FR3135349A1 - Multi-junction hot carrier solar cells - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un nouveau type de cellule solaire, également appelée cellule photovoltaïque. Plus précisément, la présente invention concerne une cellule solaire multi-jonctions comportant par ailleurs une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une telle cellule solaire. La présente invention concerne aussi l’utilisation d’une telle cellule solaire pour des applications photovoltaïques.The present invention relates to a new type of solar cell, also called a photovoltaic cell. More specifically, the present invention relates to a multi-junction solar cell further comprising an upper junction of the hot carrier solar cell type. The present invention also relates to a method of manufacturing such a solar cell. The present invention also relates to the use of such a solar cell for photovoltaic applications.
Description
La présente invention concerne un nouveau type de cellule solaire, également appelée cellule photovoltaïque. Plus précisément, la présente invention concerne une cellule solaire multi-jonctions comportant par ailleurs une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une telle cellule solaire. La présente invention concerne aussi l’utilisation d’une telle cellule solaire pour des applications photovoltaïques.The present invention relates to a new type of solar cell, also called a photovoltaic cell. More specifically, the present invention relates to a multi-junction solar cell further comprising an upper junction of the hot carrier solar cell type. The present invention also relates to a method of manufacturing such a solar cell. The present invention also relates to the use of such a solar cell for photovoltaic applications.
A ce jour, les cellules solaires approchent leur efficacité théorique maximale qui est 33 % de l'efficacité de conversion de puissance sous rayonnement 1-soleil (1000 W/m2et température de la cellule standard à 25ºC), également appelée limite de Shockley-Queisser (SQ). Une approche décrite dans la littérature pour augmenter l’efficacité des cellules solaires consiste à empiler plusieurs jonctions, également appelées sous-cellules, chaque jonction étant constituée d'un empilement de différentes couches semi-conductrices formant une jonction PN. Les jonctions PN de chaque sous-cellule sont formées de façon à présenter chacune une énergie de bande interdite différente. Chaque sous-cellule absorbe ainsi une portion réduite du spectre solaire mais avec un rendement élevé. Il en résulte un rendement global accru d'une telle cellule solaire par rapport à une cellule solaire à jonction unique, par exemple en silicium. De telles cellules solaires sont appelées cellules solaires multi-jonctions (MJSC) ou structure en tandem, où une jonction supérieure (ou sous-cellule supérieure) est ajoutée à une jonction inférieure (ou sous-cellule inférieure), permettant une meilleure récolte de photons à haute énergie. Tel que cela est décrit dans les articles de Greenet al.(Prog. Photovoltaics, 2021) et Geiszet al.(Nat. Energy, 2020), de telles cellules solaires multi-jonctions permettent d’augmenter considérablement l’efficacité jusqu’à 47,1% (lumière concentrée, cellules comportant 6 jonctions). Il s’agit actuellement du record absolu de rendement de conversion obtenu pour une cellule photovoltaïque, toutes technologies confondues.To date, solar cells are approaching their maximum theoretical efficiency which is 33% of the power conversion efficiency under 1-sun irradiation (1000 W/m 2 and standard cell temperature at 25ºC), also called Shockley limit -Queisser (SQ). One approach described in the literature to increase the efficiency of solar cells involves stacking multiple junctions, also called sub-cells, with each junction consisting of a stack of different semiconductor layers forming a PN junction. The PN junctions of each subcell are formed to each have a different bandgap energy. Each sub-cell thus absorbs a reduced portion of the solar spectrum but with high efficiency. This results in an increased overall efficiency of such a solar cell compared to a single junction solar cell, for example made of silicon. Such solar cells are called multi-junction solar cells (MJSC) or tandem structure, where a top junction (or top sub-cell) is added to a bottom junction (or bottom sub-cell), allowing for better photon harvesting high energy. As described in the articles by Green et al. (Prog. Photovoltaics, 2021) and Geisz et al. (Nat. Energy, 2020), such multi-junction solar cells can significantly increase efficiency up to 47.1% (concentrated light, cells with 6 junctions). This is currently the absolute record for conversion efficiency obtained for a photovoltaic cell, all technologies combined.
Atteindre de tels rendements nécessite une parfaite adaptation de courant entre les jonctions lorsqu’elles sont en série, c'est-à-dire une combinaison de bandes interdites pour chaque sous-cellule. Cette combinaison de cellules en séries (intégration monolithique) est le choix majoritaire pour les applications industrielles, pour des questions de coût et de simplicité de mise en œuvre. Identifier des matériaux avec la bonne combinaison de bandes interdites qui peuvent être empilés ensemble reste un défi technologique. De plus, le gain d'efficacité devient de plus en plus petit à mesure que le nombre de jonctions augmente, tandis que le dispositif devient plus coûteux et plus sensible aux variations spectrales. Dans ce contexte, des technologies alternatives sont explorées avec pour objectif d’atteindre de meilleures efficacités.Achieving such efficiencies requires perfect current matching between the junctions when they are in series, i.e. a combination of band gaps for each sub-cell. This combination of cells in series (monolithic integration) is the majority choice for industrial applications, for reasons of cost and simplicity of implementation. Identifying materials with the right combination of bandgaps that can be stacked together remains a technological challenge. Additionally, the efficiency gain becomes smaller and smaller as the number of junctions increases, while the device becomes more expensive and more sensitive to spectral variations. In this context, alternative technologies are being explored with the aim of achieving better efficiencies.
Une caractéristique commune à toutes les cellules solaires actuelles est que les photons solaires (des longueurs d'onde UV à IR) qui ont une énergie supérieure à la bande interdite du semi-conducteur génèrent des paires électron-trou, ou excitons, avec une énergie supérieure à celle de la bande interdite. A la suite d’interactions porteur-porteur très rapides, ces porteurs s’équilibrent suivant une distribution de Fermi-Dirac dont la température est supérieure à la température de réseau du matériau, d’où leur nom de "porteurs chauds". Dans des cellules solaires conventionnelles, cette énergie, qui est sous forme cinétique, est rapidement (sur des échelles de temps inférieures à la picoseconde) dissipée sous la forme de chaleur dans le cristal. Bien que Shockley et Queisser aient calculé l'efficacité thermodynamique maximale théorique à environ 31-33% avec une bande interdite optimale entre environ 1,1 eV et 1,4 eV (Shockleyet al., J. Appl. Phys. 1961), il a ensuite été démontré que des rendements de conversion supérieurs pouvaient être atteints si l'énergie excédentaire des porteurs chauds était exploitée avant leur refroidissement à la température du réseau. Une approche consiste à extraire ces porteurs chauds avant qu’ils ne refroidissent. Ces cellules sont appelées cellules solaires à porteurs chauds (HCSC).A common feature of all current solar cells is that solar photons (from UV to IR wavelengths) that have energy above the semiconductor bandgap generate electron-hole pairs, or excitations, with higher energy greater than that of the forbidden band. Following very rapid carrier-carrier interactions, these carriers equilibrate according to a Fermi-Dirac distribution whose temperature is higher than the lattice temperature of the material, hence their name "hot carriers". In conventional solar cells, this energy, which is in kinetic form, is rapidly (on sub-picosecond time scales) dissipated as heat within the crystal. Although Shockley and Queisser calculated the theoretical maximum thermodynamic efficiency to be around 31-33% with an optimal band gap between around 1.1 eV and 1.4 eV (Shockley et al. , J. Appl. Phys. 1961), it was then demonstrated that higher conversion efficiencies could be achieved if the excess energy of the hot carriers was harnessed before their cooling to lattice temperature. One approach is to extract these hot carriers before they cool. These cells are called hot carrier solar cells (HCSC).
