Fraunhofer ISE établit deux records pour l’efficacité des cellules solaires monolithiques à triple jonction à base de silicium

Les chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour les systèmes d’énergie solaire, ISE, ont une nouvelle fois réussi à augmenter la valeur d’efficacité des cellules solaires monolithiques à triple jonction en silicium et en matériaux semi-conducteurs III-V. En combinant plusieurs matériaux absorbants, ces cellules photovoltaïques à jonctions multiples exploitent nettement mieux l’énergie du spectre solaire que les cellules solaires classiques au silicium. Le record du monde pour une cellule solaire monolithique multi-jonctions fabriquée par collage de plaquettes a été porté à 34,1% et un record d’efficacité de 24,3% a été atteint pour une cellule solaire avec les couches de semi-conducteur III-V déposées directement sur le silicium.

36% d’efficacité en ligne de mire

«Les cellules solaires monolithiques à multi-jonctions sont une source d’espoir pour le développement futur des cellules solaires au silicium qui dominent le marché aujourd’hui, car elles peuvent conduire à des valeurs de rendement considérablement plus élevées lors de la conversion de la lumière solaire en énergie électrique. Nous pensons que nous pouvons atteindre des valeurs d’efficacité de 36%, ce qui dépasserait largement la limite physique de 29,4% offerte par une cellule solaire en silicium pur », explique le Dr Andreas Bett (photo), directeur de l’institut Fraunhofer ISE. La haute efficacité permet une plus grande production par surface, créant ainsi une économie de matériaux pour cellules et modules solaires – un aspect important pour la durabilité du photovoltaïque.

Pour la production de cellules photovoltaïques multi-jonctions, des couches minces de semi-conducteurs III-V de seulement quelques micromètres d’épaisseur sont déposées sur une cellule solaire en silicium. Afin d’exploiter au mieux les rayons du soleil, les différentes couches absorbent la lumière de différentes plages spectrales: phosphure de gallium indium entre 300 et 660 nm (lumière visible), arséniure d’aluminium et de gallium entre 600 et 840 nm (lumière infrarouge proche) et silicium dans la gamme 800-1200 nm (lumière à longue longueur d’onde). Cela permet une efficacité considérablement accrue par rapport aux cellules solaires au silicium à simple jonction. Comme les cellules solaires au silicium conventionnelles d’aujourd’hui, ces cellules ont chacune un contact sur les côtés avant et arrière, ce qui permet une intégration aisée dans les modules solaires.

Cellules photovoltaïques multi-jonctions collées: efficacité de 34,1%, record du monde battu

Déjà bien établi en microélectronique, le processus de collage direct de plaquettes est utilisé pour créer une cellule solaire monolithique à multi-jonctions. Cela implique de déposer les couches III-V sur un substrat d’arséniure de gallium dans une étape initiale, après quoi un faisceau d’ions est utilisé pour désoxyder les surfaces dans une chambre sous vide poussé avant qu’elles ne soient pressées ensemble sous pression. Les atomes dans les couches semi-conductrices III-V forment une liaison avec le silicium, formant une seule unité. Maintenant superposés, les sous-cellules GaInP, AlGaAs et silicium sont interconnectées via des diodes tunnel. Le substrat en GaAs est ensuite éliminé par chimie humide, un contact arrière nanostructuré est fixé et un revêtement antireflet et une grille de contact sont appliqués sur la face avant.

«Contrairement aux résultats antérieurs, les conditions de dépôt ont été améliorées et une nouvelle structure cellulaire a été introduite pour la sous-cellule la plus haute composée de phosphure de gallium indium, ce qui permet une conversion de la lumière visible encore meilleure qu’auparavant. Avec une efficacité de 34,1%, la cellule démontre l’immense potentiel de cette technologie », déclare le Dr Frank Dimroth, responsable du département III-V de la technologie photovoltaïque et de la concentration à Fraunhofer ISE. L’ancien record du monde pour cette classe de cellules était de 33,3% d’efficacité.

Cellule photovoltaïque à jonctions multiples avec couches de semi-conducteur déposées directement: efficacité de 24,3%

photovoltaïques à multi-jonctions. Cette procédure implique beaucoup moins d’étapes de processus que le collage des tranches et évite l’utilisation de substrats coûteux en GaAs, ce qui est donc très avantageux pour la mise en œuvre industrielle de cette technologie. Néanmoins, la structure de l’atome doit être très soigneusement contrôlée pour s’assurer que les atomes de gallium et de phosphore sont disposés sur les sites de réseau corrects à l’interface avec le silicium. Des défauts dans les couches semi-conductrices peuvent également nuire à l’efficacité des cellules solaires. «Nous avons pu faire des progrès majeurs dans ce domaine. La génération actuelle dans les trois sous-cellules est maintenant à peine affectée par ces défauts, ce qui nous a permis d’atteindre une efficacité de 24,3% pour cette technologie pour la première fois dans le monde», confie le Dr. Frank Dimroth. «Le potentiel est comparable à celui des cellules liées à la tranche. Nous avons du pain sur la planche dans les années à venir pour prouver que tel est le cas. »En décembre 2018, Fraunhofer ISE a lancé ce type de cellule solaire avec un rendement record de 22,3%.

En se dirigeant vers la production industrielle en série de cellules photovoltaïques monolithiques à multi-jonctions, les chercheurs de Fraunhofer ISE ont notamment du mal à trouver un procédé abordable pour la fabrication des couches de semi-conducteurs III-V. La croissance directe sur silicium est actuellement l’approche la plus prometteuse, mais d’autres méthodes sont à l’étude où les substrats en GaAs peuvent être recyclés plusieurs fois après le transfert des semi-conducteurs sur le silicium. Pour une production rentable de cellules solaires, de nouvelles machines de dépôt à débit et surface de dépôt supérieurs seront nécessaires. Ce sont toutes des méthodes que les chercheurs de l’ISE poursuivront dans les années à venir.

Les travaux sur les cellules solaires liées au wafer sont financés par le ministère fédéral allemand de l’Économie et de l’Énergie. Les travaux sur les cellules cultivées directement, auxquels ont participé les partenaires Aixtron SE, TU Ilmenau et Philipps-Universität Marburg, ont été financés par le ministère fédéral allemand de l’Education et de la Recherche.