Application des cristaux photoniques et les procédés plasma asymétriques à la photovoltaïque – APOCALYPSO

Les cellules en couches minces de silicium fabriquées par des techniques de dépôt PECVD constituent la voie la plus viable économiquement sur le long terme dans le domaine du photovoltaïque, car reposant sur un matériau abondant et sur des procédés adaptés aux grandes surfaces et peu coûteux. Les meilleurs résultats sont attendus des cellules tandem "micromorphes" combinant une cellule avant à grand gap en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), et une cellule arrière à petit gap en silicium microcristallin hydrogéné (µc-Si:H). Cependant, les valeurs de rendement photovoltaïque dans cette filière sont pour l'instant limitées à environ 12% pour les cellules et 10% pour les modules, ce qui constitue un handicap par rapport aux technologies à base de silicium cristallin où les valeurs pour les modules sont proches de 20%.
Le projet APOCALYPSO a pour objectif d'augmenter le rendement stabilisé de cellules micromorphes pour aller au-delà de 14%. Il vise une rupture sur trois points principaux : (1) l'efficacité de collecte de la cellule en a-Si:H, (2) la tension de sortie de la cellule en µc-Si:H, et (3) l'absorption de photons. Cette rupture sera atteinte grâce à l'introduction de deux nouveaux concepts : des formes d'onde non sinusoïdales dans les procédés de dépôt radio-fréquence par PECVD, et l'incorporation de cristaux photoniques transparents et conducteurs déposés par des techniques adaptables à de grandes surfaces.
Le premier concept, la gestion des formes d'onde d'excitation du plasma, consiste à appliquer aux électrodes de la décharge luminescente un signal de tension s'apparentant à une suite de pics ou de vallées, ce qui crée la formation de gaines de plasma dissymétriques aux deux électrodes, tout en maintenant une densité de plasma constante. Il est ainsi possible de séparer les deux paramètres-clés du plasma qui sont généralement intimement liés, à savoir la densité et l'énergie de bombardement des ions. Ce concept sera appliqué à plusieurs stades de l'élaboration de cellules micromorphes : le traitement post-dépôt du ZnO afin de réduire les shunts dans la cellule, le dépôt de a-Si:H pour en améliorer la stabilité, et le dépôt de µc-Si:H pour en améliorer la qualité. L'introduction de ce nouveau concept à ces trois stades procure ainsi de nouvelles opportunités de contrôle sur le procédé de dépôt pour augmenter le rendement des cellules sans pour autant introduire de coût supplémentaire dans le procédé d'élaboration.
Le second concept, l'utilisation de cristaux photoniques transparents conducteurs, consiste en des couches alternées de nanoparticules de silice et de films conducteurs transparents d'oxyde d'étain dopé à l'indium (ITO). Ces cristaux photoniques 1D présentent des pics de réflexion de Bragg intenses et une forte transmission en dehors de ces pics. Ils possèdent par ailleurs une conductivité élevée, comparable à celle de l'ITO, du fait de l'infiltration et de l'enrobage des nanoparticules par l'ITO qui créent un réseau électrique conducteur par percolation. La combinaison unique des propriétés optiques et électriques de ces cristaux photoniques en fait des diviseurs accordables du spectre solaire particulièrement efficaces. Ils seront ainsi intégrés dans des couches intermédiaires des cellules micromorphes afin de favoriser les couplages de lumière adaptés aux deux cellules avant et arrière, dans le but d'augmenter le photocourant simultanément dans ces deux sous-cellules, et par donc dans la cellule tandem.
Grâce à l'introduction de ces nouveaux concepts, l'objectif du projet est de franchir le seuil de 14% de rendement de conversion des cellules en couches minces de silicium, en utilisant des procédés pouvant être étendus aux grandes surfaces. La réussite de ce projet repose sur les expertises complémentaires respectives en France et au Canada dans chacun des nouveaux concepts et nécessite donc la collaboration franco-canadienne et la répartition des tâches et des partenaires décrite dans le projet.