WO2023213707A1 - Cellules solaires multi-jonctions a porteurs chauds - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un nouveau type de cellule solaire, également appelée cellule photovoltaïque. Plus précisément, la présente invention concerne une cellule solaire multi-jonctions comportant par ailleurs une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle cellule solaire. La présente invention concerne aussi l'utilisation d'une telle cellule solaire pour des applications photovoltaïques.
Description
CELLULES SOLAIRES MULTI-JONCTIONS A PORTEURS CHAUDS
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention concerne un nouveau type de cellule solaire, également appelée cellule photovoltaïque. Plus précisément, la présente invention concerne une cellule solaire multi-jonctions comportant par ailleurs une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une telle cellule solaire. La présente invention concerne aussi l’utilisation d’une telle cellule solaire pour des applications photovoltaïques.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
A ce jour, les cellules solaires approchent leur efficacité théorique maximale qui est 33% de l'efficacité de conversion de puissance sous rayonnement 1 -soleil ( 1000 W/m2 et température de la cellule standard à 25°C), également appelée limite de Shockley- Queisser (SQ) . Une approche décrite dans la littérature pour augmenter l’efficacité des cellules solaires consiste à empiler plusieurs jonctions, également appelées sous-cellules, chaque jonction étant constituée d'un empilement de différentes couches semi- conductrices formant une jonction PN. Les jonctions PN de chaque sous-cellule sont formées de façon à présenter chacune une énergie de bande interdite différente. Chaque sous-cellule absorbe ainsi une portion réduite du spectre solaire mais avec un rendement élevé. Il en résulte un rendement global accru d'une telle cellule solaire par rapport à une cellule solaire à jonction unique, par exemple en silicium. De telles cellules solaires sont appelées cellules solaires multi-jonctions (MJSC) ou structure en tandem, où une jonction supérieure (ou sous-cellule supérieure) est ajoutée à une jonction inférieure (ou sous-cellule inférieure), permettant une meilleure récolte de photons à haute énergie. Tel que cela est décrit dans les articles de Green et al. (Prog. Photovoltaics, 2021 ) et Geisz et al. (Nat. Energy, 2020), de telles cellules solaires multi-jonctions permettent d’augmenter considérablement l’efficacité jusqu’à 47, 1 % (lumière concentrée, cellules comportant 6 jonctions). Il s’agit actuellement du record absolu de rendement de conversion obtenu pour une cellule photovoltaïque, toutes technologies confondues.
Atteindre de tels rendements nécessite une parfaite adaptation de courant entre les jonctions lorsqu’elles sont en série, c'est-à-dire une combinaison de bandes interdites pour chaque sous-cellule. Cette combinaison de cellules en séries (intégration monolithique) est le choix majoritaire pour les applications industrielles, pour des questions de coût et de simplicité de mise en œuvre. Identifier des matériaux avec la bonne combinaison de bandes interdites qui peuvent être empilés ensemble reste un défi technologique. De plus, le gain d'efficacité devient de plus en plus petit à mesure que le nombre de jonctions augmente, tandis que le dispositif devient plus coûteux et
plus sensible aux variations spectrales. Dans ce contexte, des technologies alternatives sont explorées avec pour objectif d’atteindre de meilleures efficacités.
Une caractéristique commune à toutes les cellules solaires actuelles est que les photons solaires (des longueurs d'onde UV à IR) qui ont une énergie supérieure à la bande interdite du semi-conducteur génèrent des paires électron-trou, ou excitons, avec une énergie supérieure à celle de la bande interdite. A la suite d’interactions porteur-porteur très rapides, ces porteurs s’équilibrent suivant une distribution de Fermi- Dirac dont la température est supérieure à la température de réseau du matériau, d’où leur nom de « porteurs chauds ». Dans des cellules solaires conventionnelles, cette énergie, qui est sous forme cinétique, est rapidement (sur des échelles de temps inférieures à la picoseconde) dissipée sous la forme de chaleur dans le cristal. Bien que Shockley et Queisser aient calculé l'efficacité thermodynamique maximale théorique à environ 31-33% avec une bande interdite optimale entre environ 1 ,1 eV et 1 ,4 eV (Shockley et al., J. Appl. Phys. 1961 ), il a ensuite été démontré que des rendements de conversion supérieurs pouvaient être atteints si l'énergie excédentaire des porteurs chauds était exploitée avant leur refroidissement à la température du réseau. Une approche consiste à extraire ces porteurs chauds avant qu’ils ne refroidissent. Ces cellules sont appelées cellules solaires à porteurs chauds (HCSC).