Les cellules solaires à porteurs chauds sont décrites dans la littérature. Notamment, le document brevet WO2018/021966 (Nanyang University) décrit une cellule solaire à porteurs chauds ayant pour objectif de ralentir le refroidissement des porteurs chauds. Une telle cellule comprend une couche comprenant un ou plusieurs nanocristaux, chacun desdits un ou plusieurs nanocristaux comprenant un matériau pérovskite halogénure ; une première électrode en contact avec un premier côté de la couche contenant des nanocristaux ; et une seconde électrode en contact avec un second côté de la couche contenant des nanocristaux opposé au premier côté ; dans lequel la couche contenant des nanocristaux a une épaisseur inférieure à 100 nm.Hot carrier solar cells are described in the literature. In particular, patent document WO2018/021966 (Nanyang University) describes a solar cell with hot carriers whose objective is to slow down the cooling of the hot carriers. Such a cell comprises a layer comprising one or more nanocrystals, each of said one or more nanocrystals comprising a halide perovskite material; a first electrode in contact with a first side of the layer containing nanocrystals; and a second electrode in contact with a second side of the nanocrystal-containing layer opposite the first side; in which the layer containing nanocrystals has a thickness of less than 100 nm.
Le développement de telles cellules solaires à porteurs chauds est néanmoins limité du fait que le taux de thermalisation dans les matériaux utilisés est trop rapide pour atteindre des populations de porteurs chauds, même sous un rayonnement solaire concentré. L’utilisation d’absorbeurs ultrafins pourrait constituer une solution, dans la mesure où ces absorbeurs ultrafins ont un taux de thermalisation significativement inférieur. Néanmoins, de tels absorbeurs ne peuvent pas absorber efficacement les photons de basse énergie proches de la bande interdite, ce qui limite leur efficacité.The development of such hot carrier solar cells is nevertheless limited because the thermalization rate in the materials used is too fast to reach populations of hot carriers, even under concentrated solar radiation. The use of ultrathin absorbers could be a solution, as these ultrathin absorbers have a significantly lower thermalization rate. However, such absorbers cannot effectively absorb low energy photons close to the bandgap, which limits their effectiveness.
Un objet de la présente invention est de proposer une cellule présentant un haut rendement de conversion, y compris avec des taux de thermalisation relativement élevés par rapport aux cellules HCSC classiques, notamment à forte concentration. Un autre objet est de la présente invention est de proposer une cellule solaire apte à absorber une large gamme du spectre solaire.An object of the present invention is to provide a cell having a high conversion efficiency, including with relatively high thermalization rates compared to conventional HCSC cells, particularly at high concentration. Another object of the present invention is to provide a solar cell capable of absorbing a wide range of the solar spectrum.
Dans le cadre de la présente invention :
In the context of the present invention:
- l’expression “compris entre … et …” (par exemple, une plage de valeurs) doit être entendue comme incluant les limites (par exemple, les valeurs limites de cette plage de valeurs) ;
- the expression “between… and…” (for example, a range of values) must be understood as including the limits (for example, the limit values of this range of values);
- toute description en lien avec un mode de réalisation est applicable et interchangeable avec l’ensemble des autres modes de réalisation de l’invention ; et
- any description relating to an embodiment is applicable and interchangeable with all other embodiments of the invention; And
- lorsqu'un élément ou un composant est inclus dans et/ou sélectionné dans une liste d'éléments ou de composants, il doit être compris que cet élément ou composant individuel peut être sélectionné et combiné avec d’autres éléments individuels, ou peut être sélectionné pour constituer un sous-groupe de deux ou plusieurs éléments ou composants explicitement énumérés ; également, tout élément ou composant cité dans une liste d'éléments ou de composants peut être omis de cette liste.- where an element or component is included in and/or selected from a list of elements or components, it should be understood that this individual element or component may be selected and combined with other individual elements, or may be selected to constitute a subgroup of two or more explicitly listed elements or components; also, any item or component cited in a list of items or components may be omitted from that list.
Un premier objet de la présente invention concerne une cellule solaire multi-jonctions à porteurs chauds (HCMJSC), comprenant :
- au moins une jonction inférieure ; et
- au moins une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC), comprenant :
A first object of the present invention relates to a hot carrier multi-junction solar cell (HCMJSC), comprising:
- at least one lower junction; And
- at least one upper junction of the hot carrier solar cell (HCSC) type, comprising:
- au moins une couche contact choisie parmi :
- at least one contact layer chosen from:
a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou
a/ an electron contact layer, whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and/or
b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a hole contact layer, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
La cellule solaire de la présente invention repose sur la combinaison d’au moins deux jonctions distinctes, encore appelées sous-cellules distinctes, dont l’une de ces jonctions est de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC), cette dernière étant positionnée comme jonction supérieure. La combinaison de ces deux sous-cellules, ou jonctions, permet de proposer un équipement permettant d’absorber un large spectre solaire et avec un haut rendement de conversion, notamment à forte concentration. La jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC) peut notamment être d’épaisseur fine ou ultrafine, ce qui permet d’éviter l'absorption optique parasite, facilite la compatibilité structurelle et réduit les coûts de matière. Une cellule ultrafine est plus tolérante aux radiations pour les applications spatiales. Elle présente par ailleurs une bonne adaptation de courant et présente une compatibilité structurelle avec le dispositif sous-jacent. La combinaison de la jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds permet donc d'améliorer l'efficacité globale de la cellule solaire sans dégrader les performances de la (ou les) jonction(s) inférieure(s).The solar cell of the present invention is based on the combination of at least two distinct junctions, also called distinct sub-cells, one of these junctions of which is of the hot carrier solar cell (HCSC) type, the latter being positioned as upper junction. The combination of these two sub-cells, or junctions, makes it possible to offer equipment capable of absorbing a broad solar spectrum and with high conversion efficiency, particularly at high concentrations. The top junction of the hot carrier solar cell (HCSC) type can notably be thin or ultrathin, which avoids parasitic optical absorption, facilitates structural compatibility and reduces material costs. An ultrathin cell is more tolerant of radiation for space applications. It also has good current adaptation and has structural compatibility with the underlying device. The combination of the upper junction of the hot carrier solar cell type therefore makes it possible to improve the overall efficiency of the solar cell without degrading the performance of the lower junction(s).
