Films minces quantum cutter pour cellules solaires:

L’industrie photovoltaïque (PV) connaît depuis quelques années une accélération des investissements de production de cellules et modules photovoltaïques. Actuellement, 95% du marché mondial est basé sur des technologies utilisant comme matériau actif le silicium cristallin (c-Si) ou multicristallin (mc-Si). Les efficacités de conversion maximales de cette classe de cellules dites de 1ère génération sont actuellement de 24.7% (c-Si) et 20.3% (mc-Si).

Générer une fraction significative de la demande énergétique grâce à des cellules PV est un véritable challenge auquel nous devons répondre et qui implique de fortement augmenter le rendement de ces dernières tout en réduisant leur coût de production, le kilowattheure photovoltaïque coûtant actuellement 5 fois plus cher que celui produit par une centrale nucléaire. Pour répondre à ce challenge, de nouvelles technologies encore au stade de concept sont développées avec pour objectif d’obtenir des cellules de 3ème génération à haut rendement. Actuellement, la principale limite au rendement des cellules PV est l’inadéquation entre le spectre du rayonnement solaire incident et le spectre d’absorption de la cellule PV.

L’augmentation du rendement de conversion lumière/courant électrique passe donc par l’adaptation du rayonnement solaire à la sensibilité spectrale des cellules PV. Pour dépasser l’actuelle limite de rendement, deux phénomènes de conversion de fréquence communément appelés « up-conversion » (UC) ou « down-conversion » (DC) peuvent être exploités. Le mécanisme de « up-conversion » a déjà été étudié avec des systèmes à base d’erbium trivalent, mais les gains ainsi obtenus sont restés jusqu’à présent assez modestes. C’est la raison pour laquelle nous allons faire porter nos efforts sur l’augmentation de rendement via la « down-conversion ».

Nous allons développer des matériaux simultanément « convertisseurs de fréquences » et « multiplicateurs de photons » qui pourront être déposés sous forme de couches minces, à la surface de cellules en silicium cristallin. Les processus physiques qui réalisent cette conversion mettent en jeu des ions luminescents et des transferts d’énergie entre ces ions. L’utilisation plus efficace de la partie UV-visible du spectre solaire permet ainsi d’envisager une augmentation significative du rendement des cellules solaires d’au minimum 10%.

Le projet développé vise à déterminer et synthétiser des couples matrices / ions terres rares donnant lieu à une conversion multi-photonique efficace et adaptée aux cellules photovoltaïques silicium. Les travaux porteront sur des oxydes dopés avec des ions tels que le praséodyme, le néodyme, l’erbium, le thulium et l’ytterbium qui seront en charge effectuer la multiplication de photons. Nous seront vraisemblablement amenés à doper également ces couches minces par d’autres ions sièges d’une forte absorption dans le domaine UV-visible (cérium, ions terres rares divalents, ions de transition). De tels processus sont étudiés au LPCML depuis plusieurs années pour des applications de type visualisation et/ou éclairage (luminophores à haut rendement) mais restent totalement inédits dans le domaine du photovoltaïque. L’élaboration de ces matériaux se fera sous forme de couches minces par plusieurs techniques (PLD, sol-gel, CVD atmosphérique). Ces nouveaux matériaux seront mis en œuvre sur des cellules photovoltaïques afin de valider expérimentalement les effets d’amélioration de rendement de ces dernières. Pour cela, nous pourrons nous appuyer sur la plateforme de l’Institut National de l’Energie Solaire (CEA-INES) et la collaboration du Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique (LMGP) ainsi que celle du CEA-LITEN, tous deux de Grenoble. Une PME du Rhône (SunLand 21) et le Laboratoire de Sciences Chimiques (SCR) de Rennes seront également impliqués dans cette recherche.

