Nouvelles cellules photovoltaïques tandem à base de nitrures d'indium et de gallium sur oxyde de zinc sur silicium – NOVAGAINS

Bien que les technologies des cellules solaires à base du silicium (Si) dominent le marché du photovoltaïque (PV) d'aujourd'hui, leurs performances sont limitées. En effet, le rendement de conversion record du monde pour le PV à base du Si a été stabilisé à 25% depuis plusieurs années. D’un autre côté, le PV III-V multijonctions a récemment atteint des rendements supérieurs à 40% et de nouveaux records apparaissent régulièrement. Bien que des cellules PV tandem ont été élaborées combinant silicium cristallin et amorphe, il n'a pas été possible jusqu'à présent de réaliser des dispositifs avec des rendements rivalisant avec les multijonctions III-V. NOVAGAINS vise à bénéficier de la combinaison de la maturité de la technologie Si avec les gains en rendement potentiels associés au PV III-V, à travers le développement d'un nouveau tandem PV impliquant l'intégration d'une jonction à base d’InGaN sur une jonction Si monocristallin, au moyen d'une couche tremplin ZnO conciliante interfacialement et intervenant dans la jonction tunnel. Bien que l’alliage (In)GaN a été largement utilisé dans les LED, son utilisation dans le PV a attiré relativement peu d'attention. Néanmoins, les matériaux InGaN offrent un énorme potentiel pour développer des dispositifs PV de très haut rendement. Le principal avantage de l’InGaN est le gap direct, qui peut être accordé pour couvrir une gamme allant de 0,7 eV à 3,4 eV. Ainsi, il est le seul système qui couvre aussi bien le spectre solaire. En effet, le fait que l’InGaN peut fournir l'accordabilité par exemple de la bande interdite, signifie que des rendements de conversion PV de plus de 50% peuvent être atteints. Malheureusement, il est très difficile de faire croitre des films à base de GaN de très bonne qualité directement sur Si, à cause du désaccord de maille cristallographique. Cependant, le ZnO peut croitre plus facilement sur de tels substrats, en raison de sa nature plus conciliante. En effet, du ZnO de qualité cristalline et très orienté peut croître directement sur une couche native de SiO2 amorphe. Puisque le ZnO partage la même structure wurtzite avec le GaN avec un désaccord de maille de moins de 2%, il a été démontré par le savoir-faire du consortium qu'il est alors possible de croitre de l’InGaN/GaN épitaxié sur ZnO/Si. La modélisation indique que lorsqu'elles sont optimisées, les cellules InGaN et Si empilées et couplées par effet tunnel à travers une intercouche ZnO, offrent la perspective de cellules tandem avec un rendement global dépassant les 30%.