WO2022129758A1 - Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux - Google Patents

Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux Download PDF

Info

Publication number
WO2022129758A1
WO2022129758A1 PCT/FR2021/052296 FR2021052296W WO2022129758A1 WO 2022129758 A1 WO2022129758 A1 WO 2022129758A1 FR 2021052296 W FR2021052296 W FR 2021052296W WO 2022129758 A1 WO2022129758 A1 WO 2022129758A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
type
layer
silicon
conductivity
nanocrystalline
Prior art date
Application number
PCT/FR2021/052296
Other languages
English (en)
Inventor
Apolline PUAUD
Muriel Matheron
Maria-Delfina MUNOZ
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Enel Green Power Italia Srl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives, Enel Green Power Italia Srl filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority to CN202180092528.4A priority Critical patent/CN117280480A/zh
Priority to EP21851608.6A priority patent/EP4264678A1/fr
Priority to US18/257,718 priority patent/US20240121969A1/en
Priority to AU2021403921A priority patent/AU2021403921A1/en
Priority to CA3202271A priority patent/CA3202271A1/fr
Publication of WO2022129758A1 publication Critical patent/WO2022129758A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
    • H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0745—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells
    • H01L31/0747—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a AIVBIV heterojunction, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC solar cells comprising a heterojunction of crystalline and amorphous materials, e.g. heterojunction with intrinsic thin layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/0725—Multiple junction or tandem solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/078—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers including different types of potential barriers provided for in two or more of groups H01L31/062 - H01L31/075
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/20—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions
    • H10K30/211—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising organic-organic junctions, e.g. donor-acceptor junctions comprising multiple junctions, e.g. double heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/40—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising a p-i-n structure, e.g. having a perovskite absorber between p-type and n-type charge transport layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/50—Organic perovskites; Hybrid organic-inorganic perovskites [HOIP], e.g. CH3NH3PbI3
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of photovoltaic devices, in particular photovoltaic cells of the perovskite tandem type on silicon heterojunction with 2 terminals.
  • the invention relates to a simplified structure having (photo)electric properties comparable to those of a conventional tandem structure.
  • Solar cells convert part of the spectral range of solar radiation into energy. To increase the efficiency of this conversion, it is possible to manufacture structures with tandem architecture comprising two subassemblies (i.e. a lower cell and an upper cell), absorbing in different spectral domains.
  • the lower cell 10 can be, for example, a cell made of perovskite, of CIGS (Cu(ln,Ga)Se 2 ), or it can be a cell based on silicon, for example, with homojunction or with silicon heterojunction (HET-Si or SHJ for “Silicon HeteroJunction solar cell”), of the PERC (“Passivated Emitter and Rear Contact”) or TopCon (“Tunnel Oxide Passivated Contact”) type or even an N-type PERT cell with double diffusion of phosphorus.
  • HET-Si or SHJ for “Silicon HeteroJunction solar cell” of the PERC (“Passivated Emitter and Rear Contact”) or TopCon (“Tunnel Oxide Passivated Contact”) type or even an N-type PERT cell with double diffusion of phosphorus.
  • the upper cell 30 can be, for example, a perovskite, organic or multi-junction cell (MJSC) based on III-V materials (AlGaAs, GalnP, GaAs).
  • MJSC organic or multi-junction cell
  • the NIP-type structure conventionally comprises from the rear face to the front face (figure IA):
  • a lower cell 10 comprising a layer of n-type doped amorphous silicon 11 ((n) a-Si:H), an n-type doped crystalline silicon substrate 12 (c-Si(n)) placed between two layers of intrinsic amorphous silicon 13, 14 ((i) a-Si:H),
  • an upper cell 30 comprising: an N type layer 33 (SnO 2 for example), an active layer made of a perovskite material 31, a P type layer 32 (PTAA for example).
  • Lower and upper electrodes 40, 50 as well as electrical contacts 60, 70 complete the structure.
  • a lower cell 10 comprising a layer of p-doped amorphous silicon 15 ((p) a-Si:H), an n-type doped crystalline silicon substrate 12 (c-Si(n)), placed between two layers of silicon intrinsic amorphous 13, 14 ((i) a-Si:H), an N-type doped amorphous silicon layer 11 ((n) a-Si:H),
  • an upper cell 30 comprising: a P-type layer 32, an active layer of perovskite material 31 and an N-type layer 33.
  • Each sub-cell 10, 30 of the tandem structure comprises layers which make it possible to separate and select the charges according to their polarity.
  • the recombination zone 20 between the two sub-cells is called “recombination junction” because it allows the charges to recombine. It also allows the series connection of the sub-cells and thus the addition of their voltages. It must lead to the recombination of the electrons generated in the upper cell and the holes generated in the lower cell for a tandem of NIP structure (Fig.1A) and the reverse for a PIN structure (Fig.1B).
  • the recombination zone 20 is, for example, formed of a tunnel junction formed of two highly doped layers: one of the P type 21 ((p+)pc-Si:H) and the other of the N type 22 ((n+)pc-Si:H). In the case of a NIP structure, the layer 21 of the recombination zone also plays the role of transmitter of the lower cell 10.
  • tandem structures require many steps to be manufactured, which increases manufacturing costs and the number of layers and interfaces that can lower performance (by adding series resistance, contact resistances, unwanted recombinations ).
  • NIP-like tandem structure comprising a perovskite upper cell and a lower cell based on crystalline silicon and poly-Si can work by directly positioning the upper cell on the lower cell (Shen et al. “In situ recombination junction between p-Si and TiO 2 enables high-efficiency monolithic perovskite/Si tandem cells”, Science Advances, 2018; 4: eaau9711). More particularly, an N-type TiO 2 layer is deposited by ALD directly on the P-doped silicon of the lower cell. Then, a layer of perovskite and a P-type layer of PTAA are deposited. The operation of this structure is made possible thanks to the low contact resistivity between the ALD layer of TiO 2 and the P-doped silicon of the lower cell.
  • tandem perovskite-on-silicon homojunction structure was fabricated by directly depositing the N-type SnO2 layer of the upper perovskite cell onto the P-type layer of the lower cell (Zheng et al. "Large area efficient interface layer free monolithic perovskite/homo-junction-silicon tandem solar cell with over 20% efficiency", Energy Environ. Sci ., 2018, 11, 2432-2443).
  • An object of the present invention is to propose a perovskite tandem structure on silicon heterojunction based on amorphous silicon and on two-terminal crystalline silicon having good electrical properties and which is simpler and less expensive to manufacture.
  • the present invention proposes a structure of tandem solar cells with 2-terminal perovskite on silicon heterojunction based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising from the rear face towards the front face:
  • a first silicon heterojunction solar cell based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising, from the rear face towards the front face: a first layer of a first type of conductivity in amorphous silicon, a crystalline silicon substrate (from the first type of conductivity or of a second type of conductivity) arranged between two layers of intrinsic amorphous silicon, and optionally a first layer of a second type of conductivity in amorphous silicon,
  • a recombination zone comprising at least one layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity
  • a second solar cell comprising an active layer made of a perovskite material and a second layer of a second type of conductivity, the recombination zone further comprising a second layer of the first type of conductivity in contact with the active layer of the second cell solar cell or a layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity in contact with the active layer of the second solar cell.
  • the invention differs fundamentally from the prior art in that in these structures, one of the layers of the recombination zone fulfills a dual function: both the role of charge selection (N or P type contact ) and participates in recombination junction function.
  • This functional structure allows the recombination of charges and the series connection between the two sub-cells, without adding a layer and/or material. Additional space between the two sub-cells of the tandem structure, as is the case in conventional tandem structures.
  • the recombination zone is a fully recombinant P-N junction (regardless of the recombination mechanisms).
  • the recombination zone causes no reverse potential: no voltage loss in the tandem solar cell.
  • This simplified structure is easier to manufacture compared to the structures of conventional tandem solar cells.
  • the reduction in the number of structural layers and therefore of steps in the manufacturing process lead to a reduction in manufacturing costs.
  • the first type of conductivity is an N-type conductivity (i.e. it is a NIP-type tandem structure).
  • the structure may comprise from the rear face towards the front face:
  • the first silicon heterojunction solar cell based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising from the rear face towards the front face: the first layer of the first type of conductivity (type N) in amorphous silicon and the crystalline silicon substrate arranged between the two layers of intrinsic amorphous silicon,
  • the second perovskite solar cell comprising towards the front face: the second layer of the first type of conductivity (type N), preferably of SnO 2 , the active layer of a perovskite material and the second layer of a second type of conductivity ( type P) preferably in PTAA.