Les cellules solaires à porteurs chauds sont décrites dans la littérature. Notamment, le document brevet WO2018/021966 (Nanyang University) décrit une cellule solaire à porteurs chauds ayant pour objectif de ralentir le refroidissement des porteurs chauds. Une telle cellule comprend une couche comprenant un ou plusieurs nanocristaux, chacun desdits un ou plusieurs nanocristaux comprenant un matériau pérovskite halogénure ; une première électrode en contact avec un premier côté de la couche contenant des nanocristaux ; et une seconde électrode en contact avec un second côté de la couche contenant des nanocristaux opposé au premier côté ; dans lequel la couche contenant des nanocristaux a une épaisseur inférieure à 100 nm.
Le développement de telles cellules solaires à porteurs chauds est néanmoins limité du fait que le taux de thermalisation dans les matériaux utilisés est trop rapide pour atteindre des populations de porteurs chauds, même sous un rayonnement solaire concentré. L’utilisation d’absorbeurs ultrafins pourrait constituer une solution, dans la mesure où ces absorbeurs ultrafins ont un taux de thermalisation significativement inférieur. Néanmoins, de tels absorbeurs ne peuvent pas absorber efficacement les photons de basse énergie proches de la bande interdite, ce qui limite leur efficacité.
Un tel document propose un arrangement optique pour diriger l'énergie solaire vers la couche contenant les nanocristaux, mais ceci réfère simplement à un effet de concentration avec des lentilles et miroirs, et non pas à une réelle augmentation de l'absorption de la couche semiconductrice, et compte ainsi sur le fait que le matériau absorbe très bien le rayonnement de sorte qu'une couche de 100 nm ou moins soit
suffisante, là où typiquement plusieurs centaines de nanomètres minimum sont généralement requis pour atteindre une absorption optimale.
Un objet de la présente invention est de proposer une cellule présentant un haut rendement de conversion, y compris avec des taux de thermalisation relativement élevés par rapport aux cellules HCSC classiques, notamment à forte concentration.
Un autre objet est de la présente invention est de proposer une cellule solaire apte à absorber une large gamme du spectre solaire.
EXPOSE DE L’INVENTION
Dans le cadre de la présente invention :
- l’expression « compris entre ... et ... » (par exemple, une plage de valeurs) doit être entendue comme incluant les limites (par exemple, les valeurs limites de cette plage de valeurs) ;
- toute description en lien avec un mode de réalisation est applicable et interchangeable avec l’ensemble des autres modes de réalisation de l’invention ; et
- lorsqu'un élément ou un composant est inclus dans et/ou sélectionné dans une liste d'éléments ou de composants, il doit être compris que cet élément ou composant individuel peut être sélectionné et combiné avec d’autres éléments individuels, ou peut être sélectionné pour constituer un sous-groupe de deux ou plusieurs éléments ou composants explicitement énumérés ; également, tout élément ou composant cité dans une liste d'éléments ou de composants peut être omis de cette liste.
Un premier objet de la présente invention concerne une cellule solaire multi- jonctions à porteurs chauds (HCMJSC), comprenant : au moins une jonction inférieure ; et au moins une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC), comprenant :
- un absorbeur (également appelé parfois « absorbeur porteur chaud »);
- au moins une couche contact choisie parmi : a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Un deuxième objet de la présente invention concerne un dispositif mobile ou immobile comprenant au moins une cellule solaire HCMJSC selon la présente invention, et optionnellement au moins un élément optique qui est configuré pour diriger et concentrer l'énergie solaire vers la cellule solaire HCMJSC (concentration).
Un troisième objet de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une cellule solaire HCMJSC selon l’invention.
Un quatrième objet de la présente invention concerne un procédé de production d’électricité, selon lequel :
au moins une cellule solaire HCMJSC ou un dispositif mobile ou immobile selon l’invention, est exposé au rayonnement solaire par son côté jonction supérieure, et on collecte un courant électrique.
