Multi-jonctions innovantes combinant MOVPE et épitaxie à basse température pour le solaire – IMPETUS

Les cellules solaires multi-jonctions sont de loin les plus efficaces pour la conversion de l’énergie solaire en électricité, avec un record d'efficacité de 44% sous concentration. Cette technologie offre une solution attrayante pour les pays à fort taux d’ensoleillement. Les triples jonctions représentent une part de marché croissante, et qui devrait encore augmenter dans les années à venir. les applications sont à la fois les fermes solaires à concentration (moyenne et grande puissance) mais également les sites isolés autonomes (relais pour les télécommunications, etc.). Le fort potentiel des technologies multi-jonction est également visible à travers les investissements R&D importants: Panasonic, Sharp, Spectrolab, etc. Cependant, les startups ont également un rôle important: on peut citer le résultat remarquable d’Alta Devices, 28.8% pour des cellules GaAs simple jonction reportées sur substrat flexible, mai aussi Solar Junction, avec 44% à 950 soleils pour ces triples jonctions III-V N, ou encore Solexel qui a récemment obtenu 20.1% pour des couches minces de silicium cristallin reportées. Cependant, il reste de la marge pour progresser, car les efficacités théoriques pour les triples jonctions sont > 50%. Mais les coûts pour les technologies restent élevés, ce qui freine leur développement. Une innovation peut amener une véritable rupture dans le domaine des multi-jonctions.
Notre projet apporte deux innovations majeures :
i) La combinaison d’épitaxie basse température (<200°C) par voie plasma (PECVD) pour les couches Si, Ge et SiGe constituant la cellule inférieure, avec la croissance d’organométallique en phase vapeur (MOCVD) pour les semi-conducteurs III-V de la couche supérieure
ii) L’utilisation d’une nouvelle architecture cellule tandem, basée sur une approche métamorphique inversée : épitaxie basse température PECVD de la cellule SiGe petit gap sur la cellule AlGaAs grand gap, déposée par MOCVD.
L’excellente qualité cristalline de l’épitaxie Si et Ge par PECVD a déjà été démontrée au LPICM. Plus récemment les premières couches SiGe PECVD ont été déposées par le même procédé basse température. L’utilité du SiGe pour une cellule petit gap est double : i) diminuer le désaccord de maille avec le GaAs (par rapport au Si) ii) un coefficient d’absorption plus élevé que le silicium (donc plus adapté aux couches minces) iii) possibilité d’adapter la bande interdite du matériau en changeant la fraction de Ge. Le choix du matériau AlyGa1-yAs pour la cellule supérieure est judicieux car il permet d’attendre l’optimum théorique en terme de gap pour une cellule deux jonctions : Si1-xGex (x?0.40, y?0.17), 1.63 eV/0.96 eV, soit une efficacité maximale de 47%. Le III-V Lab, laboratoire commun entre Alcatel-Lucent Bell Labs France THALES Research & Technology et le CEA-LETI, possède une expertise mondialement reconnue pour l’épitaxie de III-V et les dispositifs associés.

Dans cette nouvelle soumission, les partenaires ont tenu compte des recommandations formulées par le jury 2012. L’originalité et les avantages de l’approche inversée sont expliqués en détail (excellente qualité cristalline III-V, minimisations des problèmes de diffusion, etc.). Un peu de flexibilité est donné par le choix du matériau Si1-xGex pour la cellule inférieure, matériau qui permet de choisir le gap le plus adapté et d’obtenir un meilleur accord en courant. La question de la vitesse de croissance et des épaisseurs visées est clairement abordée, ainsi que les étapes et points clés du décollement et de la jonction tunnel. Le rôle de la simulation et son lien avec les caractérisations sont réévaluées. Cependant, l’objectif principal reste identique : obtenir une rupture technologique avec des cellules multi-jonction III-V/SiGe bas coût.

En plus des deux partenaires déjà mentionnés, LPICM et III-V Lab, le LGEP sera en charge de la simulation/modélisation des cellules, apportant sont précieux soutient pour comprendre et optimiser nos structures tandem.