BSC – Cellules Solaires Bifaciales : Histoire de la cellule solaire bifaciale ou double surface

Publié le : 22 janvier 2022 / Mise à jour à partir du : 24 février 2023 - Auteur : Konrad Wolfenstein

Histoire de la cellule solaire biface ou à deux surfaces - Image : Xpert.Digital / Sunward Art|Shutterstock.com

Une cellule solaire au silicium a été brevetée pour la première fois par Russell Ohl en 1946 alors qu'il travaillait aux Bell Labs et démontrée publiquement par Fuller, Chapin et Pearson dans le même centre de recherche en 1954 ; Cependant, ces premières propositions concernaient des cellules monofaciales dont l’arrière n’était pas destiné à être actif.

La première cellule solaire biface théoriquement proposée se trouve dans un brevet japonais avec une date de priorité du 4 octobre 1960 par Hiroshi Mori, qui a travaillé pour la société Hayakawa Denki Kogyo Kabushiki Kaisha (Hayakawa Electric Industry Co. Ltd.), qui a ensuite développé dans la Sharp Corporation d'aujourd'hui. La cellule proposée était une structure à double cellule PNP avec des électrodes de contact sur deux bords opposés.

Cependant, les premières démonstrations de cellules et de panneaux solaires bifaciaux ont été réalisées dans le cadre du programme spatial soviétique dans les stations spatiales militaires LEO Salyut 3 (1974) et Salyut 5 (1976). Ces cellules solaires bifaciales ont été développées par Bordina et al. développé et fabriqué au VNIIT (All Union Scientific Research Institute of Energy Sources) à Moscou, devenu le fabricant russe de cellules solaires KVANT en 1975. En 1974, cette équipe dépose un brevet américain proposant les cellules sous forme de mini-tuyaux parallèles d'une taille maximale de 1 mm x 1 mm x 1 mm, connectés en série pour fournir 100 cellules/cm2. Comme pour les BSC actuels, ils ont proposé l'utilisation de composés isotypiques pp+ à proximité de l'une des surfaces réceptrices de lumière. Dans Salyut 3, de petits panneaux expérimentaux d'une surface cellulaire totale de 24 cm2 ont montré une augmentation de la production d'énergie par révolution de satellite due à l'albédo terrestre jusqu'à 34 % par rapport aux panneaux monofaciaux de l'époque. Lors du vol de la station spatiale Salyut 5, un gain de 17 à 45 % a été observé en utilisant des panneaux bifaciaux (0,48 m2 - 40 W).

Parallèlement à ces recherches russes, de l'autre côté du rideau de fer, le laboratoire de semi-conducteurs de l'École d'ingénierie des télécommunications de l'Université technique de Madrid, dirigé par le professeur Antonio Luque, mène de manière indépendante un vaste programme de recherche visant à développer des cellules solaires bifaces. Alors que le brevet de Mori et les prototypes VNIIT-KVANT du vaisseau spatial étaient basés sur de minuscules cellules sans grille métallique à la surface et étaient donc étroitement liés, plus dans le style des dispositifs microélectroniques qu'à leurs débuts, Luque aura deux brevets espagnols. en 1976 et 1977 et une aux États-Unis en 1977, précurseurs des cellules bifaciales modernes. Les brevets de Luque ont été les premiers à proposer des BSC avec une cellule par plaquette de silicium, comme c'était le cas des cellules monofaciales à l'époque et c'est encore le cas aujourd'hui, avec des grilles métalliques sur les deux surfaces. Ils ont considéré à la fois la structure npp+ et les structures pnp.

Le développement des BSC dans le laboratoire des semi-conducteurs a été abordé selon une triple approche, aboutissant à trois thèses de doctorat, rédigées par Andrés Cuevas (1980), Javier Eguren (1981) et Jesús Sangrador (1982), les deux premières supervisées par Luque et le troisième par le Dr. Gabriel Sala du même groupe. Le travail de doctorat de Cuevas consistait en la construction du premier brevet de Luque en 1976, appelé « transcell » en raison de sa structure npn de type transistor. Dans sa thèse, Eguren a abordé la démonstration du deuxième brevet de Luque de 1977 avec un profil de dopage npp+ dans lequel la jonction isotopique pp+ se trouve adjacente à l'arrière de la cellule, créant ce que l'on appelle communément dans la technologie des cellules solaires le « champ de surface arrière » ( BSF). Ces travaux ont donné lieu à plusieurs publications et brevets supplémentaires. En particulier, l'effet bénéfique de la réduction du dopage p dans la base, où la réduction de tension dans la jonction émetteur (jonction pn avant) était compensée par une augmentation de tension dans la jonction isotypique arrière, tout en permettant une diffusion plus élevée. longueur des porteurs minoritaires, ce qui augmente la puissance de sortie avec un éclairage bifacial. La thèse de Sangrador et la troisième voie de développement à l'Université technique de Madrid ont proposé ce que l'on appelle la cellule solaire à jonctions multiples à éclairage vertical, dans laquelle p+nn+ sont empilés et connectés en série et éclairés depuis leurs bords, qui sont des cellules à haute tension. qui ne nécessitent pas de réseau métallique de surface nécessitent la production d’électricité.

En 1979, le laboratoire de semi-conducteurs a été transformé en Institut de l'énergie solaire (IES-UPM), qui, avec Luque comme premier directeur, a poursuivi des recherches intensives sur les cellules solaires bifaciales jusqu'à la première décennie du XXIe siècle. Par exemple, en 1994 , deux étudiants brésiliens diplômés de l'Institut de l'Énergie Solaire, Adriano, ont développé et produit Moehlecke et Izete Zanesco, en collaboration avec Luque, ont développé une cellule solaire bifaciale qui a réalisé 18,1% à l'avant et 19,1% à l'arrière ; un record bifacial de 103 % (à l'époque, l'efficacité record pour les cellules monofaciales était d'un peu moins de 22 %).

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Source *21012022-1