PRESENTATION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
La Figure 1 représente la fraction absorbée du flux de photons incidents (spectre AMI .5D) en fonction de l'énergie des photons pour respectivement (a) une cellule HCSC avec un absorbeur mince (d = 200 nm ; EG = 1 ,19 eV) ; (b) une cellule HCMJSC selon l’invention avec une fine jonction à porteurs chauds (d = 200 nm; EG = 1 ,19 eV) au-dessus d'une jonction inférieure épaisse (d = 2 m; EG = 0,93 eV) ; (c) une cellule MJSC composé d'absorbeurs à couche épaisse en jonctions supérieure (d = 2 pm; EG = 1 ,59 eV) et inférieure (d = 2 pm; EG = 0,93 eV) ; et (d) une cellule MJSC selon WO2018/021966 à porteurs chauds ou froids en jonctions supérieure et inférieure avec les mêmes matériaux et épaisseurs que (c). Les coefficients d’absorption des différents matériaux considérés sont obtenus par extrapolation des coefficients d’absorption de InP (Eg = 1.344 eV) et InGaAs (Eg = 0,74 eV). L’absorption est calculée en utilisant un modèle de Beer-Lambert.
La Figure 2 représente une comparaison de l'efficacité d’une cellule MJSC idéale (ligne « croix », EG, top = 1 ,59 eV et Ec,-bot = 0,93 eV), d’une cellule HCMJSC optimale selon l’invention (ligne, EG, top = 1 ,344 eV et Ec.bot = 0,93 eV) et d’une cellule HCSC optimale (ligne « cercle », EG = 0,74 eV) en fonction du taux de thermalisation sous un éclairement concentré de 1000 soleils (spectre AMI .5D).
La Figure 3 représente la comparaison de l'influence des bandes interdites (band gap) des jonctions supérieure et inférieure sur l'efficacité de cellules MJSC (a) et HCMJSC (b) selon l’invention, pour un taux de thermalisation fixe correspondant au point de croisement d'efficacité pour des dispositifs optimaux (référencés en Figure 2), sous un éclairement concentré de 1000 soleils (spectre AMI .5D).
DESCRIPTION DETAILLEE
La cellule solaire de la présente invention repose sur la combinaison d’au moins deux jonctions distinctes, encore appelées sous-cellules distinctes, dont l’une de ces jonctions est de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC), cette dernière étant positionnée comme jonction supérieure. La combinaison de ces deux sous-cellules, ou jonctions, permet de proposer un équipement permettant d’absorber un large spectre solaire et avec un haut rendement de conversion, notamment à forte concentration. La jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds (HCSC) peut notamment être d’épaisseur fine ou ultrafine, ce qui permet d’éviter l'absorption optique parasite, facilite la compatibilité structurelle et réduit les coûts de matière. Une cellule ultrafine est plus tolérante aux radiations pour les applications spatiales. Elle présente par ailleurs une
bonne adaptation de courant et présente une compatibilité structurelle avec le dispositif sous-jacent. La combinaison de la jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds permet donc d'améliorer l'efficacité globale de la cellule solaire sans dégrader les performances de la (ou les) jonction(s) inférieure(s).
De manière générale, dans le cadre de la présente invention, les bandes interdites des absorbeurs peuvent être directes ou indirectes pour les jonctions supérieures comme inférieures.
La jonction supérieure HCSC permet de ralentir la vitesse de refroidissement des porteurs pour permettre aux porteurs chauds d'être collectés alors qu'ils sont encore à des énergies élevées (« chauds »), permettant ainsi d'obtenir des tensions plus élevées dans la jonction.
La jonction (ou sous-cellule) supérieure de type HCSC est également appelée dans le cadre de la présente invention jonction chaude (ou sous-cellule chaude), tandis que la jonction inférieure est appelée jonction froide (ou sous-cellule froide).
Par« couche contact électron », on entend une couche contact visant à extraire les électrons. La couche contact électron de la cellule HCMJSC selon l’invention peut être dopée n. Par « couche contact trou », on entend une couche contact visant à extraire les trous. La couche contact trou de la cellule HCMJSC selon l’invention peut être dopée p. Le rôle des deux couches contact de la jonction supérieure HCSC est d'assurer que les électrons et trous sont extraits séparément. Le dopage est une des manières possibles d'assurer cette extraction sélective.
La cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend au moins une couche contact, également appelée couche fenêtre, choisie parmi : a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Selon un mode de réalisation, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend au moins deux couches contact, plus particulièrement une couche contact électron et une couche trou, dont au moins une est choisie parmi : a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Selon un mode de réalisation préféré, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend deux couches contact :
a/ une couche contact électron, préférentiellement dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et b/ une couche contact trou, préférentiellement dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Selon un autre mode de réalisation, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle que la jonction supérieure HCSC comprend au moins deux couches contact, plus particulièrement une couche contact électron dopée n et une couche contact trou dopée p, dont au moins une est choisie parmi : a/ une couche contact électron dopée n, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et/ou b/ une couche contact trou dopée p, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Ainsi, la cellule HCMJSC selon la présente invention peut être telle qu’elle comprend selon un premier mode de réalisation : a/ une couche contact électron dopée n, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et b/ une couche contact trou dopée p.
Selon ce premier mode de réalisation, la bande de valence de la couche contact trou est quelconque, notamment elle peut être supérieure ou égale à la bande de valence de l’absorbeur.
Selon un deuxième mode de réalisation, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle qu’elle comprend : a/ une couche contact électron dopée n, et b/ une couche contact trou dopée p, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Selon ce deuxième mode de réalisation, la bande de conduction de la couche contact électron est quelconque, notamment elle peut être inférieure ou égale à la bande de conduction de l’absorbeur.
De préférence, la cellule HCMJSC selon la présente invention est telle qu’elle comprend les deux couches contact suivantes : a/ une couche contact électron, qui peut être dopée n, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur, et b/ une couche contact trou, qui peut être dopée p, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur.
Selon un mode de réalisation, la jonction supérieure HCSC est telle qu’elle comprend au moins une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur. Par exemple, la bande de conduction de la couche contact électron est supérieure à la bande de conduction de l’absorbeur d’au moins 20 meV, au moins 30 meV, au moins 40 meV, au moins 50 meV
ou au moins 60 meV de préférence au moins 20 meV, plus préférentiellement au moins 60 meV.
Selon un autre mode de réalisation, la jonction supérieure HCSC est telle qu’elle comprend au moins une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur. Par exemple, la bande de valence de la couche contact trou est inférieure à la bande de valence de l’absorbeur d’au moins 20 meV, au moins 30 meV, au moins 40 meV, au moins 50 meV ou au moins 60 meV, de préférence au moins 20 meV, plus préférentiellement au moins 60 meV.
Les valeurs des bandes de conduction et de valence peuvent notamment être évaluées par photo spectroscopie UV, également appelée spectrométrie photoélectronique UV (UV photoelectron spectroscopy ou UPS).
Dans le cadre de la présente invention, on peut être amené à calculer la limite théorique d’une cellule solaire MJSC ne comportant pas de jonction supérieure HCSC et la comparer à la limite théorique d’une cellule solaire selon l’invention (identique mais comportant néanmoins la jonction supérieure HCSC). Ces limites théoriques sont évaluées au moyen du modèle de bilan détaillé qui est communément utilisé pour évaluer les limites théoriques des cellules solaires. La performance des cellules à porteurs chauds est alors évaluée au moyen d’un paramètre appelé coefficient de thermalisation Q, qui indique la capacité d'un matériau à maintenir les porteurs à une température élevée. Le paramètre permet de faire varier l'efficacité entre celle d'une cellule classique de type MJSC (Shockley-Queisser, Q élevé) et la cellule HCMJSC (Q faible) selon l’invention. Une telle évaluation permet de mettre en évidence l’intérêt de la combinaison des sous-cellules selon l’invention, avec une limite théorique de la cellule HCMJSC significativement supérieure à celle d’une cellule MJSC classique.
Selon un autre mode de réalisation encore, la jonction supérieure (HCSC) est caractérisée en ce qu’elle comprend deux couches contact : a/ une couche contact électron, dont la bande de conduction est supérieure à la bande de valence de l’absorbeur, et b/ une couche contact trou, dont la bande de valence est inférieure à la bande de conduction de l’absorbeur.
Étant donné la combinaison possible de jonctions supérieure(s) et inferieures(s), la cellule HCMJSC selon l’invention permet une bonne complémentarité des écarts (gaps) des différentes jonctions, et constitue une solution très prometteuse et innovante pour une utilisation notamment sous flux solaire fortement concentré. En effet, la variété des types de jonctions, de la multiplicité possible de jonctions inférieures de type MJSC et ainsi des écarts (gaps) accessibles, permet d’envisager une utilisation optimale du spectre solaire avec un nombre minimum de jonctions.