Les nanocristaux semi-conducteurs sont également de bons candidats pour réaliser cette multiplication de photons car l’absorption d’un photon de haute énergie peut créer plusieurs excitons de basse énergie. Les nitrures de silicium dopés terres rares permettent d’obtenir des nano-cristaux de silicium capables de transférer l’énergie vers les ions dopants comme le néodyme qui émet à 1.17 eV. Cet aspect de la recherche sera mené en collaboration avec l’équipe 2 du LPCML ainsi que de l’Institut Jean Lamour (IJL) de Nancy. Enfin, on notera la versatilité du projet, qui est particulièrement intéressant pour les cellules silicium classiques, mais aussi pour toutes sortes de structures de deuxième et troisième générations. Cette thématique est considérée, à tous les niveaux, comme prioritaire et s’insère dans la politique européenne de développement durable.

 

Cristaux photoniques et conversion de fréquences pour cellules solaires 

Au cours de ces dernières décennies, le développement des nanotechnologies et l’émergence de nouveaux concepts de contrôle de la lumière à l’échelle de la longueur d’onde ont permis d’ouvrir de nouveaux horizons dans le domaine du photovoltaïque. Des solutions issues du domaine de la photonique ont ainsi été proposées, notamment les structures à cristaux photoniques. Un cristal photonique est une structure diélectrique périodique qui, de façon analogue à l’effet d’un cristal sur l’électron, crée une structure de bande des états photoniques accessibles. Aux alentours du centre de la zone de Brillouin, la faible courbure de bande donne lieu à des états quasi-stationnaires, ou modes de Bloch lents, se traduisant par une augmentation de la durée de vie des photons dans une certaine gamme de longueurs d’onde, gamme spectrale déterminée par les paramètres du cristal photonique. Cet effet permet donc d’engendrer une augmentation importante de l’absorption dans une plage de longueurs d’onde désirée.

De nombreux travaux ont été menés, en particulier à l’Institut des Nanotechnoliges de Lyon (INL), dans le but d’augmenter l’absorption du silicium cristallin et amorphe en structurant directement la couche active silicium en tant que cristal photonique. Ces études ont été couronnées de succès, démontrant expérimentalement une augmentation de 50% de l’absorption d’une couche mince en silicium amorphe à l’aide de la structuration, et ce sur l’ensemble de la gamme spectrale entre 300 nm et 750 nm .

L’ensemble des résultats publiés par l’INL sur les améliorations apportées par une structuration en cristal photonique de la couche absorbante dans une cellule photovoltaïque ouvre de nombreuses portes de développement. L’originalité réside dans l'utilisation des effets de confinement de la lumière par un cristal photonique pour augmenter l’absorption d’une couche mince dopée terre-rare (déposée sur l’encapsulant et non directement sur le silicium), dans le but de réaliser de façon efficace le processus de quantum-cutting.

Des matériaux en couches minces convertisseurs de fréquence sont associés avec des cristaux photoniques planaires. Nous sommes donc dans le domaine des cellules photovoltaïques de 3ème génération, avec la nécessité de développer une ingénierie complexe pour maximiser l’absorption et la conversion des photons solaires incidents sur une gamme de longueurs d’onde donnée. L’intégration de ces fonctionnalités se fera sur la base d’architecture de cellules silicium cristallin en couches minces.

La gamme de longueur d’onde à convertir se situe entre 300 nm et 400 nm. L’émission s’effectuera à 980 nm par le biais de l’ion ytterbium, donc au maximum de sensibilité du silicium cristallin.

Le cristal photonique sera conçu afin d’exalter l’absorption dans la gamme 300-400 nm avec une grande acceptante angulaire, tout en restant transparent dans les domaines visible et infrarouge. Il permettra également de contrôler la directivité du rayonnement émis par l’ytterbium vers la cellule.

Financements :

  • Projet AdESIL 2008/2011 - Cluster de Recherche ENERGIES Rhône-Alpes
  • Projet MultiPhot-PV 2010/2012 - ANR HABISOL 2009
  • Projet REPCOP - Labex iMUST 2012

Pour en savoir plus :

 

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