L’équipe NIMPH du CiMAP en collaboration avec une Université et un industriel de Taiwan mène des travaux pour améliorer l’efficacité de l’énergie solaire et réduire ses coûts de production. Leur approche : intégrer des couches minces à conversion de fréquence dans des cellules solaires silicium.
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 [1]. 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 [2, 3, 4]. Dans ce contexte, l’équipe NIMPH du CIMAP, en collaboration avec la « National Dong Hwa University” 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 SiNx : 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.
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 d’efficacité significatif de 17.13% à 17.36%.
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 la faisabilité de l’intégration industriel 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 de notre partenariat Franco-Taiwanais. De plus, nous étudions actuellement la possibilité de faire de la conversion de photon ascendante (up-conversion) par le développement d’un film mince dopé par des ions de terre rare afin de transformer les photons infrarouges d’énergie inférieur au gap en photons convertibles par les cellules solaires à base de Silicium.
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+.
[1] « Fundamental losses in solar cells« , Louise C. Hirst and Nicholas J. Ekins-Daukes, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2011; 19:286–293 (2010), doi.org/10.1002/pip.1024
[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), doi.org/10.1016/j.solmat.2017.05.011,
[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), doi.org/10.1016/j.solmat.2015.09.031
[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), doi.org/10.1002/adom.201300186
[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), doi.org/10.1002/pip.3071
[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), doi.org/10.1016/j.jre.2018.07.014
Contact CIMAP-ENSICAEN : Julien Cardin, CIMAP – UMR 6252/, équipe NIMPH.
Collaboration :
- Ing-Song Yu, Shao-Chun Wu, Department of Materials Science and Engineering, National Dong Hwa University, Hualien 97401, Taiwan
- Marzia Carrada, Maxime Vallet, Patrick Benzo, CEMES CNRS, 29 rue Jeanne Marvig, Toulouse, France
- Didier Stiévenard, Physique des Nanostructures et des Composants Quantiques, IEMN, UMR8520, Université de Lille1, Villeneuve d’Ascq Cedex, France