La cellule solaire HCMJSC selon l’invention est telle qu’elle comprend une ou plusieurs jonctions inférieures et une ou plusieurs jonctions supérieures. Par exemple, la
cellule comprend moins de 10 jonctions inférieures, moins de 8 jonctions inférieures, moins de 7 jonctions inférieures, moins de 6 jonctions inférieures, moins de 5 jonctions inférieures, de préférence 1 à 4 jonctions inférieures. Les jonctions inférieures sont telles qu’elles absorbent dans des domaines spectraux différents. Également, à titre indicatif, la cellule solaire peut comprendre de 1 à 4 jonctions supérieures, de préférence moins de 4, moins de 3, ou moins de 2 jonctions supérieures, de préférence 1 jonction supérieure.
Selon un mode de réalisation préféré, la cellule solaire HCMJSC selon l’invention est telle qu’elle comprend 1 jonction supérieure et 1 à 4 jonctions inférieures.
Selon un autre mode de réalisation préféré, la cellule solaire HCMJSC selon l’invention comprend une jonction supérieure et au moins deux jonctions inférieures, lesdites jonctions inférieures absorbant dans des domaines spectraux différents.
La jonction supérieure HCSC comporte préférentiellement des couches contacts énergie sélective (SEC), n’acceptant qu'une gamme étroite d'énergies, et permettent ainsi de minimiser les pertes énergétiques lors de l’extraction (en minimisant l’augmentation de l’entropie lors de l’extraction des porteurs).
A titre indicatif, la jonction supérieure HCSC peut par exemple comprendre dans l’ordre : une couche contact électron ; une première couche contact énergie sélective (SEC) ; un absorbeur ; une deuxième couche contact énergie sélective (SEC) ; et une couche contact trou.
Selon un mode de réalisation préféré, l’absorbeur de la jonction supérieure HCSC présente une épaisseur « fine ou mince », inférieure à 1 m, par exemple inférieure à 800 nm, inférieure à 500 nm ou inférieure à 300 nm, plus préférentiellement inférieure à 200 nm. Plus préférentiellement encore, l’absorbeur chaud présente une épaisseur comprise entre 0,1 nm et 200 nm, par exemple entre 0,2 nm et 150 nm.
Selon un autre mode de réalisation, l’absorbeur de la jonction supérieure HCSC présente un coefficient d'absorption entre Eg + X eV supérieur à 105 par cm-1, X étant supérieur à 0.1 eV.
Selon un autre mode de réalisation encore, les porteurs chauds de l’absorbeur ont une élévation de température supérieure à 10°C par rapport à la température du matériau, en condition opératoire au point de fonctionnement maximum, de préférence supérieure à 20°C, supérieure à 50°C ou encore supérieure à 100°C.
Selon un mode de réalisation préféré, la jonction inférieure est dite « épaisse », ou plus précisément « optiquement épaisse », ce qui signifie qu'elle est suffisamment épaisse pour absorber la majorité des photons jusqu'à son énergie de bande interdite.
Préférentiellement, la jonction inférieure présente une épaisseur comprise entre 300 nm et 300 m, la jonction supérieure étant plus fine que la jonction inférieure. Elle
présente par exemple une épaisseur comprise entre 300 nm et 4 m lorsqu’elle est constituée d’un matériau à bande interdite directe de type lll-V (InP, GaAs et leurs alliages) ou pérovskites ; elle présente une épaisseur beaucoup plus importante, par exemple comprise entre 50 m et 300 pm (ces valeurs correspondent à une absence de piégeage optique, ou pour un piégeage optique raisonnable) lorsqu’elle est constituée d’un matériau à bande interdite indirecte de type Ge ou Si.
Considérant des coefficients d'absorption similaires, l'épaisseur de la jonction supérieure est nettement inférieure à celle de la jonction inférieure.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré de l’invention, la jonction supérieure est (optiquement, mais dans 99% des cas également physiquement) plus fine que la jonction inférieure.
Selon un mode de réalisation de la cellule solaire HCMJSC selon la présente invention, deux jonctions voisines peuvent être séparées par une jonction tunnel. Par exemple, la cellule solaire selon la présente invention peut comprendre une jonction inférieure et une jonction supérieure HCSC, séparées par une jonction tunnel. La jonction tunnel permet un raccordement de bandes entre les jonctions de façon à nécessiter uniquement 2 terminaux pour extraire le courant.
Il est possible, dans le cadre de la présente invention, que toutes les jonctions, inférieures et supérieures, soient connectées par des jonctions tunnel.