  • type N first type of conductivity
  • type P second type of conductivity
  • the recombination zone is then formed of the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity (type P) and of the second layer of the first type of conductivity (type N). These two layers are in direct contact.
  • the upper cell is a conventional cell. This configuration makes it possible to obtain high yields.
  • the structure may comprise from the rear face towards the front face:
  • the first silicon heterojunction solar cell based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising from the rear face towards the front face: the first layer of the first type of conductivity (type N) in amorphous silicon and the crystalline silicon substrate arranged between the two layers of intrinsic amorphous silicon,
  • the second perovskite solar cell comprising towards the front face: the active layer in a perovskite material and the second layer of the second type of conductivity (type P) preferably in PTAA.
  • the recombination zone is then formed of the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity (type P) and of the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity (type N) which form a junction tunnel.
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity (type N) also serves as a charge extractor in the second cell (perovskite).
  • perovskite There is no need to add a layer of the first type of conductivity (type N), such as a layer of SnO 2 , in the second solar cell.
  • the active layer of the second solar cell is in direct contact with the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity (type N).
  • the layers based on nanocrystalline or microcrystalline silicon can be deposited in the same equipment as the amorphous silicon layers of the lower cell and on large surfaces in a homogeneous manner, which simplifies the manufacturing process and facilitates the obtaining a homogeneous perovskite layer.
  • the first type of conductivity is a P-type conductivity (ie it is a tandem structure of the type
  • the structure may comprise from the rear face towards the front face:
  • the first silicon heterojunction solar cell based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising, from the rear face towards the front face: the first layer of the first type of conductivity (type P) in amorphous silicon, the crystalline silicon substrate disposed between the two layers of intrinsic amorphous silicon, possibly the first layer of the second type of conductivity (type N) in amorphous silicon,
  • the second perovskite solar cell comprising towards the front face: the second layer of the first type of conductivity (type P), preferably in PTAA or in TFB or alternatively obtained from phosphonate(s), silanes or carboxylic acids, the layer active in a perovskite material and the second layer of the second conductivity type (type N), preferably in SnO 2 or even a PCBM/SnO 2 or PCBM/BCP stack.
  • type P the first type of conductivity
  • type N the second conductivity type
  • the recombination zone is then formed of the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity (type N) and of the second layer of the first type of conductivity (type P). These two layers are in direct contact.
  • the lower cell is a classic heterojunction cell and does not require additional development.
  • the structure may comprise from the rear face towards the front face:
  • the first silicon heterojunction solar cell based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising from the rear face towards the face front: the first layer of the first type of conductivity (type P) in amorphous silicon, the crystalline silicon substrate placed between the two layers of intrinsic amorphous silicon, the first layer of the second type of conductivity (type N) in amorphous silicon,
  • the second perovskite solar cell comprising towards the front face: the active layer in a perovskite material and the second layer of the second type of conductivity (N type) preferably in SnO 2 or even a PCBM/SnO 2 or PCBM/BCP stack.
  • N type the second type of conductivity
  • the recombination zone is then formed of the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity (type N) and a layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity (type P) which form a tunnel junction .
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first conductivity type (type P) also serves as a charge extractor in the perovskite cell.
  • the active layer of the second solar cell is in direct contact with the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity (type P).
  • the layers based on nanocrystalline or microcrystalline silicon can be deposited in the same equipment as the amorphous silicon layers of the lower cell and on large surfaces in a homogeneous manner, which simplifies the manufacturing process and facilitates the obtaining a homogeneous perovskite layer. Strong currents can be obtained with this architecture.
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity and/or the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity is in pc-Si:H (p+), pc- Si:H (n+), nc-SiC x type N or P or nc-SiO y type N or P with x ranging from 0 to 1 and y ranging from 0 to 2.
  • nanocrystalline or microcrystalline is meant a layer comprising both an amorphous phase and a crystalline phase, the crystalline phase having a grain size of less than 30 nm. It is generally between 1 and 10 nm for nanocrystalline silicon and generally between 10 and 30 nm and preferably between 10 and 20 nm for microcrystalline. Sometimes, in the literature, for grain sizes below 10 nm, we also find the denomination of microcrystalline silicon.
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity and/or the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity has a thickness ranging from 15 nm to 60 nm and preferably from 20 nm to 40 nm.
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity and/or the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity has a conductivity greater than 10 S.cm.
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity and/or the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the second type of conductivity has a doping rate of 10 18 /cm 3 to 10 22 /cm 3 , and preferably between 10 19 /cm 3 and 10 2 °/cm 3 for type P and between 10 2 °/cm 3 and 10 21 /cm 3 for type N.
  • FIG. 1A previously described in the prior art represents, schematically and in section, a two-terminal PIN-PIN tandem structure.
  • FIG. 1B previously described in the prior art represents, schematically and in section, a tandem PIN-PIN structure with two terminals.
  • FIG. 2A represents, schematically and in section, a simplified tandem structure NIP-PIN with two terminals, according to a particular embodiment of the invention.
  • FIG. 2B represents, schematically and in section, a simplified tandem PIN-PIN structure with two terminals, according to another particular embodiment of the invention.
  • FIG. 3A represents, schematically and in section, a simplified tandem structure PIN-PIN with two terminals, according to another particular embodiment of the invention.
  • FIG. 3B represents, schematically and in section, a simplified PIN-PIN tandem structure with two terminals, according to another particular embodiment of the invention.
  • Figures 4A and 4B are graphs representing the EQE and the '1-Rtot' value as a function of the wavelength (with Rtot corresponding to the total reflection of the stack of the cell (without the metallization on the front face )), obtained for tandem structures polished on the front face and on the back face, of NIP type (corresponding to FIGS. 1A, 2A and 3A) and of PIN type (corresponding to FIGS. IB, 2B and 3B) respectively.
  • Figures 5A and 5B are graphs representing the EQE and the value '1-Rtot' as a function of the wavelength, obtained for tandem structures whose substrate is polished on the front face and with a classic pyramidal texturing on the face rear, PIN type (corresponding to Figures IB, 2B and 3B) and PIN type (corresponding to Figures IA, 2A and 3A) respectively.
  • Figures 6A and 6B are graphs representing the EQE and the value '1-Rtot' as a function of the wavelength, obtained for textured tandem structures on the front face and on the back face, of NIP type (corresponding to the figures IA, 2A and 3A) and PIN type (corresponding to Figures IB, 2B and 3B) respectively.
  • FIGS. 2A, 2B, 3A and 3B represent four simplified 100 perovskite tandem structures on silicon heterojunction (amorphous silicon/crystalline silicon). Each of these tandem structures 100 includes:
  • first cell 110 (or lower cell for “bottom cell”) with silicon heterojunction (HET-Si or SHJ for "Silicon HeteroJunction solar cell”) positioned on the rear face of the device,
  • HET-Si or SHJ silicon heterojunction solar cell
  • a recombination zone a fully recombinant P-N junction (regardless of the recombination mechanisms), produced without adding additional layers and/or materials; the recombination zone does not lead to any reverse potential (i.e. no voltage loss in the tandem solar cell),
  • a second perovskite cell 130 (or upper cell for “top cell”) positioned on the front face of the device.
  • the front face is the face intended to receive the light radiation (represented by arrows in the figures).
  • This NIP-type (or standard transmitter) tandem 100 structure includes: - the first silicon heterojunction solar cell 110 (based on amorphous silicon and crystalline silicon) comprising from the rear face towards the front face: a first layer of n-doped amorphous silicon (for example a layer of n-doped hydrogenated amorphous silicon also denoted (n) a-Si:H) 111 and a doped crystalline silicon substrate 112 (for example an n-doped crystalline silicon substrate also denoted c-Si (n)) arranged between two layers of intrinsic amorphous silicon 113, 114 (also called layers of (i)a-Si:H or intrinsic hydrogenated amorphous silicon),
  • a layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of type P 121 for example a layer of hydrogenated microcrystalline silicon doped p+ also denoted layer (p+) pc-Si:H), which also serves as an emitter in the heterojunction cell,
  • a second perovskite solar cell 130 comprising towards the front face: an N-type layer 133 (for example an SnO 2 layer), an active layer 131 made of a perovskite material and a P-type layer 132 (for example a layer of PTAA).