De manière générale, dans le cadre de la présente invention, les bandes interdites des absorbeurs peuvent être directes ou indirectes pour les jonctions supérieures comme inférieures.Generally speaking, in the context of the present invention, the band gaps of the absorbers can be direct or indirect for both the upper and lower junctions.
La jonction supérieure HCSC permet de ralentir la vitesse de refroidissement des porteurs pour permettre aux porteurs chauds d'être collectés alors qu'ils sont encore à des énergies élevées ("chauds"), permettant ainsi d'obtenir des tensions plus élevées dans la jonction.The HCSC top junction allows the rate of carrier cooling to be slowed to allow hot carriers to be collected while they are still at high energies ("hot"), thus allowing higher voltages to be achieved in the junction .
La jonction (ou sous-cellule) supérieure de type HCSC est également appelée dans le cadre de la présente invention jonction chaude (ou sous-cellule chaude), tandis que la jonction inférieure est appelée jonction froide (ou sous-cellule froide).The upper junction (or sub-cell) of the HCSC type is also called in the context of the present invention hot junction (or hot sub-cell), while the lower junction is called cold junction (or cold sub-cell).
Par « couche contact électron », on entend une couche contact visant à extraire les électrons. La couche contact électron de la cellule HCMJSC selon l’invention peut être dopée n. Par « couche contact trou », on entend une couche contact visant à extraire les trous. La couche contact trou de la cellule HCMJSC selon l’invention peut être dopée p. Le rôle des deux couches contact de la jonction supérieure HCSC est d'assurer que les électrons et trous sont extraits séparément. Le dopage est une des manières possibles d'assurer cette extraction sélective.By “electron contact layer”, we mean a contact layer aimed at extracting electrons. The electron contact layer of the HCMJSC cell according to the invention can be n-doped. By “hole contact layer”, we mean a contact layer aimed at extracting the holes. The hole contact layer of the HCMJSC cell according to the invention can be p-doped. The role of the two contact layers of the upper HCSC junction is to ensure that electrons and holes are extracted separately. Doping is one of the possible ways of ensuring this selective extraction.
La cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend au moins une couche contact, également appelée couche fenêtre, choisie parmi :
The HCMJSC cell according to the present invention is such that the upper HCSC junction comprises at least one contact layer, also called window layer, chosen from:
a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou
a/ an electron contact layer, whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and/or
b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a hole contact layer, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
Selon un mode de réalisation, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend au moins deux couches contact, plus particulièrement une couche contact électron et une couche trou, dont au moins une est choisie parmi :
According to one embodiment, the HCMJSC cell according to the present invention is such that the upper HCSC junction comprises at least two contact layers, more particularly an electron contact layer and a hole layer, at least one of which is chosen from:
a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou
a/ an electron contact layer, whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and/or
b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a hole contact layer, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
Selon un mode de réalisation préféré, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend deux couches contact :
According to a preferred embodiment, the HCMJSC cell according to the present invention is such that the upper HCSC junction comprises two contact layers:
a/ une couche contact électron, préférentiellement dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et
a/ an electron contact layer, preferably whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and
b/ une couche contact trou, préférentiellement dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a hole contact layer, preferably whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
Selon un autre mode de réalisation, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend au moins deux couches contact, plus particulièrement une couche contact électron dopée n et une couche trou dopée p, dont au moins une est choisie parmi :
According to another embodiment, the HCMJSC cell according to the present invention is such that the upper HCSC junction comprises at least two contact layers, more particularly an n-doped electron contact layer and a p-doped hole layer, at least one of which is chosen from :
a/ une couche contact électron dopée n, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou
a/ an n-doped electron contact layer, whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and/or
b/ une couche contact trou dopée p, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a p-doped hole contact layer, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
Ainsi, la cellule HCMJSC selon la présente invention peut être telle qu’elle comprend selon un premier mode de réalisation :
Thus, the HCMJSC cell according to the present invention can be such that it comprises, according to a first embodiment:
a/ une couche contact électron dopée n, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et
a/ an n-doped electron contact layer, whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and
b/ une couche contact trou dopée p.b/ a p-doped hole contact layer.
Selon ce premier mode de réalisation, la bande de valence de la couche contact trou est quelconque, notamment elle est supérieure ou égale à la bande de valence de l’absorbeur.According to this first embodiment, the valence band of the hole contact layer is arbitrary, in particular it is greater than or equal to the valence band of the absorber.
Selon un deuxième mode de réalisation, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle qu’elle comprend :
According to a second embodiment, the HCMJSC cell according to the present invention is such that it comprises:
a/ une couche contact électron dopée n, et
a/ an n-doped electron contact layer, and
b/ une couche contact trou dopée p, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a p-doped hole contact layer, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
Selon ce deuxième mode de réalisation, la bande de conduction de la couche contact trou est quelconque, notamment elle est inférieure ou égale à la bande de valence de l’absorbeur.According to this second embodiment, the conduction band of the hole contact layer is arbitrary, in particular it is less than or equal to the valence band of the absorber.
De préférence, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle qu’elle comprend les deux couches contact suivantes :
Preferably, the HCMJSC cell according to the present invention is such that it comprises the following two contact layers:
a/ une couche contact électron, qui peut être dopée n, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et
a/ an electron contact layer, which may be n-doped, whose conduction band is greater than the conduction band of the absorber, and
b/ une couche contact trou, qui peut être dopée p, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.b/ a hole contact layer, which can be p-doped, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
Selon un mode de réalisation, la jonction supérieure HCSC est telle qu’elle comprend au moins une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur. Par exemple, la bande de conduction de la couche contact électron est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur d’au moins 20 meV, au moins 30 meV, au moins 40 meV, au moins 50 meV ou au moins 60 meV de préférence au moins 20 meV, plus préférentiellement au moins 60 meV.According to one embodiment, the upper HCSC junction is such that it comprises at least one electron contact layer, the conduction band of which is greater than the conduction band of the absorber. For example, the conduction band of the electron contact layer is greater than the conduction band of the absorber by at least 20 meV, at least 30 meV, at least 40 meV, at least 50 meV or at least 60 meV of preferably at least 20 meV, more preferably at least 60 meV.
