Le substrat de germanium: une plateforme prometteuse pour les cellules solaires à jonctions multiples
Le monde se tourne vers les énergies renouvelables, comme l’énergie solaire, afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre et résoudre la crise énergétique qui s’annonce. Cependant, développer des cellules solaires à haut rendement qui peuvent convertir une importante quantité de lumière du soleil en énergie électrique à de très faibles coûts reste un défi considérable. Les panneaux photovoltaïques à concentration qui utilisent l’optique pour concentrer l’énergie du soleil sur des cellules solaires à jonctions multiples à haut rendement peuvent jouer un rôle majeur pour stimuler la production d’énergie solaire. Cette technologie nécessite des sous-cellules dotées de différentes bandes interdites afin d’absorber les différentes parties du spectre solaire et parvenir à des rendements de conversion énergétiques théoriques élevés. Les miroirs ou lentilles de haute performance peuvent concentrer plus de 500 fois la lumière du soleil dans ces minuscules cellules par rapport aux panneaux photovoltaïques plats traditionnels. Toutefois, cette technologie nécessite de réduire davantage les coûts. L’appariement parfait du cristal Associer deux technologies constitue une étape pratique pour rendre les systèmes photovoltaïques à concentration plus compétitifs grâce à d’autres formes de production d’énergie. Cela implique de prendre une tranche à bas coût et de s’en servir comme base pour former de nombreux dispositifs à jonctions multiples à haut rendement présentant différentes couches semi-conductrices composites. «Apparier l’espacement atomique des couches successives est un élément crucial lorsque nous combinons des matériaux avec certaines énergies de bande interdite», note Gerald Siefer, coordinateur du projet CPVMatch, financé par l’UE. Comme il l’explique, plusieurs méthodes, dont la croissance métamorphique et la liaison de tranches, peuvent être utilisées pour surmonter le décalage du maillage. Cependant, l’utilisation de matériaux ayant le même paramètre de maille est préférable pour lancer des cellules à jonctions multiples avec un meilleur rendement et à faible coût. Les chercheurs du projet ont réalisé une validation de principe en recourant à une tranche de germanium et en ajoutant ensuite une structure de silicium-germanium-étain (SiGeSn) adaptée aux mailles pour former une jonction de 1 eV. L’addition ultérieure de matériaux III-V permettra de créer des jonctions supérieures pour parvenir à l’architecture du dispositif qui peut apporter des rendements très élevés. «C’est la première fois qu’un élément semi-conducteur IV de qualité élevée, le SiGeSn, est formé par croissance épitaxiale sur un substrat de germanium sur le même réacteur de croissance que les éléments semi-conducteurs III-V», ajoute M. Siefer. Coût inférieur à celui de son homologue Les cellules photovoltaïques à très haut rendement mettent partiellement en œuvre des substrats à base de phosphure d’indium (InP) pour convertir efficacement le rayonnement solaire en énergie électrique. «Le record du monde en termes d’efficacité des cellules solaires à jonctions multiples dotées de substrats à base d’InP est de 46 %. Pourtant, ce matériau est bien plus cher que le germanium», note M. Siefer. La nouvelle cellule solaire à quatre jonctions de CPVMatch dotée d’un substrat de germanium a atteint une efficacité de 42,6 %. Le projet est parvenu à développer et à démontrer d’autres blocs constitutifs techniques qui, mis ensemble, augmenteront l’efficacité de la cellule à 46 %. Surmonter les inconvénients des lentilles standard La plupart des modules photovoltaïques à concentration utilisent des lentilles en silicone sur verre (SoG). Bien que ces lentilles soient bon marché, elles introduisent une aberration chromatique et leurs performances dépendent fortement de la température ambiante. Des chercheurs ont testé les lentilles achromatiques pour réduire la distorsion. Malgré leur potentiel pour produire un dispositif très performant, elles sont chères. Afin de contourner les limitations du SoG et de minimiser les coûts, les chercheurs se sont concentrés sur un processus de fabrication bon marché pour lentilles achromatiques, ainsi que sur des modules photovoltaïques à concentration intelligents et très compacts à base de miroir. Les deux se vantent de comporter de nombreux avantages par rapport aux lentilles standard: aucun problème de distorsion chromatique ainsi que de meilleurs rendements de conversion solaire. CPVMatch a démontré les concepts qui réduisent les coûts des cellules solaires et a amélioré leur efficacité pour développer à l’avenir des systèmes photovoltaïques à concentration plus compétitifs. «Les systèmes photovoltaïques à concentration élevée peuvent atteindre des niveaux d’efficacité que les panneaux photovoltaïques plats n’atteindront jamais. En outre, leur empreinte carbonique plus faible démontrée, de 16 à 18 grammes de CO2 par kilowatt-heure d’électricité produite, revêt une importance capitale pour la décarbonation du système énergétique», conclut M. Siefer.
Mots‑clés
CPVMatch, photovoltaïque à concentration, cellules solaires à jonctions multiples, substrat de germanium, silicium-germanium-étain (SiGeSn), adapté aux mailles, semi-conducteur IV, semi-conducteur III-V, lentilles achromatiques, miroir, optique