  • N-type layer 133 for example an SnO 2 layer
  • active layer 131 made of a perovskite material
  • P-type layer 132 for example a layer of PTAA
  • This tandem structure 100 of the PIN type (or with inverted emitter) comprises:
  • the first silicon heterojunction solar cell 110 based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising from the rear face towards the front face: a p-type amorphous silicon layer 115 (for example a p-doped hydrogenated amorphous silicon layer, also denoted (p) a-Si:H), a doped crystalline silicon substrate 112 (for example a c-Si(n) substrate) arranged between two layers of intrinsic amorphous silicon 113, 114 (for example (i) a- Si:H), and possibly a first layer of N-type amorphous silicon 111 (for example (n) a-Si:H), which is also the incubation layer of the nano or microcrystalline layer 122,
  • a p-type amorphous silicon layer 115 for example a p-doped hydrogenated amorphous silicon layer, also denoted (p) a-Si:H
  • a doped crystalline silicon substrate 112 for example a c-S
  • N 122 for example a layer of hydrogenated microcrystalline silicon doped n+ also denoted layer (n+) pc-Si:H
  • a second perovskite solar cell 130 comprising towards the front face: a P-type layer 132 (for example a PTAA or TBF layer), an active layer 131 made of a perovskite material and an N-type layer 133 (for example a layer in SnO 2 or a PCBM/SnO 2 or PCBM/BCP bilayer).
  • a P-type layer 132 for example a PTAA or TBF layer
  • an active layer 131 made of a perovskite material
  • an N-type layer 133 for example a layer in SnO 2 or a PCBM/SnO 2 or PCBM/BCP bilayer.
  • the layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of the first type of conductivity (P in the case of a NIP structure and N in the case of a PIN structure) is in contact directly with the layer of the second type of conductivity (N in the case of a NIP structure and P in the case of a PIN structure) of the second cell 130.
  • the recombination junction is located between the layer based on nanocrystalline silicon or microcrystalline material of the first conductivity type and the charge carrier/extractor material of the second conductivity type of the second solar cell 130 (i.e. between layers 121 and 133 for the NIP structure and between layers 122 and 132 for the PIN structure) .
  • tandem structure 100 represented in FIG. 3A.
  • This NIP-type (or standard transmitter) tandem 100 structure includes:
  • a first silicon heterojunction solar cell 110 based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising, from the rear face towards the front face: an N-type amorphous silicon layer 111 (for example (n) a-Si:H) and a crystalline silicon substrate 112 (for example a c-Si (n) substrate) arranged between two layers of intrinsic amorphous silicon 113, 114 (for example (i) a-Si:H),
  • a layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of type P 121 which also plays the role of emitter of the heterojunction cell (for example (p+)pc-Si:H) and a layer based on nanocrystalline or microcrystalline silicon of type N 122 (e.g. (n+)pc-Si:H),
  • a second perovskite solar cell 130 comprising towards the front face: an active layer (131) made of a perovskite material and a P-type layer 132 (for example a PTAA layer).
  • This tandem structure 100 of the PIN type (or with inverted emitter) comprises: - a first silicon heterojunction solar cell 110 based on amorphous silicon and crystalline silicon comprising from the rear face towards the front face: a layer of P-type amorphous silicon 115 (for example (p) a-Si:H) and a crystalline silicon substrate 112 (for example a c-Si (n) substrate) arranged between two layers of intrinsic amorphous silicon 113, 114 (for example (i) a-Si:H), possibly an amorphous silicon layer of type N 111 (for example (n) a-Si:H), which is also the incubation layer of the nano or microcrystalline layer 121,
  • a second perovskite solar cell 130 comprising towards the front face: an active layer 131 made of a perovskite material and an N-type layer 133 (for example an SnO 2 layer or a PCBM/SnO 2 bilayer).
  • the P-type nanocrystalline or microcrystalline silicon-based layer 121 or 122 and the N-type nanocrystalline or microcrystalline silicon-based layer 122 or 121 form a tunnel junction 120.
  • the one of these layers is in direct contact with the active layer 131 of the second solar cell 130 and then also acts as a charge extractor in the second cell 130.
  • the layers of nanocrystalline or microcrystalline silicon of P type (p+) and/or of N type (n+) can have a thickness ranging from 20 to 40 nm.
  • the Fermi level is between 4.5 and 5.9 eV.
  • the Fermi level is between 3.9 and 4.4 eV.
  • Nanocrystalline or microcrystalline silicon layers are heavily doped.
  • the doping of the nanocrystalline or microcrystalline (p+ or n+) silicon layers ranges, for example, from 10 18 to 10 22 /cm 3 .
  • the layers based on nanocrystalline or microcrystalline silicon are in pc-Si:H (p+), pc-Si:H (n+), nc-SiC x type N or P or nc-SiO y type N or
  • Such layers advantageously have a high vertical conductivity, a low vertical resistance (typically less than 0.5 Ohm.cm 2 ) and/or a lateral conductivity greater than 10" 3 S.cm -1 .
  • the p/n type doping levels of the layers 111 and 115 are, for example, between 10 and 10 /cm '
  • the silicon substrate 12 of the lower cell can be polished or textured (for example, it can be textured in the form of 2 ⁇ m pyramids).
  • the amorphous layers of the lower cell having a thickness of a few nanometers, they will take the form of the texturing of the substrate.
  • the N-type layer 133 of the perovskite cell 130 also called “electron transport layer” (or EIL for "Electron Injection Layer” or ETL for “Electron Transport Layer”) is, for example, a metal oxide such as zinc oxide (ZnO), aluminum doped zinc oxide also called AZO (ZnO: Al), titanium oxide (TiO 2 ) or tin oxide (SnO 2 ). It can also be a stack of [6,6]-phenyl-C 6 i-methyl butanoate and SnO 2 (PCBM/SnO 2 ) or [6,6]-phenyl-C 6 i- bathocuproine methyl butanoate (PCBM/ BCP).
  • PCBM/SnO 2 [6,6]-phenyl-C 6 i- bathocuproine methyl butanoate
  • the P-type layer 132 of the perovskite cell 130 is also called “hole transport layer” (or HTL for “Hole Transport Layer”).
  • the P-type layer 132 is, for example, an organic compound such as Poly(3,4- ethylenedioxythiophene) Polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), [poly(bis 4-phenyl ⁇ 2,4,6-trimethylphenyl ⁇ amine)] (PTAA), [Poly(A/,A/'-bis(4-butylphenyl)-A/,A/'-bis(phenyl)-benzidine] (Poly-TPD), 2,2 , ,7,7 , -Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'- spirobifluorene (spiro-OMeTAD), N4,N4'-bis(4-(6-((3- ethyloxetan-3-yl
  • the active layer 131 of the perovskite cell 130 comprises at least one perovskite material.
  • the perovskite material has the general formula ABX 3 with A representing one or more monovalent organic cations, such as an ammonium, such as methylammonium or formamidinium, or even a monovalent metal cation, such as cesium or rubidium; B representing a divalent metal cation such as Pb, Sn, Ag or a mixture thereof; and X representing one or more halide anions.
  • the perovskite material may have the particular formula H 2 NCHNH 2 PbX 3 or CH 3 NH 3 PbX 3 with X a halogen. It may be, for example, methylammonium lead iodide CH 3 NH 3 Pbl 3 .
  • the perovskite material has the formula Cs x FAi. x Pb(li. y Br y ) 3 .
  • the tandem device 100 can also comprise:
  • the lower electrode 140 can advantageously be opaque or of limited transparency, for example a conductive transparent oxide such as in particular ITO, IOH (hydrogenated indium oxide), or AZO
  • a conductive transparent oxide such as in particular ITO, IOH (hydrogenated indium oxide), or AZO
  • This electrode 150 can be made of conductive transparent oxide, typically indium-tin oxide (ITO) or zinc oxide doped with aluminum (ZnO: AI), IZO, IZrO, IWO, etc., or it can be formed from a transparent conductive polymer comprising silver nanowires, for example ,
  • the contact times can be for example in gold, aluminum or silver (deposited for example by evaporation, or printed by screen printing, inkjet printing, etc.).
  • Simplified tandem structures 100 are shown in Figures 2A, 2B, 3A and 3B.
  • Tables 1 and 2 below list the thicknesses of the simulated layers for NIP and PIN type architectures respectively.
  • the perovskite used in the simulations is of the Cs x FAi type.
  • x Pb(li. y Br y )3 (with x ⁇ 0.20; 0 ⁇ y ⁇ 1).
  • Two different thicknesses were used to obtain less current deviation between the two sub-cells when the surface state is modified.
  • the results presented will be with a perovskite 250 nm thick when the front side is polished and 415 nm thick when textured.
  • Optical simulations of these structures were carried out using the CROWM software, taking into account the optical indices of the layers, their thickness and the state of the surface (totally flat, textured, etc.). These simulations are performed between 310 and 1200 nm with the AMI.5 solar spectrum. The optical indices were extracted by ellipsometry from the experimental layers.
  • the front and back faces of the tandem structures can be polished or textured independently of each other.
  • FIGS. 3A and 3B prove to be different from the others in terms of distribution of the absorption in the tandem cell, on the other hand the resulting short-circuit currents are very similar.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Structure photovoltaïque tandem (100) comprenant depuis la face arrière vers la face avant : - une première cellule solaire (110) à hétérojonction de silicium : une première couche d'un premier type de conductivité en silicium amorphe et un substrat de silicium cristallin dopé (112) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque (113, 114), - une zone de recombinaison comprenant une couche de silicium nano- ou micro-cristallin du deuxième type de conductivité, - une deuxième cellule solaire (130) comprenant une couche active (131) en un matériau pérovskite et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité. la zone de recombinaison comprenant en outre une couche du premier type de conductivité en contact avec la couche active de la deuxième cellule ou une couche de silicium nano- ou micro-cristallin du premier type de conductivité en contact avec la couche active de la deuxième cellule solaire.