Selon un autre mode de réalisation, la jonction supérieure HCSC est telle qu’elle comprend au moins une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur. Par exemple, la bande de valence de la couche contact trou est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur d’au moins 20 meV, au moins 30 meV, au moins 40 meV, au moins 50 meV ou au moins 60 meV, de préférence au moins 20 meV, plus préférentiellement au moins 60 meV.According to another embodiment, the upper HCSC junction is such that it comprises at least one hole contact layer, the valence band of which is lower than the valence band of the absorber. For example, the valence band of the hole contact layer is lower than the valence band of the absorber by at least 20 meV, at least 30 meV, at least 40 meV, at least 50 meV or at least 60 meV, preferably at least 20 meV, more preferably at least 60 meV.
Les valeurs des bandes de conduction et de valence peuvent notamment être évaluées par photo spectroscopie UV, également appelée spectrométrie photoélectronique UV (UV photoelectron spectroscopy ou UPS).The values of the conduction and valence bands can in particular be evaluated by UV photo spectroscopy, also called UV photoelectron spectroscopy (UPS).
Dans le cadre de la présente invention, on peut être amené à calculer la limite théorique d’une cellule solaire MJSC ne comportant pas de jonction supérieure HCSC et la comparer à la limite théorique d’une cellule solaire selon l’invention (identique mais comportant néanmoins la jonction supérieure HCSC). Ces limites théoriques sont évaluées au moyen du modèle de bilan détaillé qui est communément utilisé pour évaluer les limites théoriques des cellules solaires. La performance des cellules à porteurs chauds est alors évaluée au moyen d’un paramètre appelé coefficient de thermalisation Q, qui indique la capacité d'un matériau à maintenir les porteurs à une température élevée. Le paramètre permet de faire varier l'efficacité entre celle d'une cellule classique de type MJSC (Shockley-Queisser, Q élevé) et la cellule HCMJSC (Q faible) selon l’invention. Une telle évaluation permet de mettre en évidence l’intérêt de la combinaison des sous-cellules selon l’invention, avec une limite théorique de la cellule HCMJSC significativement supérieure à celle d’une cellule MJSC classique.In the context of the present invention, it may be necessary to calculate the theoretical limit of an MJSC solar cell not comprising an HCSC upper junction and compare it to the theoretical limit of a solar cell according to the invention (identical but comprising nevertheless the upper junction HCSC). These theoretical limits are evaluated using the detailed balance model that is commonly used to evaluate the theoretical limits of solar cells. The performance of hot carrier cells is then evaluated using a parameter called thermalization coefficient Q, which indicates the ability of a material to maintain carriers at a high temperature. The parameter makes it possible to vary the efficiency between that of a classic MJSC type cell (Shockley-Queisser, high Q) and the HCMJSC cell (low Q) according to the invention. Such an evaluation makes it possible to highlight the interest of the combination of sub-cells according to the invention, with a theoretical limit of the HCMJSC cell significantly higher than that of a conventional MJSC cell.
Selon un autre mode de réalisation encore, la jonction supérieure (HCSC) est caractérisée en ce qu’elle comprend deux couches contact :
According to yet another embodiment, the upper junction (HCSC) is characterized in that it comprises two contact layers:
a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de valence de l’absorbeur, et
a/ an electron contact layer, whose conduction band is greater than the valence band of the absorber, and
b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de conduction de l’absorbeur.b/ a hole contact layer, whose valence band is lower than the conduction band of the absorber.
Étant donné la combinaison possible de jonctions supérieure(s) et inferieures(s), la cellule HCMJSC selon l’invention permet une bonne complémentarité des écarts (gaps) des différentes jonctions, et constitue une solution très prometteuse et innovante pour une utilisation notamment sous flux solaire fortement concentré. En effet, la variété des types de jonctions, de la multiplicité possible de jonctions inférieures de type MJSC et ainsi des écarts (gaps) accessibles, permet d’envisager une utilisation optimale du spectre solaire avec un nombre minimum de jonctions.Given the possible combination of upper and lower junctions, the HCMJSC cell according to the invention allows good complementarity of the gaps of the different junctions, and constitutes a very promising and innovative solution for use in particular under highly concentrated solar flux. Indeed, the variety of types of junctions, the possible multiplicity of lower junctions of the MJSC type and thus the accessible gaps, makes it possible to envisage optimal use of the solar spectrum with a minimum number of junctions.
La cellule solaire HCMJSC selon l’invention est telle qu’elle comprend une ou plusieurs jonctions inférieures et une ou plusieurs jonctions supérieures. Par exemple, la cellule comprend moins de 10 jonctions inférieures, moins de 8 jonctions inférieures, moins de 7 jonctions inférieures, moins de 6 jonctions inférieures, moins de 5 jonctions inférieures, de préférence 1 à 4 jonctions inférieures. Les jonctions inférieures sont telles qu’elles absorbent dans des domaines spectraux différents. Également, à titre indicatif, la cellule solaire peut comprendre de 1 à 4 jonctions supérieures, de préférence moins de 4, moins de 3, ou moins de 2 jonctions supérieures, de préférence 1 jonction supérieure.The HCMJSC solar cell according to the invention is such that it comprises one or more lower junctions and one or more upper junctions. For example, the cell includes fewer than 10 lower junctions, fewer than 8 lower junctions, fewer than 7 lower junctions, fewer than 6 lower junctions, fewer than 5 lower junctions, preferably 1 to 4 lower junctions. The lower junctions are such that they absorb in different spectral domains. Also, as an indication, the solar cell may comprise from 1 to 4 upper junctions, preferably less than 4, less than 3, or less than 2 upper junctions, preferably 1 upper junction.
Selon un mode de réalisation préféré, la cellule solaire HCMJSC selon l’invention est telle qu’elle comprend 1 jonction supérieure et 1 à 4 jonctions inférieures.According to a preferred embodiment, the HCMJSC solar cell according to the invention is such that it comprises 1 upper junction and 1 to 4 lower junctions.
La jonction supérieure HCSC comporte préférentiellement des couches contacts énergie sélective (SEC), n’acceptant qu'une gamme étroite d'énergies, et permettent ainsi de minimiser les pertes énergétiques lors de l’extraction (en minimisant l’augmentation de l’entropie lors de l’extraction des porteurs).The upper HCSC junction preferably comprises selective energy contact (SEC) layers, accepting only a narrow range of energies, and thus make it possible to minimize energy losses during extraction (by minimizing the increase in entropy during the extraction of the carriers).
A titre indicatif, la jonction supérieure HCSC peut par exemple comprendre dans l’ordre :
- une couche contact électron ;
- une première couche contact énergie sélective (SEC) ;
- un absorbeur;
- une deuxième couche contact énergie sélective (SEC) ; et
- une couche contact trou.
- an electron contact layer;
- a first selective energy contact layer (SEC);
- an absorber;
- a second selective energy contact layer (SEC); And
- a hole contact layer.
