Nouveau record de cellules solaires – Nouveau record de cellules solaires

Publié le : 10 août 2020 / Mise à jour à partir du : 17 août 2020 - Auteur : Konrad Wolfenstein

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Des rendements plus élevés en tandem – nouveau record de cellules solaires

La recherche photovoltaïque travaille dur pour accroître encore l’efficacité des cellules solaires. L'accent est de plus en plus mis sur le photovoltaïque tandem, dans lequel des matériaux de cellules solaires puissants sont réunis dans différentes combinaisons afin d'utiliser le spectre solaire encore plus efficacement lors de la conversion de la lumière en énergie électrique. Fraunhofer ISE a désormais enregistré un nouveau record d'efficacité de 25,9 % pour une cellule solaire tandem III-V/Si cultivée directement sur silicium. Celui-ci a été fabriqué pour la première fois sur un substrat de silicium économique – une étape importante sur la voie de solutions économiques pour le photovoltaïque tandem.

Plusieurs cellules solaires tandem III-V sur substrat de silicium d'un diamètre de 10 cm - © Fraunhofer ISE - Photo : Markus Feifel

L'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE travaille depuis de nombreuses années sur plusieurs cellules solaires, dans lesquelles deux ou trois sous-cellules sont disposées les unes sur les autres pour convertir différentes longueurs d'onde de la lumière solaire en électricité. Le silicium convient comme absorbeur pour la partie infrarouge du spectre et est recouvert de couches de semi-conducteurs III-V de quelques micromètres d'épaisseur. Il s'agit de matériaux des groupes III et V du tableau périodique, qui convertissent l'ultraviolet, le visible et la lumière proche infrarouge plus efficacement dans la marche électrique. Les cellules solaires à semi-conducteurs purs III-V sont déjà utilisées dans l’espace et dans le photovoltaïque à concentration. Grâce à des processus plus rentables associés au silicium comme sous-cellule la plus basse, la technologie tandem devrait également être rendue accessible au photovoltaïque au sens large à l'avenir. Mais d’ici là, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir.

25,9 pour cent pour les cellules solaires tandem III-V/Si cultivées directement sur silicium

Il existe différentes approches pour créer des combinaisons de cellules solaires III-V et silicium. Depuis 2019, Fraunhofer ISE détient le record mondial d'efficacité de 34,1 pour cent (maintenant 34,5 pour cent) pour une cellule solaire tandem dans laquelle les couches semi-conductrices III-V sont transférées d'un substrat d'arséniure de gallium au silicium, les couches passant à travers un ainsi -appelés wafer -Bond sont connectés. Cette technologie est efficace mais coûteuse. Fraunhofer ISE travaille donc depuis de nombreuses années sur des procédés de fabrication plus directs dans lesquels les couches III-V sont déposées ou épitaxialisées sur une cellule solaire en silicium. Il est crucial de maintenir une qualité cristalline élevée dans toutes les couches – un défi majeur. Un nouveau record mondial d'efficacité de 25,9 % a désormais été atteint pour une telle cellule solaire tandem III-V/Si cultivée directement sur silicium. Markus Feifel, scientifique du Fraunhofer ISE, a récemment pu présenter son succès lors de la 47e conférence des spécialistes du photovoltaïque de l'IEEE, qui, comme de nombreuses conférences, se déroule actuellement en ligne, et a reçu le prix étudiant dans la catégorie des cellules solaires hybrides en tandem. "La structure interne complexe de la cellule n'est pas visible de l'extérieur car tous les absorbeurs sont reliés entre eux et électriquement reliés par des couches de cristaux supplémentaires", explique le jeune chercheur en cellules solaires, qui a fait passer le résultat de ses travaux de 24,3 à 25,9 en moins d’un an pour cent pourrait s’améliorer. "Ce succès a été obtenu en remplaçant une seule couche mince au sein des cellules multiples", explique-t-il plus loin. "Une analyse minutieuse de nos cellules a révélé que cette couche créait une barrière à la conduction électrique."