Description

STRUCTURE SIMPLIFIEE DE CELLULES SOLAIRES TANDEM A DEUX TERMINAUX
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs photovoltaïques, en particulier des cellules photovoltaïques de type tandem pérovskite sur hétérojonction de silicium à 2 terminaux.
L'invention concerne une structure simplifiée ayant des propriétés (photo)électriques comparables à celles d'une structure tandem classique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les cellules solaires permettent de convertir une partie du domaine spectral du rayonnement solaire en énergie. Pour augmenter le rendement de cette conversion, il est possible de fabriquer des structures à architecture tandem comprenant deux sous-ensembles (i.e. une cellule inférieure et une cellule supérieure), absorbant dans des domaines spectraux différents.
De nombreuses configurations sont possibles. La cellule inférieure 10 peut être, par exemple, une cellule en pérovskite, en CIGS (Cu(ln,Ga)Se2), ou encore il peut s'agir d'une cellule à base de silicium, par exemple, à homojonction ou à hétérojonction de silicium (HET-Si ou SHJ pour « Silicon HeteroJunction solar cell »), de type PERC (« Passivated Emitter and Rear Contact ») ou TopCon (« Tunnel Oxide Passivated Contact ») ou encore une cellule PERT type N avec double diffusion de phosphore.
La cellule supérieure 30 peut être, par exemple, une cellule pérovskite, organique ou multi-jonction (MJSC) à base de matériaux lll-V (AIGaAs, GalnP, GaAs).
Les deux sous-cellules sont empilées l'une sur l'autre selon un schéma NIP/NIP (figure IA) ou PIN/PIN (figure IB) A titre illustratif, dans le cas des structures tandem de type pérovskite sur hétérojonction de silicium à 2-terminaux, la structure de type NIP comprend classiquement de la face arrière vers la face avant (figure IA) :
- une cellule inférieure 10 comprenant une couche de silicium amorphe dopé de type n 11 ((n) a-Si :H), un substrat en silicium cristallin 12 dopé de type n (c-Si(n)) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèques 13, 14 ((i) a-Si :H),
- une zone de recombinaison 20,
- une cellule supérieure 30 comprenant : une couche de type N 33 (SnO2 par exemple), une couche active en un matériau pérovskite 31, une couche de type P 32 (PTAA par exemple).
Des électrodes inférieures et supérieures 40, 50 ainsi que des contacts électriques 60, 70 viennent compléter la structure.
Dans le cas d'une structure de type PIN, les couches de type P et N sont inversées et la structure comprend classiquement de la face arrière vers la face avant (figure IB) :
- une cellule inférieure 10 comprenant une couche de silicium amorphe dopé P 15 ((p) a-Si :H), un substrat en silicium cristallin 12 dopé de type n (c-Si(n)), disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque 13, 14 ((i) a-Si :H), une couche de silicium amorphe dopé de type N 11 ((n) a-Si :H),
- une zone de recombinaison 20,
- une cellule supérieure 30 comprenant : une couche de type P 32, une couche active en un matériau pérovskite 31 et une couche de type N 33.
Chaque sous-cellule 10, 30 de la structure tandem comporte des couches qui permettent de séparer et sélectionner les charges selon leur polarité.
La zone de recombinaison 20 entre les deux sous-cellules est nommée « jonction de recombinaison » car elle permet aux charges de se recombiner. Elle permet également la connexion en série des sous-cellules et ainsi l'addition de leurs tensions. Elle doit entrainer la recombinaison des électrons générés dans la cellule-supérieure et des trous générés dans la cellule-inférieure pour un tandem de structure NIP (Fig.lA) et l'inverse pour une structure PIN (Fig.lB). La zone de recombinaison 20 est, par exemple, formée d'une jonction tunnel formée de deux couches très dopées : l'une de type P 21 ((p+) pc-Si :H) et l'autre de type N 22 ((n+) pc-Si :H). Dans le cas d'une structure NIP, la couche 21 de la zone de recombinaison joue aussi le rôle d'émetteur de la cellule inférieure 10.
Cependant, ces structures tandem nécessitent de nombreuses étapes pour être fabriquées, ce qui augmente les coûts de fabrication et le nombre de couches et d'interfaces susceptibles de baisser les performances (par ajout de résistance série, de résistances de contact, de recombinaisons non souhaitées...).
Il a été montré qu'une structure tandem de type NIP comprenant une cellule supérieure pérovskite et une cellule inférieure à base de silicium cristallin et de poly-Si peut fonctionner en positionnant directement la cellule supérieure sur la cellule inférieure (Shen et al. « In situ recombination junction between p-Si and TiO2 enables high-efficiency monolithic perovskite/Si tandem cells », Science Advances, 2018; 4: eaau9711). Plus particulièrement, une couche de TiO2 de type N est déposée par ALD directement sur le silicium dopé P de la cellule inférieure. Puis, une couche de pérovskite et une couche de type P en PTAA sont déposées. Le fonctionnement de cette structure est rendu possible grâce à la faible résistivité de contact entre la couche ALD de TiO2 et le silicium dopé P de la cellule inférieure.
De même, une structure tandem pérovskite sur homojonction de silicium a été fabriquée en déposant directement la couche de SnO2 de type N de la cellule supérieure en pérovskite sur la couche de type P de la cellule inférieure (Zheng et al. "Large area efficient interface layer free monolithic perovskite/homo-junction-silicon tandem solar cell with over 20% efficiency", Energy Environ. Sci ., 2018, 11, 2432-2443).
Cependant, à ce jour, il n'existe pas de structure tandem pérovskite sur hétérojonction de silicium, à base de silicium amorphe et de silicium cristallin, simplifiée. En effet, l'hétérojonction silicium amorphe/silicium cristallin est très sensible à la température utilisée lors du procédé. De plus, le dépôt de la couche active de pérovskite est généralement réalisé par voie liquide et est donc grandement dépendant du substrat sur lequel elle est déposée ainsi que des étapes de fabrication mises en œuvre, ce qui rend une modification de leur architecture très difficile à réaliser. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Un but de la présente invention est de proposer une structure tandem pérovskite sur hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin à deux terminaux présentant de bonnes propriétés électriques et plus simple et moins coûteuse à fabriquer.
Pour cela, la présente invention propose une structure de cellules solaires tandem à 2-terminaux pérovskite sur hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant :
- une première cellule solaire à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : une première couche d'un premier type de conductivité en silicium amorphe, un substrat de silicium cristallin (du premier type de conductivité ou d'un deuxième type de conductivité) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque, et éventuellement une première couche d'un deuxième type de conductivité en silicium amorphe,
- une zone de recombinaison comprenant au moins une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité,
- une deuxième cellule solaire comprenant une couche active en un matériau pérovskite et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité, la zone de recombinaison comprenant en outre une deuxième couche du premier type de conductivité en contact avec la couche active de la deuxième cellule solaire ou une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité en contact avec la couche active de la deuxième cellule solaire.
L'invention se distingue fondamentalement de l'art antérieur par le fait que dans ces structures, l'une des couches de la zone de recombinaison remplit une double fonction : à la fois le rôle de sélection des charges (contact de type N ou P) et participe à la fonction jonction de recombinaison.
Cette structure fonctionnelle permet la recombinaison des charges et la connexion en série entre les deux sous-cellules, sans ajout de couche et/ou de matériau supplémentaire entre les deux sous-cellules de la structure tandem, comme c'est le cas dans les structures tandem classiques.
La zone de recombinaison est une jonction P-N entièrement recombinante (quels que soient les mécanismes de recombinaison). La zone de recombinaison n'entraîne aucun potentiel inverse : aucune perte de tension dans la cellule solaire tandem.
Cette structure simplifiée est plus simple à fabriquer par rapport aux structures des cellules solaires tandem classiques. La diminution du nombre de couches structurelles et donc d'étapes du procédé de fabrication conduisent à une réduction des coûts de fabrication.
Selon une première variante de réalisation, le premier type de conductivité est une conductivité de type N (i.e. il s'agit d'une structure tandem de type NIP).
Selon cette première variante de réalisation, la structure peut comprendre depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche du premier type de conductivité (type N) en silicium amorphe et le substrat de silicium cristallin disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque,
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type P),
- la deuxième cellule solaire pérovskite comprenant vers la face avant : la deuxième couche du premier type de conductivité (type N), de préférence en SnO2, la couche active en un matériau pérovskite et la deuxième couche d'un deuxième type de conductivité (type P) de préférence en PTAA.
La zone de recombinaison est alors formée de la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type P) et de la deuxième couche du premier type de conductivité (type N). Ces deux couches sont en contact direct. Avec une telle architecture, la cellule supérieure est une cellule classique. Cette configuration permet d'obtenir de hauts rendements.