Selon un mode de réalisation préféré, l’absorbeur de la jonction supérieure HCSC présente une épaisseur inférieure à 1 µm, par exemple inférieure à 800 nm, inférieure à 500 nm ou inférieure à 300 nm. Plus préférentiellement encore, l’absorbeur chaud présente une épaisseur comprise entre 0,1 et 200 nm, par exemple entre 0,2 et 150 nm.According to a preferred embodiment, the absorber of the upper HCSC junction has a thickness of less than 1 µm, for example less than 800 nm, less than 500 nm or less than 300 nm. Even more preferably, the hot absorber has a thickness of between 0.1 and 200 nm, for example between 0.2 and 150 nm.
Selon un autre mode de réalisation, l’absorbeur de la jonction supérieure HCSC présente un coefficient d'absorption entre Eg + X eV supérieur à 105par cm-1, X étant supérieur à 0.1 eV.According to another embodiment, the absorber of the upper junction HCSC has an absorption coefficient between Eg + X eV greater than 10 5 per cm -1 , X being greater than 0.1 eV.
Selon un autre mode de réalisation encore, les porteurs chauds de l’absorbeur ont une élévation de température supérieure à 10ºC par rapport à la température du matériau, en condition opératoire au point de fonctionnement maximum, de préférence supérieure à 20ºC, supérieure à 50ºC ou encore supérieure à 100ºC.According to yet another embodiment, the hot carriers of the absorber have a temperature rise greater than 10ºC relative to the temperature of the material, in operating conditions at the maximum operating point, preferably greater than 20ºC, greater than 50ºC or even higher than 100ºC.
Selon un mode de réalisation de la cellule solaire HCMJSC selon la présente invention, deux jonctions voisines peuvent être séparées par une jonction tunnel. Par exemple, la cellule solaire selon la présente invention peut comprendre une jonction inférieure et une jonction supérieure HCSC, séparées par une jonction tunnel. La jonction tunnel permet un raccordement de bandes entre les jonctions de façon à nécessiter uniquement 2 terminaux pour extraire le courant.According to one embodiment of the HCMJSC solar cell according to the present invention, two neighboring junctions can be separated by a tunnel junction. For example, the solar cell according to the present invention may comprise a lower junction and an upper HCSC junction, separated by a tunnel junction. The tunnel junction allows strip connection between the junctions so that only 2 terminals are required to extract the current.
Il est possible, dans le cadre de la présente invention, que toutes les jonctions, inférieures et supérieures, soient connectées par des jonctions tunnel.It is possible, in the context of the present invention, that all the junctions, lower and upper, are connected by tunnel junctions.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les jonctions supérieure(s) et inférieure(s) ne sont pas séparées par des jonctions tunnel. Selon ce mode de réalisation, la cellule HCMJSC est dépourvue de jonction tunnel. Selon ce mode de réalisation, la cellule solaire HCMJSC comprend 2 terminaux par jonction. Ainsi, à titre indicatif, selon ce mode de réalisation, quand la cellule HCMJSC comprend 2 jonctions, elle comprend alors 4 terminaux ; quand la cellule HCMJSC comprend 3 jonctions, elle comprend alors 6 terminaux ; etc.According to one embodiment of the present invention, the upper junction(s) and lower junction(s) are not separated by tunnel junctions. According to this embodiment, the HCMJSC cell does not have a tunnel junction. According to this embodiment, the HCMJSC solar cell comprises 2 terminals per junction. Thus, for information purposes, according to this embodiment, when the HCMJSC cell comprises 2 junctions, it then comprises 4 terminals; when the HCMJSC cell includes 3 junctions, it then includes 6 terminals; etc.
Selon un autre mode de réalisation encore, la composition de la cellule solaire HCMJSC peut être mixte vis-à-vis des jonctions tunnel et des terminaux, c’est-à-dire présenter des jonctions tunnel entre certaines jonctions et un nombre de terminaux variant entre un minimum de 2 terminaux (i.e. un terminal avant et un terminal arrière) et un maximum de 2 fois le nombre de jonctions (e.g. 8 terminaux pour une cellule comportant 4 jonctions ou 10 terminaux pour une jonction comportant 5 jonctions). Ainsi, selon un mode de réalisation mixte, une cellule solaire comportant 1 jonction supérieure et 4 jonctions inférieures comprend entre 2 et 10 terminaux. Si elle comprend 2 terminaux, elle comprend alors 4 jonctions tunnel. Si elle comprend 6 terminaux, elle comprend alors 2 jonctions tunnel.According to yet another embodiment, the composition of the HCMJSC solar cell can be mixed with respect to the tunnel junctions and the terminals, that is to say present tunnel junctions between certain junctions and a varying number of terminals. between a minimum of 2 terminals (i.e. a front terminal and a rear terminal) and a maximum of 2 times the number of junctions (e.g. 8 terminals for a cell with 4 junctions or 10 terminals for a junction with 5 junctions). Thus, according to a mixed embodiment, a solar cell comprising 1 upper junction and 4 lower junctions comprises between 2 and 10 terminals. If it includes 2 terminals, it then includes 4 tunnel junctions. If it includes 6 terminals, then it includes 2 tunnel junctions.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une jonction inférieure peut présenter un gradient de niveau d’énergie de gap. Par exemple, plusieurs des jonctions inférieures, ou même toutes les jonctions inférieures, présentent un gradient de niveau d’énergie de gap.According to one embodiment of the present invention, at least one lower junction may present a gap energy level gradient. For example, several of the lower junctions, or even all the lower junctions, exhibit a gap energy level gradient.
En complément notamment de ce qui précède, on peut envisager une cellule solaire HCMJSC qui met à profit la complémentarité des niveaux d’énergie, et comporte par exemple une jonction supérieure et une jonction inférieure, présentant une disposition dans laquelle :
In addition to the above, we can consider an HCMJSC solar cell which takes advantage of the complementarity of the energy levels, and comprises for example an upper junction and a lower junction, presenting an arrangement in which:
- le niveau d’énergie de gap de la jonction supérieure varie entre 0,6 eV et 1,7 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1,6 eV ou entre 0,7 eV et 1,5 eV ; et
- the gap energy level of the upper junction varies between 0.6 eV and 1.7 eV, for example between 0.65 eV and 1.6 eV or between 0.7 eV and 1.5 eV; And
- le niveau d’énergie de gap de la jonction inférieure varie entre 0,6 eV et 1,5 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1,45 eV ou entre 0,7 eV et 1,4 eV.- the gap energy level of the lower junction varies between 0.6 eV and 1.5 eV, for example between 0.65 eV and 1.45 eV or between 0.7 eV and 1.4 eV.
