Intégration monolithique de cellules solaires III-V à haut rendement sur substrats de silicium – MENHIRS

Ce projet vise à élaborer des cellules solaires tandem à haut rendement et à bas coût sur un substrat silicium monocristallin, en développant une architecture du type multijonctions avec les composés III-V. Ces cellules pourront fonctionner sous éclairement naturel (par exemple sur les toits d’habitations) et étudiées dans des dispositifs à concentration de lumière par la société HELIOTROP et par EDF R&D et IRDEP-CNRS.
Le rendement des modules solaires est reconnu comme un des facteurs clef dans le coût final de l’énergie électrique car il influence directement le rapport entre l’énergie produite et le côut de production. Pour les modules à base de c-Si, la technologie actuelle semble atteindre sa limite avec un rendement de 22%. Afin d’augmenter ces rendements, en utilisant une filière technologique similaire, des cellules multijonctions peuvent être développées, utilisant l’association de plusieurs types de matériaux absorbants intégrés dans une même cellule. Actuellement, les meilleures cellules de ce type restent encore composées de matériaux III-V, à gap direct, avec des coûts de fabrication élevés. Ce projet propose donc de démontrer la faisabilité de l’intégration monolithique à bas coût d’une cellule PhotoVoltaïque (PV) multijonction III-V/Si sur silicium monocristallin. L’utilisation de matériaux en accord de maille sur des substrats vicinaux permettra de résoudre deux problèmes rencontrés lors de la croissance de III-V sur Si : les dislocations de désaccord de maille et les défauts cristallins d’antiphase et d’ainsi obtenir des matériaux III-V avec une très faible densité de défauts structuraux et donc des cellules PV de haute performance et à grande durée de vie. Si on compare cette voie avec celle de la croissance métamorphique (avec désaccord de maille) ou celle de la voie hybride dite du « wafer bonding », une véritable intégration monolithique des III-V en accord de maille sur Si est l’une des voie de recherche les plus prometteuses car elle permet d’éviter des étapes coûteuses de production, d’obtenir des dispositifs de grandes durées de vie, et utilise l’énorme potentiel de production développé sur substrats de silicium. Cette plateforme à base de III-V sur Si sans défaut permettra l’élaboration d’un démonstrateur : une cellule tandem à haute performance. Ce démonstrateur sera un premier pas vers des cellules solaires multijonctions à concentration (CPV) sur silicium, pour des applications terrestres.
Ce projet vise deux objectifs scientifiques et techniques principaux :
1) Réalisation d’une cellule simple à base de GaAsPN (1.7 eV) sur silicium (rendement de 15% sous faible concentration (100 sun)).
2) Démonstration d’une cellule multi-jonction haute efficacité et bas coût: jonction pn(GaAsPN) à 1.7 eV sur jonction pn (Si) à 1.1 eV (25% d’efficacité sous faible concentration (100 soleils), première étape vers les très hauts rendements > 30%).
La structure finale comprend donc une première jonction pn (Si) réalisée sur le substrat Si : « bottom-cell » PV à petit gap (1.1eV). Une couche mince de GaP (pour éviter la formation et la propagation des défauts structuraux) puis une jonction pn à base de GaAsPN (N en faible proportion), à gap direct (donc très absorbant), en accord de maille sur le silicium, est ensuite réalisée par épitaxie par jets moléculaires. Les deux cellules sont séparées par une jonction tunnel. Ceci constitue la « top-cell » à grand gap (de l’ordre de 1.7eV). Le projet est mené par six partenaires français et un partenaire européen associé, avec des compétences bien établies, des méthodologies et des expertises complémentaires dans leur domaine: FOTON (croissance de matériaux III-V), INL (technologie PV à base de Si), IRDEP-CNRS (recherche en développement PV), CEMES-CNRS (caractérisation structurale), EDF R&D (un des « leaders » européens du secteur de l’énergie), HELIOTROP (spécialiste français de modules CPV) et AALTO (partenaire académique finlandais expert dans l’analyse des défauts ponctuels).