Alternativement, selon cette même première variante de réalisation, la structure peut comprendre depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche du premier type de conductivité (type N) en silicium amorphe et le substrat de silicium cristallin disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque,
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type P) et la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type N),
- la deuxième cellule solaire pérovskite comprenant vers la face avant : la couche active en un matériau pérovskite et la deuxième couche du deuxième type de conductivité (type P) de préférence en PTAA.
La zone de recombinaison est alors formée de la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type P) et de la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type N) qui forment une jonction tunnel. La couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type N) sert également d'extracteur de charges dans la deuxième cellule (pérovskite). Il n'y a pas besoin d'ajouter une couche du premier type de conductivité (type N), telle qu'une couche de SnO2, dans la deuxième cellule solaire. La couche active de la deuxième cellule solaire est en contact direct avec la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type N).
Avec cette architecture, les couches à base de silicium nanocristallin ou microcristallin peuvent être déposées dans les mêmes équipements que les couches en silicium amorphe de la cellule inférieure et sur de grandes surfaces de façon homogène, ce qui simplifie le procédé de fabrication et facilite l'obtention d'une couche pérovskite homogène. Selon une deuxième variante de réalisation, le premier type de conductivité est une conductivité de type P (i.e. il s'agit d'une structure tandem de type
PIN).
Selon cette deuxième variante de réalisation, la structure peut comprendre depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche du premier type de conductivité (type P) en silicium amorphe, le substrat de silicium cristallin disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque, éventuellement la première couche du deuxième type de conductivité (type N) en silicium amorphe,
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type N),
- la deuxième cellule solaire pérovskite comprenant vers la face avant : la deuxième couche du premier type de conductivité (type P), de préférence en PTAA ou en TFB ou alternativement obtenue à partir de phosphonate(s), silanes ou acides carboxyliques, la couche active en un matériau pérovskite et la deuxième couche du deuxième type de conductivité (type N), de préférence en SnO2 ou encore un empilement PCBM/SnO2 ou PCBM/BCP.
La zone de recombinaison est alors formée de la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type N) et de la deuxième couche du premier type de conductivité (type P). Ces deux couches sont en contact direct.
Avec cette architecture de type PIN, il est possible d'obtenir de forts courants. De plus, la cellule inférieure est une cellule à hétérojonction classique et ne demande pas de développement supplémentaire.
Alternativement, selon cette même deuxième variante de réalisation, la structure peut comprendre depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche du premier type de conductivité (type P) en silicium amorphe, le substrat de silicium cristallin disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque, la première couche du deuxième type de conductivité (type N) en silicium amorphe,
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type N) et la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type P),
- la deuxième cellule solaire pérovskite comprenant vers la face avant : la couche active en un matériau pérovskite et la deuxième couche du deuxième type de conductivité (type N) de préférence en SnO2 ou encore un empilement PCBM/SnO2 ou PCBM/BCP.
La zone de recombinaison est alors formée de la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité (type N) et une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type P) qui forment une jonction tunnel. La couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type P) sert également d'extracteur de charges dans la cellule pérovskite. Il n'y a pas besoin d'ajouter une couche du premier type de conductivité (type P), telle qu'une couche de PTAA, dans la deuxième cellule solaire. La couche active de la deuxième cellule solaire est en contact direct avec la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (type P).
Avec cette architecture, les couches à base de silicium nanocristallin ou microcristallin peuvent être déposées dans les mêmes équipements que les couches en silicium amorphe de la cellule inférieure et sur de grandes surfaces de façon homogène, ce qui simplifie le procédé de fabrication et facilite l'obtention d'une couche pérovskite homogène. De forts courants peuvent être obtenus avec cette architecture.
Avantageusement, la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité est en pc-Si :H (p+), pc- Si :H (n+), nc-SiCx type N ou P ou nc-SiOy type N ou P avec x allant de 0 à 1 et y allant de 0 à 2.
Par nanocristallin ou microcristallin, on entend une couche comportant à la fois une phase amorphe et une phase cristalline, la phase cristalline ayant une taille de grain inférieure à 30nm. Elle est comprise, en général, entre 1 et 10 nm pour du silicium nanocristallin et en général entre 10 et 30nm et de préférence entre 10 et 20 nm pour du microcristallin. Parfois, dans la littérature, pour des tailles de grain inférieures à 10 nm, on trouve également la dénomination de silicium microcristallin.
Avantageusement, la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité a une épaisseur allant de 15nm à 60nm et de préférence de 20nm à 40nm.
Avantageusement, la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité a une conductivité supérieure a 10 S. cm .
Avantageusement, la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité a un taux de dopage de 1018/cm3 à 1022/cm3, et de préférence entre 1019/cm3 et 102°/cm3 pour le type P et entre 102°/cm3 et 1021/cm3 pour le type N.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n'est donné qu'à titre d'illustration de l'objet de l'invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
La figure IA précédemment décrite dans l'art antérieur, représente, de manière schématique et en coupe, une structure tandem NIP-NIP à deux terminaux.
La figure IB précédemment décrite dans l'art antérieur, représente, de manière schématique et en coupe, une structure tandem PIN-PIN à deux terminaux.
La figure 2A représente, de manière schématique et en coupe, une structure tandem simplifié NIP-NIP à deux terminaux, selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 2B représente, de manière schématique et en coupe, une structure tandem simplifié PIN-PIN à deux terminaux, selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 3A représente, de manière schématique et en coupe, une structure tandem simplifié NIP-NIP à deux terminaux, selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
La figure 3B représente, de manière schématique et en coupe, une structure tandem simplifié PIN-PIN à deux terminaux, selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention.
Les figures 4A et 4B sont des graphiques représentant l'EQE et la valeur '1-Rtot' en fonction de la longueur d'onde (avec Rtot correspondant à la réflexion totale de l'empilement de la cellule (sans la métallisation en face avant)), obtenus pour des structures tandem polies en face avant et en face arrière, de type NIP (correspondant aux figures IA, 2A et 3A) et de type PIN (correspondant aux figures IB, 2B et 3B) respectivement.
Les figures 5A et 5B sont des graphiques représentant l'EQE et la valeur '1-Rtot' en fonction de la longueur d'onde, obtenus pour des structures tandem dont le substrat est poli en face avant et avec une texturation pyramidale classique en face arrière, de type NIP (correspondant aux figures IB, 2B et 3B) et de type PIN (correspondant aux figures IA, 2A et 3A) respectivement. Les figure 6A et 6B sont des graphiques représentant l'EQE et la valeur '1-Rtot' en fonction de la longueur d'onde, obtenus pour des structures tandem texturées en face avant et en face arrière, de type NIP (correspondant aux figures IA, 2A et 3A) et de type PIN (correspondant aux figures IB, 2B et 3B) respectivement.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation, tels que « dessus » / « supérieure », «dessous » / « inférieure », etc. d'une structure s'appliquent en considérant que le dispositif tandem et la structure test sont orientés de la façon illustrée sur les figures.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 2A, 2B, 3A et 3B représentent quatre structures tandem 100 pérovskite sur hétérojonction de silicium (silicium amorphe/silicium cristallin) simplifiées. Chacune de ces structures tandem 100 comprend :
- une première cellule 110 (ou cellule inférieure pour « bottom cell ») à hétérojonction de silicium (HET-Si ou SHJ pour « Silicon HeteroJunction solar cell ») positionnée en face arrière du dispositif,
- une zone de recombinaison : une jonction P-N entièrement recombinante (quels que soient les mécanismes de recombinaison), réalisée sans ajout de couches et/ou de matériaux supplémentaires ; la zone de recombinaison n'entraîne aucun potentiel inverse (i.e. aucune perte de tension dans la cellule solaire tandem),
- une deuxième cellule 130 (ou cellule supérieure pour « top cell ») pérovskite positionnée en face avant du dispositif.