Un autre exemple de cellule solaire HCMJSC selon l’invention peut notamment consister en une jonction supérieure et deux jonctions inférieures, présentant une disposition dans laquelle :
Another example of an HCMJSC solar cell according to the invention may in particular consist of an upper junction and two lower junctions, having an arrangement in which:
- le niveau d’énergie de gap de la jonction supérieure varie entre 0,6 eV et 1,9 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1,8 eV ou entre 0,7 eV et 1,7 eV ;
- the gap energy level of the upper junction varies between 0.6 eV and 1.9 eV, for example between 0.65 eV and 1.8 eV or between 0.7 eV and 1.7 eV;
- le niveau d’énergie de gap de la première jonction inférieure varie entre 0,8 eV et 1,6 eV, par exemple entre 0,85 eV et 1,55 eV ou entre 0,9 eV et 1,5 eV ;
- the gap energy level of the first lower junction varies between 0.8 eV and 1.6 eV, for example between 0.85 eV and 1.55 eV or between 0.9 eV and 1.5 eV;
- le niveau d’énergie de gap de la deuxième jonction inférieure varie entre 0,6 eV et 1,3 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1,25 eV ou entre 0,7 eV et 1,2 eV.- the gap energy level of the second lower junction varies between 0.6 eV and 1.3 eV, for example between 0.65 eV and 1.25 eV or between 0.7 eV and 1.2 eV.
Dans un système classique de type multi-jonctions (MJSC), le niveau d’énergie de gap des différentes jonctions décroît du haut vers le bas. Un des nombreux avantages de la cellule HCMJSC de la présente invention (présentant ladite combinaison de jonctions incluant une jonction supérieure de type HCSC), est que le niveau d’énergie de la jonction supérieure HCSC ne doit pas être nécessairement strictement supérieur au niveau d’énergie de la jonction inférieure à son contact (ou première jonction inférieure). Il peut, en effet, selon un mode de réalisation, être inférieur à celui de la jonction inférieure. Ceci présente l’avantage que le matériau et la composition de la jonction supérieure et de la jonction inférieure (par exemple première jonction inférieure) peuvent être identique, ce qui peut s’avérer avantageux en termes de fabrication.In a classic multi-junction system (MJSC), the gap energy level of the different junctions decreases from top to bottom. One of the many advantages of the HCMJSC cell of the present invention (presenting said combination of junctions including an upper junction of the HCSC type), is that the energy level of the upper junction HCSC does not necessarily have to be strictly greater than the level of energy of the lower junction at its contact (or first lower junction). It can, in fact, according to one embodiment, be lower than that of the lower junction. This has the advantage that the material and composition of the upper junction and the lower junction (e.g. first lower junction) can be identical, which can prove advantageous in terms of manufacturing.
L’absorbeur de la jonction supérieure comprend un ou plusieurs nanocristaux.The upper junction absorber includes one or more nanocrystals.
La cellule solaire HCMJSC selon la présente invention peut être telle qu’elle comporte :
- au moins deux jonctions inférieures absorbant dans des domaines spectraux différents (bandes interdites différentes) ;
- une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds comprenant :
- une couche contact électron, qui peut être dopée n ;
- une première couche contact énergie sélective (SEC) ;
- un absorbeur;
- une deuxième couche contact énergie sélective (SEC) ; et
- une couche contact trou, qui peut être dopée p ;
- deux terminaux, positionnés aux extrémités de la cellule ;
- une couche anti-reflet positionnée au contact de la jonction supérieure ;
- optionnellement au moins une jonction tunnel positionnée entre les jonctions inférieures et/ou entre la jonction supérieure et la première jonction inférieure ; préférentiellement, des jonctions tunnel entre chacune des jonctions ;
- optionnellement un miroir (ou une couche métallique) positionné sous la dernière jonction ;
- optionnellement un élément optique de piégeage (diffusion/diffraction de la lumière) visant à augmenter l’absorption et positionné :
- entre la couche anti-reflet et la jonction supérieure,
- entre la jonction supérieure et les jonctions inférieures, ou
- sous la jonction inférieure (entre la jonction et le miroir).
- at least two lower junctions absorbing in different spectral domains (different band gaps);
- an upper junction of the hot carrier solar cell type comprising:
- an electron contact layer, which can be n-doped;
- a first selective energy contact layer (SEC);
- an absorber;
- a second selective energy contact layer (SEC); And
- a hole contact layer, which can be p-doped;
- two terminals, positioned at the ends of the cell;
- an anti-reflective layer positioned in contact with the upper junction;
- optionally at least one tunnel junction positioned between the lower junctions and/or between the upper junction and the first lower junction; preferably, tunnel junctions between each of the junctions;
- optionally a mirror (or a metal layer) positioned under the last junction;
- optionally an optical trapping element (light diffusion/diffraction) aimed at increasing absorption and positioned:
- between the anti-reflective layer and the upper junction,
- between the upper junction and the lower junctions, or
- under the lower junction (between the junction and the mirror).
Tel qu’indiqué plus haut, la jonction supérieure et la jonction inférieure peuvent être constituées des mêmes matériaux (i.e. matériaux présentant le même paramètre de maille) et être de la même composition, ce qui présente les avantages susmentionnés. Alternativement, elles peuvent être constituées des mêmes matériaux et être de compositions différentes. Enfin, elles peuvent être constituées de matériaux différents. Dans ce cas, le procédé de fabrication devra être adapté à ces différents matériaux.As indicated above, the upper junction and the lower junction can be made of the same materials (i.e. materials having the same mesh parameter) and be of the same composition, which presents the aforementioned advantages. Alternatively, they can be made of the same materials and have different compositions. Finally, they can be made of different materials. In this case, the manufacturing process must be adapted to these different materials.
Selon un mode de réalisation, l’absorbeur de la jonction supérieure comprend un ou plusieurs nanocristaux. Chacun de ces un ou plusieurs nanocristaux peut notamment être choisi dans le groupe consistant en le AgBiS2, les perovskites, le PbS et le PbSe. La liste des nanocristaux pouvant être utilisés dans le cadre de la présente invention n’est néanmoins pas limitée à ces seuls composés.According to one embodiment, the absorber of the upper junction comprises one or more nanocrystals. Each of these one or more nanocrystals can in particular be chosen from the group consisting of AgBiS 2 , perovskites, PbS and PbSe. The list of nanocrystals which can be used in the context of the present invention is nevertheless not limited to these compounds alone.
Selon un mode de réalisation, le ou les nanocristaux présentent un temps caractéristique de refroidissement de support chaud supérieur à 10 ps, par exemple supérieur à 30 ps, supérieur à 50 ps, ou supérieur à 100 ps.According to one embodiment, the nanocrystal(s) have a characteristic hot support cooling time greater than 10 ps, for example greater than 30 ps, greater than 50 ps, or greater than 100 ps.
