu'« électrode auxiliaire », travaillant avec la couche de contact pour rassembler et conduire le courant latéralement — particulièrement utile pour les designs de grilles fines. Son épaisseur et son indice de réfraction peuvent également être ajustés pour participer à la conception optique et fournir un effet antireflet auxiliaire.

③ Couche de fenêtre

Située au-dessus de l'émetteur, généralement en AlInP, AlGaInP ou AlGaAs. Son rôle principal est de réduire la recombinaison en surface : la nature à large bande interdite du matériau signifie qu'il absorbe peu de lumière, et il forme une jonction haute-basse qui pousse les porteurs photo-générés (électrons) vers l'intérieur de l'émetteur, réduisant les pertes par recombinaison aux défauts de surface. Elle agit également comme un « parapluie », protégeant la région de jonction des dommages lors des processus ultérieurs tels que l'évaporation des électrodes.

④ Émetteur

Situé en dessous de la couche de fenêtre et au-dessus de la base, formant une jonction PN avec la base. Il est généralement de type N GaInP ou GaAs. Son rôle principal est d'agir comme « électrode positive », collectant les électrons photo-générés et les conduisant au circuit externe. Il équilibre également l'absorption de la lumière et la collecte — grâce à un ajustement minutieux de l'épaisseur et de la concentration de dopage, il est assez épais pour absorber la lumière à courte longueur d'onde mais pas trop pour que les porteurs se recombinent pendant la diffusion.

⑤ Base

Située en dessous de l'émetteur et au-dessus de la couche BSF, c'est le corps principal de la jonction PN. Elle est généralement de type p GaInP ou AlGaInP. En tant que principale région d'absorption de la lumière, elle est le « cheval de trait » de la cellule supérieure, absorbant la plupart de la lumière à courte longueur d'onde (bleue et ultraviolette), générant des paires électron-trou photo-générées et transportant efficacement les trous photo-générés vers la couche BSF arrière ou l'électrode.

⑥ Couche BSF (champ arrière)

Située sous la base et au-dessus de la jonction tunnel, formant une jonction haute-basse avec la base sur la face arrière. Le matériau est généralement un p-AlGaInP à large bande interdite, AlGaAs, etc. Son rôle principal est de supprimer la recombinaison des porteurs inverses : la couche BSF crée une « barrière » à l'arrière de la base qui empêche les trous photo-générés de se recombiner lorsqu'ils diffusent vers l'électrode arrière, augmentant ainsi la tension et l'efficacité.

⑦ Réflecteur

Situé entre la cellule supérieure et la cellule intermédiaire, ou entre la cellule intermédiaire et la cellule inférieure. Il s'agit d'un réflecteur de Bragg distribué (DBR) constitué de matériaux alternés à indice de réfraction élevé et faible, tels que AlAs/AlGaAs ou AlInP/AlGaInP. Son rôle principal est de réfléchir la lumière de longueur d'onde moyenne à longue que les cellules supérieure et intermédiaire n'ont pas absorbée et qui est sur le point de s'échapper, permettant ainsi une seconde absorption qui augmente le courant et l'efficacité globaux.

⑧ Jonction Tunnel

Située entre les sous-cellules, constituée de couches minces fortement dopées (telles que n++GaAs / p++GaAs). Comme un « tunnel quantique », elle permet aux porteurs photo-générés de passer efficacement tout en maintenant l'indépendance électrique de chaque sous-cellule.

La structure de la cellule intermédiaire est similaire à celle de la cellule supérieure, mais avec des matériaux différents, nous ne la répéterons donc pas ici. Ci-dessous, nous décrivons brièvement ce qui diffère pour la cellule inférieure.

⑨ Couche Tampon

Pris en sandwich entre la cellule inférieure et la cellule intermédiaire, elle résout le problème de désaccord de maille. Lorsque le matériau de la cellule inférieure (tel que InGaAs) ne correspond pas à la constante de maille du matériau supérieur (tel que GaAs), la couche tampon utilise une structure « graduée » ou « à maille métamorphique » pour libérer progressivement les contraintes et « intercepter » les dislocations traversantes, les empêchant d'atteindre la région active de la cellule inférieure, améliorant ainsi les performances de la cellule.

⑩ Base de la Cellule Inférieure

Située du côté « épais » de la jonction PN de la cellule inférieure. Il s'agit généralement d'un substrat de Ge de type p. Sa fonction principale est d'absorber la lumière infrarouge à longue longueur d'onde, servant de cheval de trait pour générer des porteurs photo-générés dans la cellule inférieure.

Quelques Remarques

Dans les étiquettes de type P/N, les marquages N++/P++ et similaires indiquent un dopage léger ou lourd. La structure de cellule solaire à triple jonction en GaAs illustrée dans cet article omet la structure des électrodes, la structure de la couche anti-réfléchissante et d'autres détails pour simplifier.

Références :

• Cellule solaire à triple jonction avec réflecteur et son procédé de fabrication - 2022-0804

• Cellule solaire triple-jonction InGaP/InGaAs/Ge avec structure antireflet micro-nano et son procédé de fabrication - 2018-0425

• Procédé pour une cellule solaire triple-jonction et cellule solaire triple-jonction - 2020-11-13

Point de vue d'Ooitech

Ooitech est convaincu : les cellules GaAs triple-jonction, en découpant le spectre solaire en trois sous-cellules, offrent le rendement élevé et la fiabilité éprouvée qui en font le choix de premier plan pour les missions spatiales à haute valeur d'aujourd'hui.