Recharger les cellules solaires au silicium grâce à des couches supérieures de nanofils
Le silicium continue de dominer l’industrie des cellules solaires. Mais des technologies émergentes l’utilisent d’une façon innovante. En exploitant le silicium, qui a démontré son efficacité, comme cellule de base en tandem avec des nanofils de semi-conducteurs III-V (alliages à base d’éléments des groupes III et V du tableau périodique) comme cellule supérieure, le projet Nano-Tandem a pour ambition de supprimer les obstacles empêchant d’obtenir un meilleur rendement à moindre coût. Des avancées au niveau de la fonction et des coûts des nanofils Les nanofils sont de minuscules tiges d’environ 100 nanomètres de diamètre et de 10 micromètres de long. La cellule tandem les exploite en configuration verticale avec entre 6 et 7 millions de nanofils par millimètre carré de cellule. L’épitaxie sélective assistée par matrice (TASE) a été utilisée pour faire croître des nanofils directement sur du silicium. À l’aide de ce processus, les chercheurs ont fait la démonstration de jonctions P-N actives dans des nanofils de phosphure d’indium et de gallium (InGaP) développés par TASE. Procéder à la nucléation de nanofils sur un substrat III-V plutôt que sur du silicium a permis d’améliorer plus de sept fois le rendement des cellules solaires à nanofils de phosphure d’indium (InP), et d’atteindre une valeur record de 15 %. Disposer de nanofils fonctionnels nécessite de pouvoir faire des diodes à effet tunnel, ce qui s’est avéré assez difficile à réaliser. Nano-Tandem a surmonté cet obstacle en démontrant sa capacité à produire pour la première fois des diodes à effet tunnel à nanofils InP/InGaP. La caractérisation des diodes à effet tunnel par courant induit par faisceau d’électrons (EBIC) a fait partie intégrante de l’amélioration de la composition de l’alliage et donc de la qualité des diodes. Pour transférer les nanofils sur du silicium, les scientifiques les ont incorporés dans une membrane polymère, ont décollé la membrane puis les ont liés à leur nouvelle cellule inférieure. Après trois utilisations, les substrats d’origine sont restés inchangés, permettant ainsi de procéder à des utilisations ultérieures et de faire des économies supplémentaires. Pour finir, l’équipe a optimisé une technique très prometteuse, l’aérotaxie, qui permet de faire croître des nanofils à partir de germes cristallins directement en phase gazeuse, sans substrat. Les taux de croissance sont de 100 à 1 000 fois plus rapides que pour la croissance épitaxiale conventionnelle, ce qui promet une réduction radicale des coûts. Lars Samuelson, coordinateur du projet, explique: «Modeler les nanofils d’aérotaxie pour en faire une membrane a vraiment été une tâche délicate.» Les scientifiques de Nano-Tandem ont bénéficié d’un processus à base d’encre spécialisée pour aligner les fils. Grâce à cette technique à haut débit, l’équipe a fabriqué des jonctions P-N de nanofils d’arséniure de gallium (GaAs) de haute qualité. Selon les responsables du projet: «Le prix attendu pour un module tandem de nanofils GaAs/Si avec une efficacité de 28 % produit grâce au processus d’aérotaxie est de 0,296 USD/W. En ce qui concerne les modules de silicium cristallin classiques, on s’attend à un futur prix de 0,39 USD/W pour un module d’une efficacité de 25 %.» Un meilleur rendement à un coût nettement inférieur devrait faire des cellules solaires de Nano-Tandem une technologie gagnante sur les marchés mondiaux des énergies renouvelables. Une façon innovante de piéger la lumière pour les cellules solaires à nanofils Les cellules solaires classiques au silicium à haut rendement emploient des mécanismes de piégeage de la lumière qui exploitent la structuration de la face avant pour stimuler l’absorption. Les cellules solaires tandem nanofils/silicium ne disposant pas de cette possibilité, Nano-Tandem a donc développé une structure de piégeage de la lumière photonique sur la face arrière. Les scientifiques ont ainsi atteint un nouveau record mondial en termes de rendement de conversion (33,3 %) pour une cellule solaire tandem III-V/silicium à couche mince. Des applications pour l’énergie solaire et dans d’autres domaines Les développements de Nano-Tandem en matière d’optimisation et de caractérisation des processus ont amélioré la croissance et la fonctionnalité des nanofils, tout en augmentant le rendement de la cellule inférieure en silicium. Les résultats détaillés sont disponibles dans les 38 publications scientifiques évaluées par des pairs. Ces résultats ouvrent la voie à des cellules solaires tandem-nanofils III-V/silicium à faible coût et à grande surface, et préfigure un leadership européen sur le marché du PV, en pleine croissance. Ils devraient également être à l’origine d’innovations dans des dispositifs comme les LED, la microélectronique et les capteurs.
Mots‑clés
Nano-Tandem, nanofil, silicium, cellule solaire, tandem, efficacité, III-V, aérotaxie, diode à effet tunnel, faible coût, TASE