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Tandem à trois terminaux à HEtérojonction sur cellule solaire SIlicium à contacts interdigitéS en face arrière – THESIS

Tandem à trois terminaux à HEtérojonction sur cellule solaire SIlicium à contacts interdigitéS en face arrière

Le rendement de conversion pour le photovoltaïque (PV) à base du Si a atteint le record de 26,7%, ce qui est proche de la limite théorique. Pour aller au-delà, THESIS vise à bénéficier de la combinaison de la maturité de la technologie Si avec les gains en rendement potentiels associés au PV émergent, à travers le développement d'un nouveau tandem PV. Ceci implique l'intégration d'une cellule solaire pérovskite empilée sur une cellule solaire en Si à contacts interdigités en face arrière.

Cellule solaire tandem à trois terminaux à barrière sélective obtenue par ingénierie intelligente des discontinuités de bandes permises

Cette nouvelle technologie de cellule solaire avec 3 terminaux permet de supprimer la contrainte d'appariement photocourant pour les deux cellules constituant la cellule tandem à 2 terminaux, sans avoir besoin de jonction tunnel. Elle facilite par ailleurs l'accès aux différents contacts des cellules supérieure et inférieure sans nécessiter de gravure et sans avoir à aligner les grilles de contact enterrées comme dans les cellules à 4 terminaux. <br />Grace à la présence d'une barrière sélective, réalisée à partir de discontinuités de bandes intelligentes entre les différentes couches semi-conductrices constituant l'empilement de la structure, il est possible de minimiser les pertes par thermalisation de porteurs photo-générés dans les sous-cellules. L'objectif du projet THESIS est de rendre viable ce concept en utilisant, d'une part, la technologie de cellules solaire silicium à contacts interdigités en face arrière et d'autre part, la technologie émergente de cellules solaires à base de pérovskites. La cellule pérovskite, dont l'absorbeur est à largeur de bande interdite plus grande que celle du silicium, absorbe la partie la plus énergétique de spectre solaire. Elle constitue de ce fait la sous-cellule haute «Top« de la cellule tandem. Une partie du reste du spectre solaire non absorbé par la pérovskite est absorbée par la cellule silicium, qui constitue la sous-cellule basse «Bottom«. <br />Le choix de la structure silicium à contacts en face arrière est justifié par les performances photovoltaïques de cette structure qui constitue l'état de l'art de la filière photovoltaïque silicium dominante. <br />Le choix de la structure pérovskite est dû à de nombreuses raisons dont le bond spectaculaire et récent des performances de cette technologie émergente comparées à celles des autres filières photovoltaïques en couches minces.

La méthodologie consiste, d'une part, au développement et à la fabrication de cellules solaires en silicium à contacts interdigités en face arrière et d'autre part, au dépôt de pérovskites sur la surface supérieure des cellules silicium, avec la gestion de l'interface de l'empilement pérovskite sur silicium en mettant en œuvre une couche d'interface adéquate.
Malgré l'expertise des partenaires du consortium et leur savoir-faire pour produire séparément des cellules en silicium à contacts en face arrière, de haute qualité et des couches de pérovskite de bonne qualité, il y a néanmoins un problème important à résoudre, à savoir l'interface entre l'empilement pérovskite et le silicium, qui nécessite un soin particulier. Ainsi, une partie du projet se concentrera sur l'étude de cette interface et inclura des investigations sur les couches tampons. Cependant, il existe un risque que l'interface ne puisse pas répondre aux exigences d'alignement de bande pour, d'une part, permettre l'extraction d'un type de porteurs de charge dans le silicium et d'autre part, servir de barrière pour l'autre type de porteurs de charge tels que décrits dans un brevet récent de l'un des partenaires du projet et dans un article récent du même partenaire (voir Productions scientifiques et brevets). Un autre défi à relever, est le choix d’une passivation du silicium côté interface entre l’empilement pérovskite et la sous-cellule IBC. Cette passivation doit être compatible avec la sélectivité du transport électronique entre l'empilement pérovskite et la structure IBC. Plusieurs passivations du silicium à cet endroit de la structure 3T seront étudiées avant le dépôt de l’empilement.

Les premières simulations montrent qu’un rendement de conversion au-delà des 30% est tout-à-fait réaliste et atteignable et ce malgré les pertes estimées, dues à la nature de l’empilement de l’interface Pérovskite/silicium qui doit être à la fois sélective pour le transport de porteurs photo-générés, passivante pour la surface du silicium et compatible avec le dépôt de la structure pérovskite sur silicium.
Par ailleurs, les premières structures réalisées de la sous-cellule Top démontrent un transport vertical des porteurs photo-générés dans l’empilement pérovskite et collectés par l’électrode en face arrière, tel que prédit dans les simulations. Les performances photovoltaïques obtenues pour cette sous-cellule sont en effet très encourageantes, même si un travail d’optimisation de l’interface reste à faire.

La stabilité de la structure pérovskite déposée sur silicium est un point crucial pour le maintien des performances de la structure Tandem à trois terminaux. Des solutions d'encapsulation et de couches anti-reflets compatibles seront étudiées par le consortium.
D'autres solutions de passivation de la face-avant de la structure IBC silicium, compatibles avec l'élaboration de la couche sélective et de l'empilement pérovskite, seront étudiées.

