Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire, ISE, ont réussi à accroître encore l'efficacité des cellules solaires monolithiques à triple jonction composées de semi-conducteurs III-V et de silicium. En combinant plusieurs matériaux absorbants, ces multiples cellules solaires utilisent beaucoup mieux le spectre solaire en énergie que les cellules solaires classiques au silicium. Le record du monde pour une cellule solaire monolithique monolithique de tranche pourrait être amélioré à 34,1%. Pour une cellule solaire au silicium avec des couches semi-conductrices déposées directement, un nouveau record d'efficacité de 24,3% a été atteint.
"Les cellules solaires monolithiques multiples sont considérées comme l'espoir du développement des cellules solaires au silicium dominantes d'aujourd'hui, car elles peuvent atteindre des rendements nettement supérieurs pour la conversion de la lumière solaire en électricité. Nous considérons que l’efficacité du% 36 est possible, ce qui est nettement supérieur à la limite physique d’une cellule solaire en silicium pure correspondant au 29,4% ", explique le Dr. Andreas Bett, directeur de Fraunhofer ISE. La haute efficacité permet de générer plus de puissance par surface et donc d’économiser des matériaux pour les cellules solaires et les matériaux de modules - un aspect important pour la durabilité du photovoltaïque.
Pour la cellule solaire multi-jonction très efficace, des couches minces de quelques micromètres de semi-conducteurs III-V sont appliquées à une cellule solaire en silicium. Les différentes couches absorbent différentes gammes spectrales de la lumière du soleil afin de l'utiliser de manière optimale: phosphure d'indium de gallium entre 300 - 660 nm (lumière visible), arséniure de gallium d'aluminium entre 600 - 840 nm (lumière proche infrarouge) et silicium entre 800 - 1200 nm (lumière à ondes plus longues). De cette manière, l'efficacité des cellules solaires en silicium peut être augmentée de manière significative. Puisque, comme une cellule solaire en silicium normale d'aujourd'hui, elles ont chacune un contact à l'avant et à l'arrière, les cellules solaires peuvent être facilement intégrées dans des modules solaires.
Cellule solaire multiple liée:% d'efficacité 34,1
Pour la cellule solaire monolithique à multi-jonctions, on utilise le procédé de liaison directe de tranche connu de la microélectronique. Dans une première étape, les couches III-V sont déposées sur un substrat en arséniure de gallium. Ensuite, les surfaces sont désoxydées dans une chambre sous vide poussé à l'aide d'un faisceau d'ions et comprimées ensemble sous pression. Les atomes des couches semi-conductrices III-V forment des liaisons avec le silicium et forment une unité. Les sous-cellules empilées de GaInP, AlGaAs et silicium sont interconnectées par des diodes tunnel. Ensuite, le substrat en GaAs est éliminé chimiquement par voie humide et un contact arrière nanostructuré ainsi qu'un revêtement antireflet et une grille de contact sur la face avant sont appliqués.
"Par rapport aux résultats précédents, les conditions de dépôt ont été encore améliorées et une nouvelle structure cellulaire pour la cellule la plus haute de phosphure de gallium-indium a été introduite, qui convertit encore mieux la lumière visible. Avec 34,1%, la cellule démontre l’énorme potentiel de cette technologie ", explique le Dr Frank Dimroth, chef du département III-V en photovoltaïque et technologie de concentration chez Fraunhofer ISE. Le précédent record du monde pour cette classe de cellules était 33,3%.
Cellule solaire multiple avec couches semi-conductrices déposées directement:% d'efficacité 24,3
Une autre possibilité pour la réalisation de plusieurs cellules solaires est le dépôt direct des couches de semi-conducteur III-V (GaInP / GaAs) sur la cellule solaire en silicium. Ce processus nécessite beaucoup moins d'étapes de traitement que le collage de tranches et évite l'utilisation du substrat GaAs, plus coûteux, ce qui est avantageux pour la mise en œuvre industrielle de la technologie. Cependant, la structure de l'atome doit être très bien contrôlée pour que les atomes de gallium et de phosphore à l'interface silicium occupent les sites de réseau corrects. Des défauts dans les couches semi-conductrices peuvent également nuire au rendement des cellules solaires. "Ici, nous avons réalisé des progrès significatifs: la production d'électricité dans les trois sous-cellules souffre à peine de ces défauts, de sorte que nous avons pu atteindre un rendement 24,3% pour cette technologie pour la première fois dans le monde", Frank Dimroth. "Le potentiel est similaire à celui de la cellule liée à la tranche, et nous avons encore du travail de développement à faire dans les prochaines années pour le démontrer." dans le Décembre 2018 avait présenté au Fraunhofer ISE une telle cellule solaire avec un rendement record de 22,3%.
Sur la voie de la production industrielle en masse de cellules solaires multiples monolithiques, les chercheurs de Fraunhofer ISE voient des défis particuliers dans un processus rentable de production de couches de semi-conducteurs III-V. Ici, la croissance directe sur silicium est actuellement l’approche la plus prometteuse. Cependant, des méthodes sont également à l’étude dans lesquelles les substrats en GaAs sont recyclés plusieurs fois après le transfert des couches de semi-conducteur sur du silicium. Pour un débit rentable dans la production de cellules solaires, de nouveaux systèmes doivent également être développés pour permettre un dépôt sur des substrats plus grands et en moins de temps. Ce sont des approches que les chercheurs de l'ISE suivront dans les années à venir.
Les travaux sur la cellule solaire liée au wafer sont financés par le ministère fédéral de l'Économie et de l'Énergie (projet PoTaSi, FKz. 0324247). Les travaux sur la cellule directement développée, impliquant les partenaires Aixtron SE, TU Ilmenau et Philipps-Universität Marburg, ont été financés par le Ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (projet MehrSi, FKz. 03SF0525A).
