Introduction

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

Actuellement, il existe trois grandes directions technologiques : l'arséniure de gallium (GaAs), l'hétérojonction de type p (HJT) et les cellules tandem HJT de type p/pérovskite. En regardant où la technologie se dirige et son potentiel à long terme, et en creusant les avantages et inconvénients fondamentaux 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 significative font du GaAs le meilleur choix pour les missions spatiales commerciales à haute valeur ajoutée et haute fiabilité, aujourd'hui et dans les 3 à 5 prochaines années.

Les avantages des cellules triple-jonction GaAs

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 triple-jonction GaAs 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 fondamentaux des missions de longue durée haut de gamme. L'avantage en termes de performances est suffisant pour compenser le coût plus élevé.

Technologie mature avec un long historique en orbite

En 1965, le satellite Venera 3 de l'ex-Union soviétique est devenu le premier à utiliser des cellules en GaAs. En 1995, le premier satellite de communications commercial MEASAT a utilisé du GaAs à jonction unique comme unité d'alimentation principale, et la conception du panneau solaire a constitué une base de données complète prouvant que les cellules en GaAs pouvaient répondre aux besoins énergétiques de l'ensemble du cycle de vie d'un vaisseau 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 vaisseaux spatiaux, évoluant étape par étape des conceptions à jonction unique aux conceptions multi-jonctions.

Pourquoi la concevoir comme 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 gamme 0,3-1,1 μm (300 nm-1100 nm), fonctionnant principalement dans la bande 0,38 μm-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 sur trois sous-cellules, découpant le spectre solaire en trois segments afin que chaque sous-cellule fonctionne dans sa bande la mieux adaptée. Cela réduit considérablement à la fois les pertes par thermalisation et les pertes par désadaptation spectrale. En théorie, les cellules multi-jonctions peuvent atteindre une efficacité proche de 50 %, bien supérieure à ce qu'une structure à jonction unique peut offrir.

La structure d'une cellule GaAs à triple jonction

La cellule 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 traite 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 capte la lumière infrarouge hautement pénétrante.

Voyons maintenant ce que fait chaque couche.

① Couche de contact

Située juste au-dessus de la couche Cap 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 permet de former un bon contact ohmique avec l'électrode métallique et de réduire les pertes électriques. Elle protège également la région active, isolant l'électrode métallique de la région active délicate située en dessous (couche fenêtre, émetteur, etc.) pour éviter les dommages de processus.

② Couche Cap

Située au-dessus de la couche fenêtre et en dessous du revêtement antireflet, entre le film antireflet et la couche de contact. Elle est généralement en GaAs, bien que certaines conceptions utilisent des oxydes conducteurs transparents (TCO) comme 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 collecter et extraire le courant latéralement, particulièrement utile pour les conceptions de grilles à lignes 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 Fenêtre

Située au-dessus de l'émetteur, généralement en AlInP, AlGaInP ou AlGaAs. Son rôle principal est de réduire la recombinaison de 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 d'électrodes.

④ Émetteur

Situé en dessous de la couche 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 vers le circuit externe. Il équilibre également l'absorption de la lumière et la collecte : grâce à un réglage minutieux de l'épaisseur et de la concentration de dopage, il est suffisamment épais pour absorber la lumière à courte longueur d'onde, mais pas trop épais 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 bataille » de la cellule supérieure, absorbant la majeure partie 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 de Surface)

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, AlGaAs à large bande interdite, etc. Son rôle principal est de supprimer la recombinaison inverse des porteurs : 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 global et l'efficacité.

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 chaque sous-cellule électriquement indépendante.

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

⑨ Couche Tampon

Pris en sandwich entre la cellule inférieure et la cellule intermédiaire, elle résout le problème de désaccord de réseau. Lorsque le matériau de la cellule inférieure (tel que InGaAs) ne correspond pas à la constante de réseau du matériau supérieur (tel que GaAs), la couche tampon utilise une structure « graduée » ou « à réseau 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 Ge de type p. Sa fonction principale est d'absorber la lumière infrarouge à longue longueur d'onde, servant de moteur pour la génération de porteurs photo-générés dans la cellule inférieure.

Quelques Remarques

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

Références :

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

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

• Un procédé pour une cellule solaire triple-jonction et la cellule solaire triple-jonction - 2020-11-13

Point de vue d'Ooitech

Ooitech estime que 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 ajoutée d'aujourd'hui.