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Univ. Paris-Saclay
10 décembre 2018
Augmentation du rendement de conversion photovoltaïque d'une cellule silicium industrielle par conversion de photons
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Le développement de l’énergie solaire, en compétition avec les autres sources d’énergie décarbonées, demande une recherche continue d’amélioration de l'efficacité de conversion énergétique et une réduction des coûts de production. La technologie silicium, majoritaire dans ce secteur, a ainsi vu les performances de conversion des cellules dépasser les 20% en production industrielle et 26% en laboratoire. Une des principales limitations de ces cellules solaires vient de l’imparfaite adaptation de la sensibilité spectrale de la jonction photovoltaïque avec le spectre solaire. Ainsi, une partie des porteurs de charge photo-générés présentent un excès d’énergie par rapport à l’énergie du gap du silicium, qui est converti en chaleur. Perte supplémentaire, l'échauffement résultant réduit l'efficacité de la cellule. Une solution  proposée pour limiter le phénomène consiste à convertir les photons de la partie la plus énergétique du spectre par absorption,  transfert d’énergie et émission secondaire de photons de moindre énergie.

Dans ce contexte l’équipe NIMPH du CIMAP, en collaboration avec une Université et un industriel de Taiwan, étudie l’intégration de couches minces pour la conversion de fréquence dans des cellules solaires à technologie silicium. Ces couches, à base de nitrure de silicium (SiNx) dopée Terbium/Ytterbium permettent d'obtenir jusqu'à 1.34 % d'efficacité de conversion photovoltaïque supplémentaire.

 
Augmentation du rendement de conversion photovoltaïque d'une cellule silicium industrielle par conversion de photons

Schéma de principe d’une couche à conversion de fréquence (down conversion - DC) utilisée comme couche anti reflet sur une cellule solaire.

Le développement de l’énergie solaire nécessite d’augmenter l’efficacité de conversion photovoltaïque et de réduire les coûts de production. Les cellules à base de silicium, majoritairement utilisée, ont déjà vu leurs performances de conversion dépasser les 20% en production industrielle et les 26% en laboratoire, pour un rendement maximal théorique d'une jonction unique de ~ 31 % du rayonnement solaire total incident. Une des principales limitations de ces cellules solaires silicium vient de l’imparfaite adaptation de leur sensibilité spectrale à celui du spectre solaire [1].. Ainsi, une partie des porteurs de charge photo-générés présente un excès d’énergie par rapport à l’énergie de gap du silicium (Egap=1.1 eV), cet excès étant alors converti en chaleur, par l'excitation de phonons. Au-delà de la conversion d'énergie limitée, ce processus de thermalisation contribue à augmenter la température de la cellule, ce qui tend à réduire son efficacité. Une des solutions technologiques étudiée au CIMAP [2, 3, 4] pour limiter cet effet consiste à convertir les photons les plus énergétiques en photon de moindre énergie, par des processus de conversion. Le mécanisme au sein d'une couche mince dopée par des ions de terre rare, repose sur l’absorption des photons énergétiques, suivi d'un transfert d’énergie électronique, pour obtenir une émission optique aux longueurs d'onde adaptées : les ions Tb3+ dans la matrice SiNx émettent entre 500 et 630 nm, ety les ions Yb3+ à 990 nm.

 
Augmentation du rendement de conversion photovoltaïque d'une cellule silicium industrielle par conversion de photons

Courbes caractéristique courant tension I=f(V) corrigées de la résistance série de trois cellules solaires en silicium cristallin surmontées d’une couche SiNx de référence et de multicouches, SiNx:Yb3+/SiNx:Tb3+. En insert, l'augmentation de courant à tension nulle montre l'augmentation d'efficacité de conversion photovoltaïque pouvant atteindre 1.34%.

Dans ce contexte, l’équipe NIMPH du CIMAP, en collaboration avec une Université et un industriel de Taiwan, mène des travaux visant à l’intégration de couches minces à conversion de fréquence dans des cellules solaires silicium. L'addition d'une couche mince de nitrure de silicium (SiNx) dopée par les ions Terbium (Tb3+) et Ytterbium (Yb3+) permet de réaliser la conversion de fréquence descendante (down conversion) pour les cellules solaires produites par le partenaire industriel de Taiwan. Deux types de couches ont été plus particulièrement étudiées : une première basée sur un film homogène de SiNx dopé Tb3+ et Yb3+, et une autre basée sur une hétérostructure SiN: Tb3+/SiNx :Yb3+. Dans les deux cas les films sont utilisés en remplacement de la couche antireflet de la cellule solaire silicium sous-jacente, et un gain significatif de l’efficacité de conversion photovoltaïque est obtenu, passant de 17.13% pour la couche SiNx à 17.31% pour un dopage Tb3+ et 17.36%  pour le codopage Tb3+–Yb3+.