On appelle face avant, la face destinée à recevoir le rayonnement lumineux (représenté par des flèches sur les figures).
Nous allons maintenant détailler plus en détail ces quatre différentes structures.
On se réfère tout d'abord à la structure tandem 100 représentée sur la figure 2A. Cette structure tandem 100 de type NIP (ou à émetteur standard) comprend : - la première cellule solaire 110 à hétérojonction de silicium (à base de silicium amorphe et de silicium cristallin) comprenant depuis la face arrière vers la face avant : une première couche en silicium amorphe dopé N (par exemple une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé n également notée (n) a-Si :H) 111 et un substrat de silicium cristallin 112 dopé (par exemple un substrat de silicium cristallin dopé n également noté c-Si (n)) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque 113, 114 (également appelées couches de (i) a-Si :H ou de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque),
- une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P 121 (par exemple une couche de silicium microcristallin hydrogéné dopé p+ également notée couche (p+) pc-Si :H), qui sert également d'émetteur dans la cellule à hétérojonction,
- une deuxième cellule solaire 130 pérovskite comprenant vers la face avant : une couche de type N 133 (par exemple une couche en SnO2), une couche active 131 en un matériau pérovskite et une couche de type P 132 (par exemple une couche en PTAA).
On se réfère maintenant à la structure tandem 100 représentée sur la figure 2B. Cette structure tandem 100 de type PIN (ou à émetteur inversé) comprend :
- la première cellule solaire 110 à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : une couche de silicium amorphe de type P 115 (par exemple une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé p, également notée (p) a-Si :H), un substrat de silicium cristallin dopé 112 (par exemple un substrat c-Si (n)) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque 113, 114 (par exemple (i) a-Si :H), et éventuellement une première couche de silicium amorphe de type N 111 (par exemple (n) a-Si :H), qui est également la couche d'incubation de la couche nano ou microcristalline 122,
- une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type
N 122 (par exemple une couche de silicium microcristallin hydrogéné dopé n+ également notée couche (n+) pc-Si :H), - une deuxième cellule solaire pérovskite 130 comprenant vers la face avant : une couche de type P 132 (par exemple une couche en PTAA ou TBF), une couche active 131 en un matériau pérovskite et une couche de type N 133 (par exemple une couche en SnO2 ou encore un bicouche PCBM/SnO2 ou PCBM/BCP).
Dans ces deux structures représentées sur les figures 2A et 2B, la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité (P dans le cas d'une structure NIP et N dans le cas d'une structure PIN) est en contact direct avec la couche du deuxième type de conductivité (N dans le cas d'une structure NIP et P dans le cas d'une structure PIN) de la deuxième cellule 130. La jonction de recombinaison se situe entre la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et le matériau transporteur/extracteur de charges du deuxième type de conductivité de la deuxième cellule solaire 130 (i.e. entre les couches 121 et 133 pour la structure NIP et entre les couches 122 et 132 pour la structure PIN).
On se réfère maintenant à la structure tandem 100 représentée sur la figure 3A. Cette structure tandem 100 de type NIP (ou à émetteur standard) comprend :
- une première cellule solaire 110 à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : une couche de silicium amorphe de type N 111 (par exemple (n) a-Si :H) et un substrat de silicium cristallin 112 (par exemple un substrat c-Si (n)) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque 113, 114 (par exemple (i) a-Si :H),
- une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P 121 qui joue également le rôle d'émetteur de la cellule à hétérojonction (par exemple (p+) pc-Si :H) et une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type N 122 (par exemple (n+) pc-Si :H),
- une deuxième cellule solaire 130 pérovskite comprenant vers la face avant : une couche active (131) en un matériau pérovskite et une couche de type P 132 (par exemple une couche en PTAA).
On se réfère maintenant à la structure tandem 100 représentée sur la figure 3B. Cette structure tandem 100 de type PIN (ou à émetteur inversé) comprend : - une première cellule solaire 110 à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : une couche de silicium amorphe de type P 115 (par exemple (p) a-Si :H) et un substrat de silicium cristallin 112 (par exemple un substrat c-Si (n)) disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque 113, 114 (par exemple (i) a-Si :H), éventuellement une couche de silicium amorphe de type N 111 (par exemple (n) a-Si :H), qui est également la couche d'incubation de la couche nano ou microcristalline 121,
- une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type N 121 (par exemple (n+) pc-Si :H) et une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P 122 (par exemple (p+) pc-Si :H),
- une deuxième cellule solaire 130 pérovskite comprenant vers la face avant : une couche active 131 en un matériau pérovskite et une couche de type N 133 (par exemple une couche en SnO2 ou un bicouche PCBM/SnO2).
Dans ces deux structures représentées sur les figures 3A et 3B, la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P 121 ou 122 et la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type N 122 ou 121 forment une jonction tunnel 120. L'une de ces couches est en contact direct avec la couche active 131 de la deuxième cellule solaire 130 et joue alors également le rôle d'extracteur de charges dans la deuxième cellule 130.
Pour ces différentes structures tandem 100 présentées précédemment, les couches de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P (p+) et/ou de type N (n+) peuvent avoir une épaisseur allant de 20 à 40nm.
Dans le cas d'une couche dopée P, le niveau de Fermi est entre 4,5 et 5,9 eV.
Dans le cas d'une couche dopée N, le niveau de Fermi est entre 3,9 et 4,4 eV.
Les couches de silicium nanocristallin ou microcristallin sont fortement dopées. Le dopage des couches de silicium nanocristallin ou microcristallin (p+ ou n+) va, par exemple, de 1018 à 1022/cm3. De préférence, les couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin sont en pc-Si :H (p+), pc-Si :H (n+), nc-SiCx type N ou P ou nc-SiOy type N ou
P avec x pouvant aller de 0 à 1 et y de 0 à 2.
De telles couches ont, avantageusement, une conductivité verticale élevée, une faible résistance verticale (typiquement inférieure à 0.5 Ohm. cm2) et/ou une conductivité latérale supérieure à 10"3 S. cm -1.
Les taux de dopage de type p/n des couches 111 et 115 sont, par exemple, entre 10 et 10 /cm '
Le substrat de silicium 12 de la cellule inférieure peut être poli ou texturé (par exemple, il peut s'agir d'une texturation sous la forme de pyramides de 2pm). Les couches amorphes de la cellule inférieure ayant une épaisseur de quelques nanomètres, elles vont prendre la forme de la texturation du substrat.
La couche de type N 133 de la cellule pérovskite 130 aussi appelée « couche de transport d'électrons » (ou EIL pour « Electron Injection Layer » ou ETL pour « Electron Transport Layer ») est, par exemple, un oxyde métallique tel que l'oxyde de zinc (ZnO), de l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium aussi appelé AZO (ZnO :AI), l'oxyde de titane (TiO2) ou l'oxyde d'étain (SnO2). Il peut également s'agir d'un empilement de [6,6]- phényl-C6i-butanoate de méthyle et de SnO2 (PCBM/SnO2) ou de [6,6]-phényl-C6i- butanoate de méthyle et de bathocuproine (PCBM/ BCP).
La couche de type P 132 de la cellule pérovskite 130 est aussi appelée « couche de transport de trous » (ou HTL pour « Hole Transport Layer »). La couche de type P 132 est, par exemple, un composé organique comme du Poly(3,4- éthylenedioxythiophène) Polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), du [poly(bis 4-phényl}{2,4,6- trimethylphényl}amine)] (PTAA), du [Poly(A/,A/'-bis(4-butylphényl)-A/,A/'-bis(phényl)- benzidine] (Poly-TPD), du 2,2,,7,7,-Tétrakis[N,N-di(4-méthoxyphényl)amino]-9,9'- spirobifluorène (spiro-OMeTAD), du N4,N4'-bis(4-(6-((3-éthyloxetan-3- yl)méthoxy)hexyl)phényl)-N4,N4'-diphényl-[l,r-biphényl]-4,4'-diamine (OTPD), du poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(4,4'-(/V-(4-sec-butylphenyl)diphenylamine)] (TFB) ou du pyrène, ou encore un oxyde métallique tel qu'un oxyde de molybdène, un oxyde de vanadium ou un oxyde de tungstène. La couche active 131 de la cellule pérovskite 130 comprend au moins un matériau pérovskite. Le matériau pérovskite a de formule générale ABX3 avec A représentant un ou plusieurs cations organiques monovalents, tel qu'un ammonium, comme le méthylammonium ou le formamidinium, ou encore un cation métallique monovalent, comme le césium ou le rubidium ; B représentant un cation métallique divalent comme Pb, Sn, Ag ou un de leurs mélanges; et X représentant un ou plusieurs anions halogénures.
Plus particulièrement, le matériau pérovskite peut avoir pour formule particulière H2NCHNH2PbX3 ou CH3NH3PbX3 avec X un halogène. Il peut s'agir par exemple de iodure de plomb méthylammonium CH3NH3Pbl3. De préférence, le matériau pérovskite a pour formule CsxFAi.xPb(li.yBry)3.
Le dispositif tandem 100 peut comprendre également :
- une première électrode 140 (électrode inférieure) disposée en face arrière ; l'électrode inférieure 140 peut, avantageusement, être opaque ou de transparence limitée, par exemple un oxyde transparent conducteur tel que notamment ITO, IOH (oxyde d'indium hydrogéné), ou AZO