Selon un mode de réalisation de l’invention, lorsque les jonctions inférieure(s) et supérieure(s) sont séparées avec une jonction tunnel, les sous-cellules sont connectées en série et génèrent le même courant, permettant de simplifier l’architecture.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, les jonctions supérieure(s) et inférieure(s) ne sont pas séparées par des jonctions tunnel. Selon ce mode de réalisation, la cellule HCMJSC est dépourvue de jonction tunnel. Selon ce mode de réalisation, la cellule solaire HCMJSC comprend 2 terminaux par jonction. Ainsi, à titre indicatif, selon ce mode de réalisation, quand la cellule HCMJSC comprend 2 jonctions, elle comprend alors 4 terminaux ; quand la cellule HCMJSC comprend 3 jonctions, elle comprend alors 6 terminaux ; etc.
Selon un autre mode de réalisation encore, la composition de la cellule solaire HCMJSC peut être mixte vis-à-vis des jonctions tunnel et des terminaux, c’est-à-dire présenter des jonctions tunnel entre certaines jonctions et un nombre de terminaux variant entre un minimum de 2 terminaux (i.e. un terminal avant et un terminal arrière) et un maximum de 2 fois le nombre de jonctions (e.g. 8 terminaux pour une cellule comportant 4 jonctions ou 10 terminaux pour une jonction comportant 5 jonctions). Ainsi, selon un mode de réalisation mixte, une cellule solaire comportant 1 jonction supérieure et 4 jonctions inférieures comprend entre 2 et 10 terminaux. Si elle comprend 2 terminaux, elle comprend alors 4 jonctions tunnel. Si elle comprend 6 terminaux, elle comprend alors 2 jonctions tunnel.
Selon un autre mode de réalisation encore, au-delà d'architectures 2 terminaux (jonction tunnel, et cellules en série) et 4 terminaux (pas de jonction tunnel, cellules indépendantes), la cellule HCMJSC peut comporter 3 terminaux. Les sous-cellules sont alors soit connectées en série (deux sous-cellules p/n ou deux sous-cellules n/p), soit connectées de manière inversée (une sous-cellule p/n et l'autre n/p). Additionnellement, par rapport à une architecture à 2 terminaux, soit les sous-cellules partagent un contact intermédiaire, soit la cellule inférieure présente deux contacts arrière interdigités. Le nombre total de configurations possibles est ainsi très élevé du fait des nombreuses combinaisons possibles.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une jonction inférieure peut présenter un gradient de niveau d’énergie de gap. Par exemple, plusieurs des jonctions inférieures, ou même toutes les jonctions inférieures, présentent un gradient de niveau d’énergie de gap.
En complément notamment de ce qui précède, on peut envisager une cellule solaire HCMJSC qui met à profit la complémentarité des niveaux d’énergie, et comporte par exemple une jonction supérieure et une jonction inférieure, présentant une disposition dans laquelle :
- le niveau d’énergie de gap de la jonction supérieure varie entre 0,6 eV et 1 ,7 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1 ,6 eV ou entre 0,7 eV et 1 ,5 eV ; et
- le niveau d’énergie de gap de la jonction inférieure varie entre 0,6 eV et 1 ,5 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1 ,45 eV ou entre 0,7 eV et 1 ,4 eV.
Un autre exemple de cellule solaire HCMJSC selon l’invention peut notamment consister en une jonction supérieure et deux jonctions inférieures, présentant une disposition dans laquelle :
- le niveau d’énergie de gap de la jonction supérieure varie entre 0,6 eV et 1 ,9 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1 ,8 eV ou entre 0,7 eV et 1 ,7 eV ;
- le niveau d’énergie de gap de la première jonction inférieure varie entre 0,8 eV et 1 ,6 eV, par exemple entre 0,85 eV et 1 ,55 eV ou entre 0,9 eV et 1 ,5 eV ;
- le niveau d’énergie de gap de la deuxième jonction inférieure varie entre 0,6 eV et 1 ,3 eV, par exemple entre 0,65 eV et 1 ,25 eV ou entre 0,7 eV et 1 ,2 eV.
Dans un système classique de type multi-jonctions (MJSC), le niveau d’énergie de gap des différentes jonctions décroît du haut vers le bas. Un des nombreux avantages de la cellule HCMJSC de la présente invention (présentant ladite combinaison de jonctions incluant une jonction supérieure de type HCSC), est que le niveau d’énergie de la jonction supérieure HCSC ne doit pas être nécessairement strictement supérieur au niveau d’énergie de la jonction inférieure à son contact (ou première jonction inférieure). Il peut, en effet, selon un mode de réalisation, être inférieur à celui de la jonction inférieure. Ceci présente l’avantage que le matériau et la composition de la jonction
supérieure et de la jonction inférieure (par exemple première jonction inférieure) peuvent être identiques, ce qui peut s’avérer avantageux en termes de fabrication.
