Nano-antennes pour la prochaine generation de cellules solaires – NANOCELL

La réduction de l'épaisseur des cellules solaires est un des enjeux majeurs pour la plupart des technologies photovoltaïques. C'est un moyen de réduire les coûts de production (temps de dépôt des couches), d'économiser les matériaux (notamment les éléments rares), et d'augmenter l'efficacité des cellules grâce aux fortes concentrations de porteurs. Obtenir de fortes efficacités de conversion dans de très petits volumes de semiconducteurs constituent ainsi une étape clé pour la prochaine génération de cellules solaires. Mais cela nécessite le développement de nouvelles stratégies de piégeage optique, et de nouvelles techniques de croissances et de nanofabrication.

Ainsi, une cellule solaire idéale (appelée nanocellule photovoltaïque) serait constituée de nanostructures semiconductrices avec: un absorbeur de très faible volume (dimensions~100nm), avec une bonne efficacité d’absorption et de collection des porteurs, et peu de pertes parasites. En principe, cette stratégie devrait conduire à une amélioration significative du rendement grâce à la diminution des recombinaisons et à l’augmentation de la concentration des charges (+Voc). Cette cellule solaire idéale serait fabriquée par des procédés « bottom-up », et transférée d’un substrat cristallin vers des substrats hôtes pour garantir la possibilité d'une fabrication bas coût à large échelle grâce à la réutilisation du substrat de croissance.

Notre objectif est de développer de nouvelles architectures, technologies et méthodes pour une nouvelle génération de cellules solaires avec de très petits volumes d'absorbeurs. L'objectif de ce projet est double :
(1) ouvrir une voie vers des dispositifs photovoltaïques « nanocells » complètement optimisés (optiquement, électroniquement, technologiquement), formés de nanostructures semiconductrices par une approche bottom-up (croissance en particulier).
(2) avoir un impact à court terme sur la technologie photovoltaïque en couches minces en développant de nouvelles technologies (nanopatterning, croissance, technologies bas coût) et de nouveaux outils (caractérisation et modélisation).

Une étape intermédiaire consistera à la fabrication d'une cellule solaire à nanofils de GaAs sur un substrat de silicium inactif, avant le développement de l'objectif final: une cellule solaire à nanofils de GaAs optimisée optiquement et électriquement, transférée sur un contact-miroir sur du verre. Ces dispositifs « nanocells » seront basés sur une croissance localisée de nanostructures III-V (GaAs) sur substrat Si, avec l'objectif d'atteindre un volume le plus petit possible en optimisant l’absorption (nanophotonique) avec un matériau efficace, dont les concepts seront transférables à d’autres technologies poly-cristallines couches minces. Nous proposons de réduire le rapport d’aspect des nanofils par rapport à ce qui a été proposé jusqu’à présent, ce qui devrait réduire les problèmes de transports et de recombinaisons aux interfaces. Avec cette approche, de hauts rendements ne peuvent être obtenus que grâce à la nanophotonique pour éviter les pertes de photocourant.

Les défis majeurs de ce projet sont : la croissance sélective de réseaux de nanofils ordonnés sur substrat Si et transférés sur substrats hôte, combinée à des conceptions nanophotoniques optimisées, et à une passivation de surface efficace. Le haut niveau d’expertise rassemblé au sein de ce consortium couvre les vastes domaines de recherche concernés, et doit permettre de relever ces défis. Ces objectifs remplis placeraient nos résultats au plus haut niveau mondial, et ouvriraient la voie à une nouvelle génération de cellules solaires. Nous visons une efficacité de conversion de 20%.