Selon un mode de réalisation, ladite au moins une jonction inférieure est constituée d’au moins une couche de matériaux semi-conducteurs, par exemple d’au moins deux couches constituées de deux matériaux semi-conducteurs. De préférence, ladite au moins une jonction inférieure est constituée d’une couche de matériaux semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs utilisés dans le cadre de la présente invention peuvent être de tout type. Par exemple, ils peuvent être de type IV, de type III-V et de type II-VI, chacun de ces matériaux étant dopé de type n ou de type p. A titre indicatif, les matériaux semi-conducteurs de type IV incluent Ge, Si ou une combinaison des deux (SixGe1-x) ; les matériaux semi-conducteurs de type III-V incluent InAs, GaAs, InP, GaSb, GaInAs, GaInAsP, GaAsSb, InAlAs, AlGaAs, et les nitrures dilués de type (In)GaNAs(Sb) ; les matériaux semi-conducteurs de type II-VI incluent CdSe et CdTe.According to one embodiment, said at least one lower junction is made up of at least one layer of semiconductor materials, for example of at least two layers made up of two semiconductor materials. Preferably, said at least one lower junction consists of a layer of semiconductor materials. The semiconductor materials used in the context of the present invention can be of any type. For example, they can be type IV, type III-V and type II-VI, each of these materials being doped with n-type or p-type. As a guide, type IV semiconductor materials include Ge, Si or a combination of the two (SixGe 1-x ); type III-V semiconductor materials include InAs, GaAs, InP, GaSb, GaInAs, GaInAsP, GaAsSb, InAlAs, AlGaAs, and dilute nitrides of type (In)GaNAs(Sb); Type II-VI semiconductor materials include CdSe and CdTe.
Les jonctions tunnel, qui font potentiellement partie de la configuration de la cellule solaire HCMJSC selon l’invention, peuvent être de n’importe quel type utilisé dans les cellule solaire HCMJSC, peuvent, par exemple, présenter chacune une épaisseur de 15 nm par matériau de type p ou n.The tunnel junctions, which are potentially part of the configuration of the HCMJSC solar cell according to the invention, can be of any type used in the HCMJSC solar cell, can, for example, each have a thickness of 15 nm per material of type p or n.
La cellule solaire HCMJSC selon l’invention peut avoir une configuration substrat avec pénétration du rayonnement solaire via le haut de la cellule ou une configuration superstrat pour lesquelles le rayonnement pénètre par le bas. Dans le second cas, l’ordre des jonctions reste tel que la lumière traverse les jonctions supérieures avant les jonctions inférieures.The HCMJSC solar cell according to the invention can have a substrate configuration with penetration of solar radiation via the top of the cell or a superstrate configuration for which the radiation penetrates from the bottom. In the second case, the order of the junctions remains such that the light passes through the upper junctions before the lower junctions.
Un deuxième objet de la présente invention concerne un dispositif mobile ou immobile comprenant au moins une cellule solaire HCMJSC selon la présente invention, et optionnellement au moins un élément optique qui est configuré pour diriger l'énergie solaire vers la cellule solaire HCMJSC (concentration).A second object of the present invention relates to a mobile or stationary device comprising at least one HCMJSC solar cell according to the present invention, and optionally at least one optical element which is configured to direct solar energy towards the HCMJSC solar cell (concentration).
Le dispositif selon l’invention peut notamment être un panneau solaire constitué de plusieurs cellules HCMJSC selon l’invention.The device according to the invention may in particular be a solar panel made up of several HCMJSC cells according to the invention.
Un troisième objet de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une cellule solaire HCMJSC selon l’invention.A third object of the present invention relates to a method of manufacturing an HCMJSC solar cell according to the invention.
La cellule solaire HCMJSC ou une partie seulement de celle-ci, notamment les jonctions inférieures, peut notamment être réalisée par croissance épitaxiale, par exemple jet moléculaire (MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire ou PA-MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma), MOVPE (épitaxie en phase vapeur organométallique), ou ALD (dépôt de couche atomique).The HCMJSC solar cell or only part of it, in particular the lower junctions, can in particular be produced by epitaxial growth, for example molecular beam (MBE for molecular beam epitaxy or PA-MBE for plasma-assisted molecular beam epitaxy) , MOVPE (metal-organic vapor phase epitaxy), or ALD (atomic layer deposition).
La cellule solaire HCMJSC ou une partie seulement de celle-ci, notamment la jonction supérieure, peut notamment être réalisée par impression jet d’encre, avec une lame ou de type « fente-matrice », par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour dépôt chimique en phase vapeur ou PECVD pour dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) ou par pulvérisation.The HCMJSC solar cell or only part of it, in particular the upper junction, can in particular be produced by inkjet printing, with a blade or "slit-matrix" type, by chemical vapor deposition (CVD for chemical vapor deposition or PECVD for plasma-assisted chemical vapor deposition) or spraying.
Il est possible d’adopter une approche séquentielle pour réaliser la cellule solaire HCMJSC selon l’invention. Par exemple, il est envisageable de fabriquer la partie arrière (jonction(s) inférieure(s)), indépendamment de la partie avant (jonction(s) supérieure(s)) puis de combiner chaque partie ensemble.It is possible to adopt a sequential approach to produce the HCMJSC solar cell according to the invention. For example, it is possible to manufacture the rear part (lower junction(s)), independently of the front part (upper junction(s)) and then combine each part together.
