Faire passer la technologie du silicium cristallin au niveau supérieur
Cela fait plusieurs décennies que les cellules solaires traditionnelles, où le silicium cristallin (c-Si) joue le rôle de matériau semi-conducteur dominant, font figure de technologie photovoltaïque (PV) de référence. Elles n’ont cessé d’améliorer leur efficacité et de réduire leurs coûts. Mais aujourd’hui, les performances de ces dispositifs ont presque atteint leurs limites théoriques. Il est donc nécessaire de mettre au point des dispositifs tandem, présentant un potentiel nettement supérieur en termes d’efficacité. Le projet SiTaSol, financé par l’UE, s’est intéressé à la production d’une cellule solaire à double jonction, en utilisant du phospho-arséniure de gallium (GaAsP) et du silicium (Si). La cellule solaire GaAsP/Si est construite sur une nouvelle plateforme qui combine des tranches de Si à faible coût et une croissance épitaxique à haut débit. Cette solution repose sur le principe de la technologie des cellules tandem, dans lesquelles la lumière du spectre solaire est divisée en différentes bandes spectrales, puis absorbée et convertie dans différents matériaux absorbants, en l’occurrence du GaAsP et du Si.
Vers une solution abordable et hautement efficace
«Le principal objectif du projet SiTaSol consistait à identifier une technologie permettant d’obtenir une cellule solaire tandem III-V/Si atteignant un rendement de 30 % avec un processus échelonnable à un rythme de l’ordre du GW/an, et présentant ainsi des coûts acceptables sur le marché du PV», explique Frank Dimroth, coordinateur du projet. Pour y parvenir, plusieurs éléments ont dû être étudiés: le processus d’épitaxie des couches de cristaux III-V; la fabrication de la tranche de Si prête pour la croissance des cristaux III-V; la formation de la cellule inférieure en Si, en tenant notamment compte du piégeage de la lumière; la transformation des cristaux en cellules solaires avec des contacts; et le revêtement antireflet. SiTaSol a construit une nouvelle machine d’épitaxie offrant le plus grand débit disponible actuellement, et produit des cellules solaires tandem GaAsP/Si avec un rendement de 20,8 % en utilisant un substrat en Si à faible coût et des taux de croissance élevés de 100 µm/h. Après l’ajout d’une troisième jonction, un rendement de 25,9 % a même été obtenu. Frank Dimroth précise: «Toutes les pistes de recherche n’ont pas été couronnées de succès, mais nous avons finalement pu procéder à la démonstration de cellules solaires tandem III-V/Si assez proches de notre objectif. Bien sûr, le rendement reste inférieur à celui des dispositifs héroïques, mais il est encourageant de constater qu’il est possible de conjuguer fabrication à faible coût et performances élevées.»
Innovation et expérimentation portent leurs fruits
L’équipe est parvenue à étudier de nouvelles technologies pour fabriquer des substrats de Si avec une surface quasiment parfaite sans avoir recours au polissage mécano-chimique. Par ailleurs, elle a mis en œuvre de nouveaux processus pour améliorer l’absorption de la lumière dans le Si et essayé de nouvelles façons de réaliser des contacts métalliques sur les cellules en utilisant l’impression par jet d’encre, une technique prometteuse si elle venait à être améliorée. Différentes méthodes ont également été étudiées pour combiner l’absorbeur III-V avec le Si, en faisant par exemple appel au collage en tant qu’alternative à la croissance directe. Il s’est avéré que la méthode la plus simple consistait à faire croître les couches III-V, très minces (2-3 µm), directement sur la cellule inférieure en Si.
Les avantages environnementaux de la technologie des cellules solaires tandem
Un rendement de conversion élevé présente un avantage écologique: cela réduit les besoins en termes de surface de module et, par conséquent, en termes de surface au sol et de matériaux de construction. «Les résultats montrent qu’un rendement de conversion PV plus élevé représente un atout pour réduire l’impact sur l’environnement. La bonne nouvelle, c’est que nous n’avons trouvé aucun obstacle majeur en ce qui concerne leur production à grande échelle», conclut Frank Dimroth.
Mots‑clés
SiTaSol, cellules solaires, rendement, silicium, faible coût, photovoltaïque, PV, c-Si, silicium cristallin
