NOuveaux matériaux absorbeurs Pour cEllules solaiRres à base d’éléments Abondants et à faible empreinte environnementale – OPERA

Des films de ZnSnN2, de ZnGeN2 et de MgSnN2 ont été élaborés sur différents substrats par des procédés de dépôt physique en phase vapeur. Une attention particulière a été portée à l’étude de l’influence des conditions de synthèse (tension de polarisation, nature des cibles de pulvérisation, ajout d’hydrogène dans le mélange plasmagène…) sur les propriétés des films minces. Les techniques avancées de caractérisation des matériaux disponibles au sein du consortium comme par exemple la microscopie électronique en transmission ou la diffraction des rayons X ont été largement utilisées afin de décrire la structure, la microstructure et la chimie des films élaborés. Les propriétés fonctionnelles des différents matériaux ont été évaluées par des méthodes optiques et électriques.

Ce projet a mis en évidence le rôle que jouent la composition chimique et la morphologie des films de II-IV-N2 sur leurs propriétés fonctionnelles. Par rapport aux travaux connus avant le démarrage de ce projet, des avancées majeures ont été obtenues sur le potentiel d’applications de cette nouvelle classe de matériaux. De nouvelles formulations de composés ont pu être testées. L’ensemble des résultats obtenus dans le cadre du projet OPERA ouvre de nouvelles voies d’études qu’il conviendra d’exploiter dans le cadre de nouveaux projets collaboratifs.

En dépit des prévisions théoriques qui laissaient entrevoir un matériau inorganique des plus intéressants pour la réalisation d'une cellule supérieure d'une cellule tandem, le ZnSnN2 s'est révélé expérimentalement difficile à maitriser. Malgré des résultats qui restent en deçà de ce qui avait été espéré lors de la rédaction du projet, des avancées notables ont néanmoins été obtenues dans le cadre du projet OPERA. Des pistes innovantes ont été dévoilées pour la continuité potentielle de la recherche sur ce matériau et laissent entrevoir des perspectives d’études futures qui devraient permettre de tracer la feuille de route pour l’application de cette famille de matériaux pour le solaire photovoltaïque.

En plus des deux thèses soutenues lors de ce projet, une publication (https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c00478) a été faite sur l’effet de l’utilisation d’une polarisation des-substrats lors de la croissance de films de ZnSnN2. Ce paramètre permet de densifier les films et de limiter leur oxydation post-synthèse. D’autres travaux sont en cours de publication sur ce même matériau ainsi que sur ZnGeN2 et MgSnN2.

Le développement de l'énergie verte s’est intensifié ces dernières années et est actuellement d'une importance cruciale pour nos sociétés. En raison de l'effet de serre dont l'impact semble de plus en plus présent dans notre vie de tous les jours, les politiques pour le développement des énergies décarbonnées sont devenues centrales pour de nombreux états du monde entier.
Néanmoins, la demande d'énergie à l’échelle du térawatt reste forte et augmentera dans un avenir proche. La production d'énergie basée sur un mix énergétique motive alors le développement et la production de cellules solaires avec des rendements de conversion photovoltaïque (PV) de plus en plus élevés. Différentes approches pour le développement de cellules solaires PV performantes ont été étudiées comme les cellules tandem III-V ou les cellules à base de séléniures de cuivre et d’indium. Cette dernière voie est l'une des alternatives les plus compétitives par rapport à la technologie industrielle actuellement dominante du silicium cristallin.
Ces cellules solaires nécessitent néanmoins l’utilisation d’indium et de gallium. Une versatilité importante du prix de l'indium au cours des dernières années a conduit à une inquiétude considérable compte tenu de leurs rôles dans un large éventail de dispositifs électroniques à grande échelle, y compris les cellules solaires. En outre, dans le cas de cellules tandem III-V, l'utilisation de l'épitaxie pour la croissance des matériaux demeure coûteuse et limitante pour la fabrication de cellules à grande échelle.
Il est donc important d'étudier et de développer de nouveaux matériaux sans indium/gallium aux propriétés optimisées pour la réalisation à bas coût et à l’aide de techniques simples de cellules solaires tandem silicium de grandes surfaces.
Le projet OPERA vise à développer un nouveau type d’absorbeur nitrure non toxique, sans indium ni gallium, utilisant des matières premières abondantes sur terre et à faible coût de production, et à réaliser des cellules tests utilisant ces nitrures via une technique de dépôt (pulvérisation) compatible avec des réalisations larges échelles.
Il s’agit d’un objectif ambitieux qui permettra un pas en avant important dans le domaine de l'énergie solaire silicium. Chaque étape intermédiaire du projet permettra d’apporter de nouvelles connaissances, en particulier sur la réalisation d’une cellule solaire nitrure et sur les propriétés fondamentales des matériaux étudiés et de leurs interfaces. La famille des alliages Zn-IV-N2 est prometteuse car elle permettrait de couvrir largement le spectre solaire. Les données concernant l’alliage ZnSnN2 restent rares. L'intérêt de cet alliage pour le PV s’est néanmoins accru ces deux dernières années, mais de nombreux efforts doivent être faits pour mieux comprendre les propriétés fondamentales de ce matériau.
Le projet OPERA regroupe quatre laboratoires possédant différentes spécialités et compétences complémentaires:
L'Institut Jean Lamour - Université de Lorraine - France, un institut dédié aux sciences des matériaux.
L'Institut d'Electronique Microélectronique et de Nanotechnologie - Université de Lille, un institut avec des compétences en science des matériaux ainsi qu’en cellules solaires.
Institut National de l'Energie Solaire - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives: INES, un institut français bien connu dédié au développement de nouvelles technologies solaires et à leurs transferts vers l'industrie.
Le laboratoire de Génie Electrique de Paris, membre fondateur de l’Institut Photovoltaïque d’Ile de France, et spécialisé dans les caractérisations avancées des matériaux pour le solaire.