Productions scientifiques :

1) Z. Djebbour, W. El-Huni, A. Migan Dubois, J-P. Kleider, Bandgap engineered smart three-terminal solar cell: New perspectives towards very high efficiencies in the silicon world, Prog Photovolt Res Appl, First published: 14 January 2019 doi.org/10.1002/pip.3096, hal.archives-ouvertes.fr/hal-02550123

2) D. Sapori et al, Toward Industrialization of Monolithic Perovskite/Silicon-Heterojunction Tandem Solar Cells: Screen-Printing Metallization Development, presented at NIPHO, Sevilla, 2020.

3) K. Ahanogbe, J.P. Connolly, C. Léon, S. Le Gall, M-E. Gueunier-Farret, D. Sapori, S. Berson A-S. Ozanne, Z. Djebbour, J-P. Kleider, Optimisation de cellules solaires tandem à trois terminaux à base de pérovskites, Journées Nationales du PhotoVolataïque Dourdan (91) 3-6 déc. 2019, hal.archives-ouvertes.fr/hal-02344117/

4) K. Ahanogbe, J.P. Connolly, S. Le Gall, M-E. Gueunier-Farret, S. Berson A-S. Ozanne, Z. Djebbour, J-P. Kleider, Récentes études d’optimisation de cellules solaires à trois terminaux à base de pérovskite, Journées Nationales du PhotoVolataïque Dourdan (91) 26-29 jan. 2021

Brevet :

patentscope.wipo.int/search/fr/detail.jsf

Aujourd'hui, la technologie du silicium à une seule jonction domine le marché du photovoltaïque (PV), avec plus de 90% de part de marché. Cependant, le rendement de conversion de puissance des cellules solaires au silicium est maintenant proche de la limite théorique. En effet, le record a été poussé à 26,7%, ce qui est proche de la limite théorique de la simple jonction de silicium d'environ 29%, lorsque la recombinaison Auger, inévitable, est prise en compte.
Pour augmenter le rendement des cellules solaires au-delà de 30% tout en conservant l'utilisation matériau de silicium qui est abondant, bon marché et stable, une solution consiste à coupler le silicium avec un autre semi-conducteur ayant une bande interdite plus importante dans une configuration en tandem. Actuellement, la technologie tandem basée sur le silicium suit deux voies: le tandem monolithique à deux bornes (2TT) où les sous-cellules supérieure et inférieure sont connectées électriquement et optiquement, et les tandem à quatre bornes (4TT) où les deux sous-cellules sont électriquement indépendantes . Cependant, l'architecture 2TT doit gérer l'adaptation photocourant et optimiser les mécanismes de transport des charges de jonction tunnel entre les sous-cellules supérieure et inférieure, tandis que le dispositif 4TT doit traiter les problèmes liés aux contacts enterrés, à l'ombrage et aux pertes induites par l'interconnexion adhésive.
La proposition THESIS vise à développer une cellule solaire tandem originale à 3 bornes (3TT).
L'approche est triple:

- Proposer une nouvelle technologie de cellule solaire avec 3 terminaux. Cela nous permet de supprimer la contrainte d'adaptation du photo-courant pour les deux cellules constituant la cellule tandem. De plus, une cellule tandem à 3 bornes n'a pas besoin de jonction tunnel.
- Faciliter l'accès aux différents contacts des cellules supérieure et inférieure sans nécessiter de gravure et sans avoir à aligner les grilles de contact enterrées,
- Combiner les avantages de la technologie silicium fiable et maîtrisée avec ceux des technologies émergentes, permettant la création d'un empilement d'hétérojonctions avec le silicium.

Cette nouvelle technologie de cellule tandem à trois terminaux que nous avons brevetée est rendue possible de manière innovante et simple en utilisant une cellule PV au silicium avec des contacts arrière interdigités en face arrière (Interdigitated Back Contacts : IBC) sur la face arrière comme sous-cellule inférieure et en déposant un semi-conducteur à large bande interdite à la face avant c-Si de la cellule IBC, avec une barrière sélective de discontinuités de bande (Band Offset Barrier : BOB) à l'interface afin de former un empilement à hétérojonction réalisant une sous-cellule hétérojonction supérieure. Cette barrière est choisie pour que l'hétérojonction permette une séparation du fonctionnement des deux cellules.
Dans le projet THESIS, nous proposons de nous concentrer sur les perovskites émergentes en tant qu'absorbeur type p de la cellule supérieure. L'interface entre la pérovskite et le silicium sera activement étudiée dans le projet et nécessitera des investigations approfondies pour améliorer la qualité de l'interface et le fonctionnement du dispositif.
Nous prévoyons d'utiliser également l'empilement p / i a-Si: H comme, formant une cellule à hétérojonction verticale (p) a-Si: H / (i) a-Si: H / (n) c-Si. Bien sûr, nous ne prévoyons pas les meilleures performances photovoltaïques avec cette sous-cellule en raison des propriétés de transport limitées de a-Si: H. Cependant, la croissance de la qualité du dispositif a-Si: H pour la sous-cellule supérieure et la technologie IBC c-Si sont déjà bien maîtrisées dans le consortium, ce qui nous permettra de fabriquer une preuve de concept pour cette architecture 3TT innovante. Ce sera une percée dans le monde PV, puisque l'architecture 3TT n'a jamais été démontrée jusqu'à présent.

Coordinateur du projet

Monsieur Zakaria Djebbour (Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

EDF R&D SITE CHATOU
INL INSTITUT DES NANOTECHNOLOGIES DE LYON
GeePs Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris
LITEN CEA grenoble

Aide de l'ANR 686 221 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2018 - 42 Mois

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