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Univ. Paris-Saclay
18 décembre 2013
Couche dopée pour renforcer l'efficacité des cellules photovoltaïque silicium
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L'énergie photovoltaïque est une composante importante de la transition énergétique. Il est donc important de rechercher des voies pour améliorer le rendement des cellules, sans augmenter leur coût, en particulier pour la technologie la plus couramment utilisée : la filière silicium. Les chercheurs du CIMAP ont développé un procédé optimisant par dopage la couche antireflet, par la conversion des photons les plus énergétiques (> 3.8 eV) en deux photons infrarouges, efficacement absorbés par la cellule solaire.

 

 
Couche dopée pour renforcer l'efficacité des cellules photovoltaïque silicium

Schéma d'une cellule photovoltaïque silicium avec une couche antiréfléchissante dopée permettant la conversion des photons les plus énergétiques.

Il existe actuellement une véritable concurrence économique internationale pour développer des solutions stratégiques à fort impact socio-économique afin de gérer notre indépendance énergétique ainsi que notre production de gaz à effet de serre. L'une de ces solutions concerne la production de futures cellules solaires à faible coût ayant une efficacité de conversion élevée, avec l'objectif d'atteindre des coûts de production inférieurs à 0,5 € / W en 2030 en Europe. C'est dans ce contexte que des chercheurs de l’équipe Nanostructures Intégrées pour la Microélectronique et la Photonique (NIMPH) du laboratoire CIMAP à Caen ont développé une nouvelle couche à conversion de fréquence totalement compatible avec les contraintes de production actuelles de l’industrie photovoltaïque.

Les cellules solaires à base Si poly- ou mono-cristallin actuellement les plus utilisées souffrent d’un rendement de conversion faible pour les photons énergétiques (230 - 500 nm) du spectre solaire. Dans le cadre du projet HOFELI (coucHe à cOnversion de FrÉquence à base de nanoparticuLes de sIlicium) soutenu par la DSM via l’appel à projet DSM/Energie, des chercheurs de l’équipe NIMPH ont proposé une approche totalement compatible avec la technologie de fabrication des cellules solaires puisqu’elle concerne une optimisation de la couche antireflet existante. Le procédé mis au point permet de convertir, avec un fort rendement quantique (190%), un photon énergétique en deux photons infrarouges qui seront ensuite absorbés par la cellule solaire. Cette nouvelle génération de couche à conversion est très prometteuse pour permettre une augmentation de l’efficacité de conversion des cellules solaires à base de Silicium.

 
Couche dopée pour renforcer l'efficacité des cellules photovoltaïque silicium

Schéma de conversion des photons les plus énergétiques entre 3.8 et 4.8 eV : absorbés par la couche anti-reflet, l'énergie est absorbée par les ions Tb3+, puis répartie par l'excitation des ions Yb3+.

Les couches synthétisées au cours de ce projet sont des couches de Si3N4 enrichies en silicium et dopées avec le couple d’ions Tb3+-Yb3+. La faible section efficace d’absorption des ions Tb3+ est compensée par l’ajout d’atome de silicium en excès dans la matrice nitrurée qui favorise la présence de défauts radiatifs jouant le rôle de sensibilisateurs efficaces des ions terre rare. Le rendement quantique obtenu dans de tels systèmes est de 190%. Une estimation de l’efficacité qui peut être attendue de telles couches déposées sur une cellule solaire révèle une efficacité quantique externe additionnelle pouvant atteindre 2%.

Ce projet DSM/ENERGIE-HOFELI a abouti au développement de couches minces très prometteuses répondant aux besoins actuels d’amélioration de l’efficacité des cellules dans un souci de budget maîtrisé. Ces premiers résultats ont permis d’obtenir un Projet ANR-Blanc appelé GENESE coordonné par le CIMAP (F. Gourbilleau) et qui débutera le 1er janvier 2014 avec l’IEMN et le CEMES comme partenaires. Ce projet GENESE propose une approche originale pour permettre la conversion de la lumière en utilisant une combinaison de sensibilisateurs efficaces d'ions terre rare couplés à une nanostructuration du substrat.

 

Référence :

Highly efficient infrared quantum cutting in Tb3+- Yb3+ codoped silicon oxynitride for Solar Cell Applications,
Y-T An, C. Labbé, J. Cardin, M. Morales, F. Gourbilleau. Adv. Optical Mater. 1(11) (2013) 855.

Contacts CIMAP :

 

Maj : 19/12/2013 (2272)

 

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