Cellules Solaires à jonction radiale à base de nanofils de Silicium avec une technologie couche mince – SOLARIUM

Les cellules solaires de première génération, constituées de substrats de silicium cristallin (c Si) de grande pureté, ont dominé le marché du photovoltaïque (PV) pour plus d’un demi-siècle. Compte tenu de la bande interdite du Si (1.12 eV), l’absorption efficace de photons impose l’utilisation de substrats épais (180 300 µm) de haute qualité et coûteux. La deuxième génération de cellules solaires adopte les couches minces en sacrifiant la performance et la stabilité dans le but de réduire le coût par watt. La nouvelle génération de cellules solaires vise la nanostructuration du Si dans le but d’augmenter les performances de la cellule en réduisant l’épaisseur de la couche absorbeur. Dans ce contexte, les nouvelles structures à jonctions radiales (JRs) à base de nanofils de silicium (NFsSi) s’illustrent comme une solution innovante du fait que l’absorption optique et la collecte des porteurs peuvent être découplées.
Le projet Solarium vise à fabriquer des cellules PV tandem suivant une architecture à JR constituée de NFsSi recouverts par des couches minces de a-Si:H et µc-Si:H. De telles cellules solaires représentent une voie prometteuse puisqu’elles s’inscrivent dans une logique de fabrication à bas coût et, qui plus est, compatible avec les technologies de dépôt à basse température propres au PV. Dans Solarium, la fabrication des cellules sera guidée par des techniques avancées de caractérisation et la modélisation optique et électrique qui permettront d’identifier les paramètres limitant les performances. Outre le développement et l’optimisation des cellules tandem à JR, le projet Solarium portera aussi sur leur intégration dans des modules PVs : interconnexion des cellules, encapsulation et tests.
La première architecture de dispositifs visera des cellules à JR de type n-i-p avec comme matériau actif le a Si:H. Le choix de cette structure par rapport à une cellule p-i-n est guidé par des résultats de modélisation électrique qui montrent qu’un cœur de NFSi de type n offre des meilleures performances (jusqu’à 12 %) qu’un coeur de type p. En outre, la structure n-i-p apparaît plus robuste à la dégradation induite par la lumière dit light-soaking (LS). Une autre alternative pour obtenir une meilleure stabilité au LS consisterait à utiliser une couche intrinsèque de µc Si:H au lieu du a-Si:H. La réalisation de cette structure n-i-p reposera sur la forte expertise du LPICM qui a actuellement démontré des rendements de 8 % sur des structures p-i-n à base de NFSi/a-Si:H. Afin d’accroître encore les rendements, des JRs à base de NFSi/µc-Si:H seront proposées comme seconde approche compte tenu du fait que le µc-Si:H absorbe un spectre plus large et qu’il est moins sensible aux problèmes de LS. Le développement de cette deuxième approche requiert un couplage de la modélisation optique et électrique afin de définir la structure optimisée. D’un point de vue de la fabrication, il y a eu des avancements considérables dans le dépôt conforme de couches de µc-Si:H qui profitera à cette deuxième architecture et aux dispositifs plus complexes de type cellules tandem à JR. La troisième étape du projet portera sur la réalisation des dispositifs tandem à JR combinant des couches minces de a-Si:H et µc-Si:H. Le but de cette étape sera d’atteindre un rendement de conversion supérieur à 10 % pour une simple JR et supérieur à 15 % pour une cellule tandem à JR.
Une partie importante du projet Solarium sera consacrée à la réalisation de prototypes de modules PVs. Il s’agira en particulier de développer des procédés robustes pour l’interconnexion des cellules en série et l’encapsulation, le but étant le développement de modules de 10 x 10 cm².
Le consortium de recherche Solarium est constitué de quatre laboratoires (LPICM, LGEP, PMC et GPM) et d’un partenaire industriel français du PV (SOLEMS) possédant des nombreuses expertises, notamment dans le PV et les nanotechnologies.