Thèse Epitaxie de Matériaux Iii-V Assistée Graphène pour des Cellules Solaires Haut-Rendements et Bas-Coûts H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering
Laboratoire de recherche : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Direction de la thèse : Amaury DELAMARRE ORCID 0000000314602478
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59

Les cellules solaires à base de matériaux III-V présentent les meilleurs rendements parmi les technologies existantes, mais à des coûts non-compétitifs par rapport aux modules silicium largement utilisés aujourd'hui. La majeure partie de ce coût, environ 80-90%, vient du substrat III-V nécessaire à la croissance d'un monocristal de qualité suffisante. Pour réduire ce coût de façon drastique, nous proposons de recycler le substrat III-V pour plusieurs croissances successives.
La stratégie explorée ici consistera à synthétiser le matériau III-V sur un substrat couvert de graphène. Des études ont montré qu'il était toujours possible d'obtenir un cristal en accord de maille avec le substrat sous le graphène, tout en créant un plan mécaniquement faible dépourvu de liaisons verticales permettant l'exfoliation. Ce projet constitue un défi technologique, qui demande de développer les procédés depuis la fabrication du graphène jusqu'à l'obtention d'un dispositif, et un défi scientifique, les mécanismes de croissance sur un substrat couvert de graphène faisant encore débat.
Nous proposons dans ce projet de thèse de mettre au point une méthode utilisant comme substrat du graphène synthétisé sur germanium, un matériau en accord de maille avec les III-V utilisés dans le solaire. Ce procédé n'utilisera donc pas de transfert de graphène vers un substrat III-V, comme utilisé précédemment, ce qui simplifiera la méthode en la rendant plus robuste, et compatible avec de grandes surfaces. Dans un deuxième temps, nous viserons la démonstration du recyclage du substrat, et la fabrication de dispositifs en s'appuyant sur les savoir-faire de l'équipe.
Ce projet sera réalisé au Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N) dans l'équipe SUNLIT. Les études menées utiliseront plusieurs méthodes de fabrication (graphène par CVD, III-V par MBE) et de caractérisation (luminescence, microscopie électronique). Des collaborations pour des techniques complémentaires spécialisées sont programmées (XPS, STM). Cet environnement donnera au doctorant de nombreuses opportunités pour atteindre les objectifs du projet et gagner en expérience.
Le candidat idéal dispose d'un master ou équivalent en physique, ingénierie, science des matériaux ou domaines connexes. Une expérience antérieure en salle blanche sera appréciée sans être essentielle. Le candidat doit présenter de bonnes capacités d'organisation pour la réalisation des tâches du projet, qui utilisent des procédés impliquant de nombreux paramètres, en salle blanche. Il devra faire preuve d'indépendance et être force de propositions pour le développement de nouveaux procédés. Le travail collaboratif étant au coeur du projet, de bonnes compétences en communications sont attendues, pour un fonctionnement effectif en équipe, et la présentation régulière des résultats obtenus en conférences et meetings internes.

Les cellules solaires à base de matériaux III-V présentent les meilleurs rendements parmi les technologies disponibles aujourd'hui, jusqu'à 46% sous concentration. Néanmoins, leur coût est significativement plus élevé que les modules silicium largement utilisés aujourd'hui. La majeure partie de ce coût, environ 80-90%, vient du substrat III-V nécessaire à la croissance d'un monocristal de qualité suffisante. Nous proposons une nouvelle stratégie visant la réutilisation de ce substrat pour plusieurs croissances successives, dans le but de réduire drastiquement sa contribution au coût final. La méthode consiste à insérer une couche de graphène sur le substrat avant la croissance, qui permet à la fois l'obtention d'un matériau de haute qualité, tout en permettant son exfoliation.Les objectifs du projet de thèse sont les suivants:
(i) Définir et développer les procédés technologiques de la méthode, qui incluent la fabrication du graphène, l'épitaxie du matériau III-V (par jets moléculaires), le transfert de la membrane III-V et le recyclage du substrat.
(ii) Clarifier la nature des interactions physiques entre les couches fabriquées, le graphène, et le substrat. Plusieurs mécanismes peuvent être impliqués, dont des interactions Van der Waals à travers la couche de graphène, mais également des phénomènes de nucléation localisés dans des ouvertures dans le graphène.
(iii) La fabrication de démonstrateurs sous la forme de cellules solaires simple jonction. La réalisation de cet objectif mettra à profit les savoir-faire de l'équipe dans les procédés de fabrication de dispositifs.