Les chercheurs du Fraunhofer développent la technologie par petites étapes depuis 2007 en collaboration avec la TU Ilmenau, Philipps Univ. Marburg et la société Aixtron, des systèmes d'épitaxie spéciaux ont été mis en place et chaque couche de la structure a été examinée. Ces développements ont été financés par le ministère fédéral de la Recherche BMBF dans le cadre des projets « III-V-Si » et « MehrSi ». Un point fort de la nouvelle cellule solaire tandem est que les couches III-V n'ont pas été cultivées sur un substrat poli chimico-mécanique, comme c'était le cas auparavant, mais sur une plaquette de silicium qui, après avoir scié le cristal au cours d'un processus simple utilisant uniquement les processus de meulage et de gravure peu coûteux ont été traités. Dans le cadre du projet européen « SiTaSol », la société danoise Topsil a développé ces plaquettes de silicium, franchissant ainsi une étape importante vers une production économique de nouvelles cellules solaires à jonctions multiples. À l'avenir, l'objectif sera d'augmenter encore l'efficacité et de déposer les couches encore plus rapidement, avec un débit plus élevé et donc de manière plus rentable, dans le but que le photovoltaïque tandem apporte une contribution importante au photovoltaïque nécessaire à la transition énergétique - peut réaliser une expansion.

Une technologie clé pour la transition énergétique

L’électricité produite à partir de cellules solaires est désormais la forme de production d’énergie la moins chère dans de nombreuses régions du monde. "La recherche photovoltaïque européenne a de nombreux concepts en cours pour développer davantage l'efficacité de cette technologie clé pour la transition énergétique", déclare le professeur Dr. Stefan Glunz, responsable du secteur photovoltaïque – Recherche. « Nous travaillons non seulement à rendre la production de cellules solaires en silicium encore plus durable et rentable, mais nous explorons en même temps de nouvelles façons d'utiliser le silicium éprouvé en combinaison avec d'autres matériaux semi-conducteurs pour obtenir des rendements encore plus élevés. Nous pouvons y parvenir grâce au photovoltaïque tandem. « Le photovoltaïque tandem ouvre non seulement la voie à l'avenir de la production d'électricité, mais ces cellules solaires - en raison de leur tension plus élevée - sont également idéales pour l'électrolyse, la décomposition directe de l'eau en hydrogène et oxygène. Cette technologie contribue donc également à la production d’hydrogène en tant que dispositif de stockage d’énergie et élément important de la transition énergétique.

Structure en couches de la cellule solaire à jonctions multiples III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Structure en couches de la cellule solaire multi-jonctions III-V/Si, efficacité quantique et caractéristiques IV dans des conditions spectrales AM 1,5g

Des rendements plus élevés en tandem – nouveau record de cellules solaires

La recherche photovoltaïque travaille dur pour augmenter continuellement l’efficacité des cellules solaires. L'accent est de plus en plus mis sur le photovoltaïque tandem, dans lequel des matériaux de cellules solaires hautes performances sont réunis dans diverses combinaisons afin d'utiliser le spectre solaire encore plus efficacement pour convertir la lumière en énergie électrique. Fraunhofer ISE rapporte désormais un nouveau rendement record de 25,9 pour cent pour une cellule solaire tandem III-V/Si cultivée directement sur silicium. Pour la première fois, celui-ci a été produit sur un substrat de silicium à faible coût – une étape importante sur la voie de solutions économiques pour le photovoltaïque tandem.

Plusieurs cellules solaires tandem III-V sur un substrat de silicium de 10 cm de diamètre – © Fraunhofer ISE – Photo : Markus Feifel

L'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE travaille depuis de nombreuses années sur des cellules solaires à multi-jonctions dans lesquelles deux ou trois cellules partielles sont disposées les unes au-dessus des autres pour convertir différentes longueurs d'onde de la lumière solaire en électricité. Le silicium convient comme absorbeur pour la partie infrarouge du spectre et les couches de semi-conducteurs III-V, matériaux des groupes III et V du tableau périodique, qui convertissent plus efficacement la lumière ultraviolette, visible et proche infrarouge en électricité déposée sur en haut. Les cellules solaires à semi-conducteurs purs III-V sont déjà utilisées dans l’espace et dans le photovoltaïque à concentration. Grâce à des processus plus rentables en combinaison avec le silicium comme sous-cellule la plus basse, la technologie tandem doit être rendue accessible à l'avenir pour le photovoltaïque à grande échelle. Mais d’ici là, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir.