Selon un mode de réalisation, la cellule solaire HCMJSC selon l’invention est en configuration substrat et comporte au moins une jonction inférieure qui est configurée comme suit. Une telle jonction peut notamment être fabriquée par croissance épitaxiale. La première couche est le substrat. Celui-ci peut notamment être en verre, pour des raisons de coût et ses propriétés mécaniques adéquates. Il peut alternativement être composé de plastique, ce qui est avantageux pour certaines applications spécifiques telles que des panneaux solaires flexibles. La seconde couche est une couche de contact métallique, qui peut à titre indicatif être composée de Mo. Le Mo est un candidat idéal pour jouer le rôle de contact arrière en raison, d’une part, de son coefficient de dilatation thermique proche de celui du verre et du film absorbeur et d’autre part, parce qu’il forme un contact ohmique avec la couche absorbante assurant ainsi une résistivité minimale. Cette couche a classiquement une épaisseur comprise entre 0,2 µm et 1 µm, par exemple entre 0,4 µm et 0,8 µm. On ajoute ensuite les jonctions constitutives de la cellule solaire, c’est-à-dire la ou les jonctions inférieures et au moins une jonction supérieure HCSC, toutes séparées par des jonctions tunnel. Au-dessus de la dernière couche de la jonction supérieure peut alors être déposée une couche de contact métallique avant. Cette couche peut par exemple être sous la forme d’une grille d’aluminium, de nickel ou d’un alliage de ces deux derniers. Enfin, une couche anti-reflet peut être posée pour réduire les réflexions au sommet de la cellule et maximiser son efficacité.According to one embodiment, the HCMJSC solar cell according to the invention is in substrate configuration and comprises at least one lower junction which is configured as follows. Such a junction can in particular be manufactured by epitaxial growth. The first layer is the substrate. This can in particular be made of glass, for reasons of cost and its adequate mechanical properties. It can alternatively be made of plastic, which is advantageous for certain specific applications such as flexible solar panels. The second layer is a metallic contact layer, which can be composed of Mo. Mo is an ideal candidate to play the role of rear contact due, on the one hand, to its coefficient of thermal expansion close to that glass and the absorber film and on the other hand, because it forms an ohmic contact with the absorbent layer thus ensuring minimum resistivity. This layer typically has a thickness of between 0.2 µm and 1 µm, for example between 0.4 µm and 0.8 µm. We then add the constituent junctions of the solar cell, that is to say the lower junction(s) and at least one upper HCSC junction, all separated by tunnel junctions. Above the last layer of the upper junction can then be deposited a front metallic contact layer. This layer can for example be in the form of a grid of aluminum, nickel or an alloy of the latter two. Finally, an anti-reflective layer can be applied to reduce reflections at the top of the cell and maximize its efficiency.
Un quatrième objet de la présente invention concerne un procédé de production d’électricité, selon lequel :
- au moins une cellule solaire HCMJSC ou un dispositif mobile ou immobile selon l’invention, est exposé au rayonnement solaire par son côté jonction supérieure, et
- on collecte un courant électrique.
- at least one HCMJSC solar cell or a mobile or immobile device according to the invention, is exposed to solar radiation via its upper junction side, and
- we collect an electric current.
Claims (11)
- au moins une jonction inférieure ; et
- au moins une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC) comprenant :
- un absorbeur;
- au moins une couche choisie parmi :
b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.Hot carrier multi-junction solar cell (HCMJSC), comprising:
- at least one lower junction; And
- at least one upper junction of the hot carrier solar cell (HCSC) type comprising:
- an absorber;
- at least one layer chosen from:
b/ a hole contact layer, whose valence band is lower than the valence band of the absorber.
- une couche contact électron, et
- une couche contact trou.
- an electron contact layer, and
- a hole contact layer.
- une couche contact électron ;
- une première couche contact énergie sélective (SEC) ;
- un absorbeur;
- une deuxième couche contact énergie sélective (SEC) ; et
- une couche contact trou.
- an electron contact layer;
- a first selective energy contact layer (SEC);
- an absorber;
- a second selective energy contact layer (SEC); And
- a hole contact layer.
- au moins deux jonctions inférieures absorbant dans des domaines spectraux différents ;
- une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds comprenant :
- une couche contact électron ;
- une première couche contact énergie sélective (SEC) ;
- un absorbeur ;
- une deuxième couche contact énergie sélective (SEC) ; et
- une couche contact trou ;
- deux terminaux, positionnés aux extrémités de la cellule ;
- une couche anti-reflet positionnée au contact de la jonction supérieure ;
- optionnellement au moins une jonction tunnel positionnée entre les jonctions inférieures et/ou entre la jonction supérieure et la première jonction inférieure ;
- optionnellement un miroir ou une couche métallique, positionné(e) sous la dernière jonction ;
- optionnellement un élément optique de piégeage visant à augmenter l’absorption et positionné :
- entre la couche anti-reflet et la jonction supérieure,
- entre la jonction supérieure et les jonctions inférieures, ou
- sous la jonction inférieure (entre la jonction et le miroir).
- at least two lower junctions absorbing in different spectral domains;
- an upper junction of the hot carrier solar cell type comprising:
- an electron contact layer;
- a first selective energy contact layer (SEC);
- an absorber;
- a second selective energy contact layer (SEC); And
- a hole contact layer;
- two terminals, positioned at the ends of the cell;
- an anti-reflective layer positioned in contact with the upper junction;
- optionally at least one tunnel junction positioned between the lower junctions and/or between the upper junction and the first lower junction;
- optionally a mirror or a metallic layer, positioned under the last junction;
- optionally an optical trapping element aimed at increasing absorption and positioned:
- between the anti-reflective layer and the upper junction,
- between the upper junction and the lower junctions, or
- under the lower junction (between the junction and the mirror).
- croissance épitaxiale, en particulier par jet moléculaire (MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire ou PA-MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma), MOVPE (épitaxie en phase vapeur organométallique), ou ALD (dépôt de couche atomique) ; et/ou
- par impression jet d’encre, avec une lame ou de type « fente-matrice », par dépôt chimique en phase vapeur (CVP ou PECVD pour dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) ou par pulvérisation.Process for manufacturing a solar cell (HCMJSC) according to any one of claims 1 to 8, by:
- epitaxial growth, in particular by molecular beam (MBE for molecular beam epitaxy or PA-MBE for plasma-assisted molecular beam epitaxy), MOVPE (organometallic vapor phase epitaxy), or ALD (atomic layer deposition); and or
- by inkjet printing, with a blade or “slit-matrix” type, by chemical vapor deposition (CVP or PECVD for plasma-assisted chemical vapor deposition) or by spraying.
- au moins une cellule solaire (HCMJSC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 ou un dispositif selon la revendication 9, est exposé au rayonnement solaire par son côté jonction supérieure, et
- on collecte un courant électrique.
- at least one solar cell (HCMJSC) according to any one of claims 1 to 8 or a device according to claim 9, is exposed to solar radiation via its upper junction side, and
- we collect an electric current.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2204325A FR3135349A1 (en) | 2022-05-06 | 2022-05-06 | Multi-junction hot carrier solar cells |
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Applications Claiming Priority (2)
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| FR2204325A FR3135349A1 (en) | 2022-05-06 | 2022-05-06 | Multi-junction hot carrier solar cells |
| FR2204325 | 2022-05-06 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3135349A1 true FR3135349A1 (en) | 2023-11-10 |
Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR2204325A Pending FR3135349A1 (en) | 2022-05-06 | 2022-05-06 | Multi-junction hot carrier solar cells |
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| WO2018021966A2 (en) | 2016-07-27 | 2018-02-01 | Nanyang Technological University | Hot-carrier solar cell, and method to form the same |
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- 2022-05-06 FR FR2204325A patent/FR3135349A1/en active Pending
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- 2023-04-28 WO PCT/EP2023/061235 patent/WO2023213707A1/en unknown
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Also Published As
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|---|---|
| WO2023213707A1 (en) | 2023-11-09 |
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