- une deuxième électrode 150 (électrode supérieure) disposée sur la face avant du dispositif ; la deuxième électrode est électriquement conductrice et optiquement transparente, de manière à laisser passer les photons jusqu'à la couche active 131 de la cellule supérieure 130. Cette électrode 150 peut être en oxyde transparent conducteur, typiquement de l'oxyde d'indium-étain (ITO) ou de l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO :AI), IZO, IZrO, IWO..., ou encore elle peut être formée d'un polymère transparent conducteur comprenant des nanofils d'argent par exemple,
- des reprises de contact 160 en face arrière et des reprises de contact 170 en face avant ; les reprises de contact peuvent être par exemple en or, en aluminium ou en argent, (déposé par exemple par évaporation, ou imprimé par sérigraphie, impression jet d'encre...).
Exemples illustratifs et non limitatifs d'un mode de réalisation :
Dans cet exemple, une structure tandem classique et deux structures tandem simplifiées ont été choisies. La structure tandem classique est représentée sur les figures IA et IB.
Les structures tandem simplifiées 100 sont représentées sur les figures 2A, 2B, 3A et 3B.
Les Tableaux 1 et 2 suivants recensent les épaisseurs des couches simulées pour des architectures de type NIP et PIN respectivement. La pérovskite utilisée dans les simulations est de type CsxFAi.xPb(li.yBry)3 (avec x < 0,20 ; 0 < y < 1). Deux épaisseurs différentes ont été utilisées pour obtenir moins d'écart de courant entre les deux sous-cellules lorsque l'état de surface est modifié. Les résultats présentés seront avec une pérovskite de 250 nm d'épaisseur lorsque la face avant est polie et de 415 nm d'épaisseur lorsqu'elle est texturée.
Le tableau 1 suivant répertorie les épaisseurs (nm) des couches simulées pour les architectures de type NIP :
Figure imgf000019_0001
Le tableau 2 suivant répertorie les épaisseurs (nm) des couches simulées pour les architectures de type PIN :
Figure imgf000020_0001
Des simulations optiques de ces structures ont été réalisées en utilisant le logiciel CROWM, en tenant compte des indices optiques des couches, de leur épaisseur et de l'état de surface (totalement plane, texturée...). Ces simulations sont effectuées entre 310 et 1200 nm avec le spectre solaire AMI.5. Les indices optiques ont été extraits par ellipsométrie à partir des couches expérimentales.
Les courbes obtenues représentant l'efficacité quantique externe (EQ.E) et la valeur '1-Rtot' sont représentées sur les figures 4A, 4B, 5A, 5B, 6A et 6B. Cette étude par simulation optique démontre que les structures tandem simplifiées NIP et PIN avec une jonction en silicium microcristallin sont viables peu importe la texturation. En effet, ces structures simplifiées ne présentent optiquement que très peu de différences avec les structures complètes et ont le même potentiel optique.
Le Tableau 3 répertorie les valeurs de Jsc et Rtot obtenues par simulations optiques, et les PCE estimés pour FF = 75 % et \Z0C=1.8 V pour des structures tandem classiques (telles ques représentées sur les figures IA et IB) et des structures tandem simplifiées telles que représentées sur les figures 2A, 2B et 3A, 3B. Les faces avant et arrière des structures tandem peuvent être indépendemment l'une de l'autre polies ou texturées.
Figure imgf000021_0001
Les structures tandem simplifiées représentées sur les figures 3A et 3B se révèlent être différentes des autres en terme de répartition de l'absorption dans la cellule tandem, par contre les courants de court-circuit qui en résultent sont très similaires.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure photovoltaïque tandem (100) à 2-terminaux comprenant depuis la face arrière vers la face avant :
- une première cellule solaire (110) à hétérojonction de silicium comprenant depuis la face arrière vers la face avant : une première couche d'un premier type de conductivité en silicium amorphe et un substrat de silicium cristallin (112) du premier type de conductivité ou d'un deuxième type de conductivité, disposé entre deux couches de silicium amorphe intrinsèque (113, 114), et éventuellement une première couche d'un deuxième type de conductivité en silicium amorphe,
- une zone de recombinaison comprenant une couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité, et une deuxième couche du premier type de conductivité, éventuellement à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité,
- une couche active (131) en un matériau pérovskite et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité, caractérisée en ce que la deuxième couche du premier type de conductivité de la zone de recombinaison est en contact avec la couche active en matériau pérovskite (131) et avec la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité de la zone de recombinaison.
2. Structure tandem (100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité est en pc-Si :H (p+), pc-Si :H (n+), nc-SiCx type N ou P ou nc-SiOy type N ou P avec x allant de 0 à 1 et y allant de 0 à 2.
3. Structure tandem (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité a une épaisseur allant de 15nm à 60nm et de préférence de 20 à 40nm.
4. Structure tandem (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité a une conductivité supérieure
Figure imgf000023_0001
5. Structure tandem (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du premier type de conductivité et/ou la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin du deuxième type de conductivité a un taux de dopage de 1018/cm3 à 1022/cm3.
6. Structure tandem (100) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier type de conductivité est de type N.
7. Structure tandem (100) selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire (110) à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche de type N (111) en silicium amorphe et le substrat de silicium cristallin (112) disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque (113, 114),
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P (121),
- une deuxième cellule solaire (130) pérovskite comprenant vers la face avant : la deuxième couche de type N (133), de préférence en SnO2, la couche active (131) en un matériau pérovskite et la deuxième couche de type P (132) de préférence en PTAA. 8. Structure tandem (100) selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire (110) à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche de type N (111) en silicium amorphe et le substrat de silicium cristallin (112) disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque (113, 114),
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P
(121) et la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type N (122),
- la deuxième cellule solaire (130) pérovskite comprenant vers la face avant : la couche active (131) en un matériau pérovskite et la deuxième couche de type P (132) de préférence en PTAA.
9. Structure tandem (100) selon l'un des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier type de conductivité est de type P.
10. Structure tandem (100) selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire (110) à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche de type P (115) en silicium amorphe, le substrat de silicium cristallin (112) disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque (113, 114), et la première couche de type N (111) en silicium amorphe,
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type N
(122),
- une deuxième cellule solaire pérovskite (120) comprenant vers la face avant : la deuxième couche de type P (132), de préférence en PTAA ou en TFB, la couche active (131) en un matériau pérovskite et la deuxième couche de type N (133) de préférence SnO2 ou un bicouche PCBM/SnO2.
11. Structure tandem (100) selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend depuis la face arrière vers la face avant :
- la première cellule solaire (110) à hétérojonction de silicium à base de silicium amorphe et de silicium cristallin comprenant depuis la face arrière vers la face avant : la première couche de type P (115) en silicium amorphe, le substrat de silicium cristallin (112) disposé entre les deux couches de silicium amorphe intrinsèque (113, 114), et la première couche de type N (111) en silicium amorphe,
- la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type N (121) et la couche à base de silicium nanocristallin ou microcristallin de type P (122), - une deuxième cellule solaire (130) pérovskite comprenant vers la face avant : la couche active (131) en un matériau pérovskite et la deuxième couche de type N (133) de préférence en SnO2 ou un bicouche PCBM/SnO2.
PCT/FR2021/052296 2020-12-18 2021-12-13 Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux WO2022129758A1 (fr)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202180092528.4A CN117280480A (zh) 2020-12-18 2021-12-13 双端太阳能电池的简化串联结构
EP21851608.6A EP4264678A1 (fr) 2020-12-18 2021-12-13 Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux
US18/257,718 US20240121969A1 (en) 2020-12-18 2021-12-13 Simplified tandem structure for solar cells with two terminals
AU2021403921A AU2021403921A1 (en) 2020-12-18 2021-12-13 Simplified tandem structure for solar cells with two terminals
CA3202271A CA3202271A1 (fr) 2020-12-18 2021-12-13 Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FRFR2013591 2020-12-18
FR2013591A FR3118297A1 (fr) 2020-12-18 2020-12-18 Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022129758A1 true WO2022129758A1 (fr) 2022-06-23