25,9 pour cent pour les cellules solaires tandem III-V/Si cultivées directement sur silicium

Il existe différentes approches pour produire des combinaisons de cellules solaires III-V et silicium. Par exemple, depuis 2019, Fraunhofer ISE détient le record mondial d'efficacité de 34,1 % (maintenant 34,5 %) pour une cellule solaire tandem dans laquelle les couches semi-conductrices III-V sont transférées d'un substrat d'arséniure de gallium au silicium, les couches étant connectées. par ce qu'on appelle un lien de plaquette. Cette technologie est efficace mais coûteuse. C'est pour cette raison que Fraunhofer ISE travaille depuis de nombreuses années sur des procédés de fabrication plus directs dans lesquels les couches III-V sont déposées ou épitaxiées sur une cellule solaire en silicium. Ici, il est crucial de maintenir une qualité cristalline élevée dans toutes les couches – un défi majeur. Un nouveau record mondial d'efficacité de 25,9 % a désormais été atteint pour une telle cellule solaire tandem III-V/Si cultivée directement sur silicium. Markus Feifel, scientifique du Fraunhofer ISE, a récemment pu présenter son succès lors de la 47e conférence des spécialistes du photovoltaïque de l'IEEE, qui, comme de nombreuses conférences actuellement, se tient en ligne, et a reçu le prix étudiant dans la catégorie Cellules solaires tandem hybrides. « De l'extérieur, la structure interne complexe de la cellule n'est pas visible, car tous les absorbeurs sont reliés entre eux par des couches de cristaux supplémentaires et câblés électriquement », explique le jeune chercheur en cellules solaires, qui a ainsi pu améliorer le résultat de ses travaux. travail de 24,3 à 25,9 pour cent en moins d’un an. « Ce succès a été obtenu en remplaçant une seule couche mince au sein de plusieurs cellules », poursuit-il. "Une analyse minutieuse de nos cellules a révélé que cette couche créait une barrière pour la ligne électrique."

À petites étapes, les chercheurs du Fraunhofer développent la technologie depuis 2007 en collaboration avec l'Université technique d'Ilmenau, Philipps Univ. Marburg et la société Aixtron, mettant en place un équipement spécial d'épitaxie et examinant chaque couche de la structure. Ces développements ont été financés par le ministère fédéral allemand de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) dans le cadre des projets « III-V-Si » et « MehrSi ». Un point fort de la nouvelle cellule solaire tandem est que les couches III-V n'ont pas été cultivées sur un substrat poli chimiquement et mécaniquement comme c'était le cas auparavant, mais sur une plaquette de silicium qui, après avoir scié le cristal, a été traitée selon un processus simple. en utilisant uniquement des procédés de meulage et de gravure peu coûteux. Dans le cadre du projet européen « SiTaSol », la société danoise Topsil a développé ces plaquettes de silicium et a ainsi réalisé une étape importante vers une production économique de nouvelles cellules solaires multi-jonctions. À l'avenir, l'objectif sera d'augmenter encore l'efficacité et également de réaliser le dépôt des couches encore plus rapidement, avec un débit plus élevé et donc de manière plus rentable, dans le but que le photovoltaïque tandem puisse apporter une contribution importante à l'expansion du photovoltaïque. nécessaire à la transition énergétique.

Une technologie clé pour la transformation du système énergétique

Dans de nombreuses régions du monde, l’électricité produite à partir de cellules solaires constitue aujourd’hui la forme de production d’énergie la moins chère. "La recherche photovoltaïque européenne travaille sur de nombreux concepts pour développer davantage l'efficacité de cette technologie clé pour la transition énergétique", déclare le professeur Dr. Stefan Glunz, responsable de la division de recherche photovoltaïque. « Nous travaillons non seulement à rendre la production de cellules solaires en silicium encore plus durable et rentable, mais nous innovons en même temps afin d'amener le silicium éprouvé, en combinaison avec d'autres matériaux semi-conducteurs, à des rendements encore plus élevés. . Nous y parvenons grâce au photovoltaïque tandem. Le photovoltaïque tandem ouvre non seulement la voie à l’avenir de la production d’électricité, mais ces cellules solaires – en raison de leur tension plus élevée – sont également parfaitement adaptées à l’électrolyse, la décomposition directe de l’eau en hydrogène et oxygène. Cette technologie contribue ainsi également à la production d’hydrogène en tant que moyen de stockage d’énergie et élément constitutif important de la transition énergétique.

Structure en couches de la cellule solaire multi-jonctions III-V/Si – © Fraunhofer ISE

Structure en couches de cellule solaire multi-jonction III-V/Si, efficacité quantique et caractéristiques IV dans des conditions spectrales AM 1,5g