Nanophotonique pour cellules solaires en silicium cristallin en couche mince – NATHISOL

Les cellules solaires photovoltaïques en couches minces sont développées pour améliorer la compétitivité de l'énergie solaire, essentiellement en réduisant le besoin en matériau actif. Le silicium cristallin, matériau le plus répandu compte tenu de ses qualités intrinsèques -abondant, non toxique et de bonne qualité électronique une fois traité-, souffre d'une absorption de lumière solaire incidente qui diminue sensiblement pour des couches actives de l’ordre du micron d’épaisseur. Une ingénierie optique doit alors être mise en œuvre pour maintenir l’absorption à un niveau élevé. Les solutions d’optique géométrique, avec une texturation aléatoire sur plusieurs dizaines de microns, sont inadaptées, et les approches diffractives de structuration de matériaux bas indices en face avant sont insuffisantes.
Récemment, des solutions innovantes de nanophotonique ont été proposées. Elles consistent soit en une structuration périodique de la couche active à l’échelle de la longueur d’onde, de type cristal photonique, soit en l’ajout d’une structuration métallique présentant des effets plasmoniques également à l’échelle de la centaine de nanomètres. Ces deux structurations génèrent de multiples résonances optiques dans la couche active, qui contribuent alors à améliorer l’absorption sur une large gamme spectrale, lorsque les paramètres optogéométriques de la structuration sont optimisés. Deux des laboratoires du projet, l’INL et le LPN, ont déjà obtenu montré théoriquement des augmentations très significatives de l’absorption, le premier avec des cristaux photoniques, le deuxième avec des structures plasmoniques. Cet accroissement a notamment été mesuré optiquement dans du silicium amorphe hydrogéné, élaboré au LPICM, puis structuré à l’INL, dans le cadre d’un précédent projet ANR « SPARCS ».
Ce projet, réunissant l’INL, coordinateur, le LPN, le LPICM et TOTAL, vise à réaliser des cellules solaires photovoltaïques avancées dans la filière silicium cristallin, en développant une filière technologique associée.
Plus particulièrement, on utilisera le silicium cristallin épitaxié à basse température par PECVD. Ce matériau nécessite alors une étape de report sur substrat hôte mais doit conduire à un rendement sensiblement plus élevé qu’avec un matériau microcristallin déposé. On étudiera le potentiel des structurations nanophotoniques de types cristaux photoniques et plasmoniques, localisées aux faces avant et arrière du silicium ; le report permettant en effet la réalisation de structurations de nature et de formes différentes.
Le projet nécessite, outre le management et la valorisation, trois grandes étapes : le calcul électromagnétique et électrooptique pour l’optimisation des structures, avec des approches communes sur leur organisation géométrique ; la fabrication, avec, outre l’épitaxie et le report, la nanoimpression pour répliquer les motifs sur de grandes surfaces à coût modéré, et la caractérisation fine pour des matériaux nanostructurés, et morphologique, optique et électrique pour les cellules réalisées. Une tâche étudiera les conditions de transfert industriel de telles approches.
Le projet s’inscrit donc complètement dans la thématique 1.3 de l’appel « PROGELEC ». Les résultats feront l’objet de publications et communications internationales et nationales, avec valorisation possibles des intérêts applicatifs. Ils pourront aussi intéresser d’autres filières du photovoltaïques et même de l’optoélectronique.