Family

ID=74554116

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2021/052296 WO2022129758A1 (fr) 2020-12-18 2021-12-13 Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240121969A1 (fr)
EP (1) EP4264678A1 (fr)
CN (1) CN117280480A (fr)
AU (1) AU2021403921A1 (fr)
CA (1) CA3202271A1 (fr)
FR (1) FR3118297A1 (fr)
WO (1) WO2022129758A1 (fr)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160163904A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University 2-terminal metal halide semiconductor/c-silicon multijunction solar cell with tunnel junction
US20160322172A1 (en) * 2016-05-09 2016-11-03 Solar-Tectic Llc Tin perovskite/silicon thin-film tandem solar cell
CN107564989A (zh) * 2017-07-20 2018-01-09 南开大学 一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计
CN109390430A (zh) * 2018-10-19 2019-02-26 君泰创新（北京）科技有限公司 一种叠层太阳能电池及其制备方法
CN111081812A (zh) * 2019-11-18 2020-04-28 深圳第三代半导体研究院 一种透明导电氧化物薄膜的制备方法及应用
CN111916561A (zh) * 2020-07-22 2020-11-10 隆基绿能科技股份有限公司 钙钛矿太阳能电池、叠层太阳能电池以及电池组件

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MY170170A (en) * 2012-09-18 2019-07-09 Univ Oxford Innovation Ltd Optoelectonic device
US20150053259A1 (en) * 2013-08-22 2015-02-26 Plant PV P-type doping of ii-vi materials with rapid vapor deposition using radical nitrogen
GB2559800B (en) * 2017-02-20 2019-06-12 Oxford Photovoltaics Ltd Multijunction photovoltaic device
KR102570856B1 (ko) * 2017-07-21 2023-08-25 상라오 징코 솔라 테크놀러지 디벨롭먼트 컴퍼니, 리미티드 페로브스카이트 태양전지 및 이를 포함하는 탬덤 태양전지
CN111081878A (zh) * 2018-10-19 2020-04-28 君泰创新（北京）科技有限公司 一种钙钛矿/硅基异质结叠层太阳能电池及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160163904A1 (en) * 2014-12-03 2016-06-09 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University 2-terminal metal halide semiconductor/c-silicon multijunction solar cell with tunnel junction
US20160322172A1 (en) * 2016-05-09 2016-11-03 Solar-Tectic Llc Tin perovskite/silicon thin-film tandem solar cell
CN107564989A (zh) * 2017-07-20 2018-01-09 南开大学 一种钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池中隧穿结的结构设计
CN109390430A (zh) * 2018-10-19 2019-02-26 君泰创新（北京）科技有限公司 一种叠层太阳能电池及其制备方法
CN111081812A (zh) * 2019-11-18 2020-04-28 深圳第三代半导体研究院 一种透明导电氧化物薄膜的制备方法及应用
CN111916561A (zh) * 2020-07-22 2020-11-10 隆基绿能科技股份有限公司 钙钛矿太阳能电池、叠层太阳能电池以及电池组件

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MAILOA JONATHAN P ET AL: "A 2-terminal perovskite/silicon multijunction solar cell enabled by a silicon tunnel junction", APPLIED PHYSICS LETTERS, A I P PUBLISHING LLC, US, vol. 106, no. 12, 23 March 2015 (2015-03-23), XP012196129, ISSN: 0003-6951, [retrieved on 19010101], DOI: 10.1063/1.4914179 *
MAILOA JONATHAN P ET AL: "Optical loss analysis of monolithic perovskite/Si tandem solar cell", 2015 IEEE 42ND PHOTOVOLTAIC SPECIALIST CONFERENCE (PVSC), IEEE, 14 June 2015 (2015-06-14), pages 1 - 3, XP032829650, DOI: 10.1109/PVSC.2015.7356420 *
PUAUD APOLLINE ET AL: "Microcrystalline Silicon Tunnel Junction for Monolithic Tandem Solar Cells Using Silicon Heterojunction Technology", IEEE JOURNAL OF PHOTOVOLTAICS, I E E E, US, vol. 11, no. 1, 26 November 2020 (2020-11-26), pages 58 - 64, XP011828742, ISSN: 2156-3381, [retrieved on 20201218], DOI: 10.1109/JPHOTOV.2020.3038600 *
SHEN ET AL.: "In situ recombination junction between p-Si and Ti0 enables high-efficiency monolithic perovskite/Si tandem cells", SCIENCE ADVANCES, vol. 4, 2018, pages eaau9711
ZHENG ET AL.: "Large area efficient interface layer free monolithic perovskite/homo-junction-silicon tandem solar cell with over 20% efficiency", ENERGY ENVIRON. SCI., vol. 11, 2018, pages 2432 - 2443, XP055887003, DOI: 10.1039/C8EE00689J

Also Published As

Publication number Publication date
US20240121969A1 (en) 2024-04-11
FR3118297A1 (fr) 2022-06-24
CN117280480A (zh) 2023-12-22
CA3202271A1 (fr) 2022-06-23
EP4264678A1 (fr) 2023-10-25
AU2021403921A1 (en) 2023-07-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10672930B2 (en) Photoelectric conversion device and photoelectric conversion module
US20140230901A1 (en) Organic Solar Cell Comprising an Intermediate Layer with Asymmetrical Transport Properties
US9768329B1 (en) Multi-junction optoelectronic device
JP2011061197A (ja) 太陽電池およびその製造方法
EP3161883B1 (fr) Cellules tandem multifils
US20200295209A1 (en) Integration of bypass diodes within thin film photovoltaic module interconnects
EP2898542A2 (fr) Cellule photovoltaique a heterojonction et procede de fabrication d&#39;une telle cellule
US11271128B2 (en) Multi-junction optoelectronic device
FR2878652A1 (fr) Diode organique electroluminescente a couches dopees
EP3555921B1 (fr) Dispositif photovoltaïque tandem comprenant une sous-cellule à base de perovskite et une sous-cellule a base de silicium
WO2013189850A1 (fr) Diode électroluminescente organique de type pin
WO2022129758A1 (fr) Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux
WO2022129757A1 (fr) Structure simplifiee de cellules solaires tandem a deux terminaux ayant un materiau de jonction en oxyde transparent conducteur
FR3069708B1 (fr) Empilement multicouche utile a titre de couche p pour dispositif photovoltaique
KR102075937B1 (ko) 고효율 perc 태양전지
FR3115929A1 (fr) Dispositif photovoltaïque tandem combinant une sous-cellule à base de silicium et une sous-cellule à base de pérovskite comportant une couche composite pérovskite/matériau de type P ou N
EP3979337A1 (fr) Procédé de caractérisation d&#39;une cellule solaire dans des conditions similaires à celles d&#39;un dispositif solaire à architecture tandem
KR102667799B1 (ko) 태양 전지 및 이의 제조 방법
FR3115928A1 (fr) Dispositif photovoltaïque tandem combinant une sous-cellule à base de silicium et une sous-cellule à base de pérovskite comportant une couche N à taux de carbone contrôlé
FR3122037A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;un dispositif optoélectronique ou photovoltaïque, et dispositif réalisé par ce procédé

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21851608

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 3202271

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18257718

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021403921

Country of ref document: AU

Date of ref document: 20211213

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021851608

Country of ref document: EP

Effective date: 20230718

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202180092528.4

Country of ref document: CN