Un premier procédé d'élaboration [5] de multicouches SiNx:Yb3+/SiNx:Tb3+ par co-pulvérisation cathodique magnétron réactive a été développé pour être compatible avec la technologie d'élaboration des cellules silicium. Un optimum d'émission des ions Yb3+ a pu être atteint par l'ajustement des paramètres de dépôt. Comparé à une couche homogène SiNx:Tb3+‐Yb3+, un rendement d'émission supérieur est même obtenu pour une structure multicouche. Cette plus grande efficacité a pu être expliquée par des simulations de type Monte Carlo, montrant que la structuration en multicouches permet d'augmenter la concentration en espèces luminescentes Tb3+ et Yb3+, sans phénomène d'agrégation des atomes de terre rare, facteur avéré d’extinction de la luminescence. L’intégration d’une telle structure multicouche à conversion de fréquence descendante dans une cellule solaire silicium de type industriel a ainsi été réalisée, avec un gain significatif d’efficacité  de près de 1%.

 
Augmentation du rendement de conversion photovoltaïque d'une cellule silicium industrielle par conversion de photons

Schéma de principe des cellules solaires en silicium cristallin avec des couches de conversion de fréquence comme couche antireflet.

Une seconde approche [6] consiste à déposer des films homogènes contenant à la fois des ions Tb3+et Yb3+ sur une cellule solaire en silicium cristallin monolithique de type industriel, par une méthode peu coûteuse de sérigraphie (screen printing). Les films minces SiNx co-dopés Tb3+et Yb3+ sont déposés comme couche antireflet sur les cellules solaires. Les couches minces SiNx, et SiNx: Tb3+-Yb3+ ont été caractérisées et optimisés pour obtenir une couche antireflet optimum pour les cellules solaires silicium monolithiques. Pour ces cellules une augmentation d'efficacité de conversion photovoltaïque de 1,34 % est alors obtenue.

Ces résultats montrent qu'il est possible d'inclure le dépôt de couches minces à conversion de fréquence dans un processus industriel de production de cellules solaires à base de silicium avec des résultats significatifs et probants. Ces études se poursuivent aujourd'hui dans le cadre du partenariat Franco-Taiwanais du laboratoire : le laboratoire étudie en particulier comment un film mince dopé par des ions de terre rare peut aussi permettre de convertir les photons infrarouges d’énergie inférieure au gap, en photons de plus haute énergie (up-conversion), utilisables par les cellules solaires silicium.

 

Références :

[1] "Fundamental losses in solar cells"
Louise C. Hirst and Nicholas J. Ekins-Daukes, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; 19:286–293 (2010)

[2] "Down-shifting Si-based layer for Si solar applications
Lucile Dumont, Patricio Benzo, Julien Cardin, Ing-Song Yu, Christophe Labbé, Philippe Marie, Christian Dufour, Gregor Zatryb, Arthur Podhorodecki, Fabrice Gourbilleau,
Solar Energy Materials and Solar Cells, 169, 132-144, (2017)

[3] "SiNx:Tb3+–Yb3+, an efficient down-conversion layer compatible with a silicon solar cell process"
Lucile Dumont, Julien Cardin, Patrizio Benzo, Marzia Carrada, Christophe Labbé, Andrea L Richard, David C Ingram, Wojciech M Jadwisienczak, Fabrice Gourbilleau, Solar Energy Materials and Solar Cells, 145, 84-92, (2016)

[4] "Highly Efficient Infrared Quantum Cutting in Tb3+− Yb3+ Codoped Silicon Oxynitride for Solar Cell Applications"
Yong‐Tao An, Christophe Labbé, Julien Cardin, Magali Morales, Fabrice Gourbilleau, Advanced Optical Materials1, 11, 855-862 (2013)

[5] "First down converter multilayers integration in an industrial Si solar cell process"
Lucile Dumont, Julien Cardin, Christophe Labbé, Cédric Frilay, Pierre‐Matthieu Anglade, Ing‐Song Yu, Maxime Vallet, Patrick Benzo, Marzia Carrada, Didier Stiévenard, Hocine Merabet, Fabrice Gourbilleau, Progress in Photovoltaics Research and Applications 1-11, (2018)

[6] "Monolithic crystalline silicon solar cells with SiNx layers doped with Tb3+ and Yb3+ rare-earth ions"
Song Yu, Shao-Chun Wu, Lucile Dumont, Julien Cardin, Christophe Labbé, Fabrice Gourbilleau, Journal of Rare Earths (2018).


 

Contact CEA-IRAMIS : Julien Cardin, CIMAP - UMR 6252/, équipe NIMPH.

Collaboration :

 

Maj : 13/12/2018 (3051)

 

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