L’absorbeur de la jonction supérieure comprend un ou plusieurs nanocristaux.
La cellule solaire HCMJSC selon la présente invention peut être telle qu’elle comporte : au moins deux jonctions inférieures absorbant dans des domaines spectraux différents (bandes interdites différentes) ; une jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds comprenant : o une couche contact électron, qui peut être dopée n ; o une première couche contact énergie sélective (SEC) ; o un absorbe u r; o une deuxième couche contact énergie sélective (SEC) ; et o une couche contact trou, qui peut être dopée p ; deux terminaux, positionnés aux extrémités de la cellule ; une couche anti-reflet positionnée au contact de la jonction supérieure ; optionnellement au moins une jonction tunnel positionnée entre les jonctions inférieures et/ou entre la jonction supérieure et la première jonction inférieure ; préférentiellement, des jonctions tunnel entre chacune des jonctions ; optionnellement un miroir (ou une couche métallique) positionné sous la dernière jonction ; optionnellement un élément optique de piégeage (diffusion/diffraction de la lumière) visant à utiliser des couches plus fines tout en maintenant l’absorption et positionné : o entre la couche anti-reflet et la jonction supérieure, et/ou o entre la jonction supérieure et les jonctions inférieures, et/ou o sous la jonction inférieure (entre la jonction et le miroir).
Tel qu’indiqué plus haut, la jonction supérieure et la jonction inférieure peuvent être constituées des mêmes matériaux (i.e. matériaux présentant le même paramètre de maille) et être de la même composition, ce qui présente les avantages susmentionnés. Alternativement, elles peuvent être constituées des mêmes matériaux et être de compositions différentes. Enfin, elles peuvent être constituées de matériaux différents. Dans ce cas, le procédé de fabrication devra être adapté à ces différents matériaux.
Selon un mode de réalisation, l’absorbeur de la jonction supérieure comprend un ou plusieurs nanocristaux. Chacun de ces un ou plusieurs nanocristaux peut notamment être choisi dans le groupe consistant en le AgBiS2, les perovskites, le PbS et le PbSe. La liste des nanocristaux pouvant être utilisés dans le cadre de la présente invention n’est néanmoins pas limitée à ces seuls composés.
Selon un mode de réalisation, le ou les nanocristaux présentent un temps caractéristique de refroidissement de support chaud supérieur à 10 ps, par exemple supérieur à 30 ps, supérieur à 50 ps, ou supérieur à 100 ps.
Selon un mode de réalisation, ladite au moins une jonction inférieure est constituée d’au moins une couche de matériaux semi-conducteurs, par exemple d’au moins deux couches constituées de deux matériaux semi-conducteurs. De préférence, ladite au moins une jonction inférieure est constituée d’une couche de matériaux semi- conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs utilisés dans le cadre de la présente invention peuvent être de tout type. Par exemple, ils peuvent être de type IV, de type III- V et de type ll-VI, chacun de ces matériaux étant dopé de type n ou de type p. A titre indicatif, les matériaux semi-conducteurs de type IV incluent Ge, Si ou une combinaison des deux (SixCei-x-) ; les matériaux semi-conducteurs de type lll-V incluent InAs, GaAs, InP, GaSb, GalnAs, GalnAsP, GaAsSb, InAIAs, AIGaAs, et les nitrures dilués de type (In)GaNAs(Sb) ; les matériaux semi-conducteurs de type ll-VI incluent CdSe et CdTe.
Les jonctions tunnel, qui font potentiellement partie de la configuration de la cellule solaire HCMJSC selon l’invention, peuvent être de n’importe quel type utilisé dans les cellule solaire HCMJSC, peuvent, par exemple, présenter chacune une épaisseur de 15 nm par matériau de type p ou n.
La cellule solaire HCMJSC selon l’invention peut avoir une configuration substrat avec pénétration du rayonnement solaire via le haut de la cellule ou une configuration superstrat pour lesquelles le rayonnement pénètre par le bas. Dans le second cas, l’ordre des jonctions reste tel que la lumière traverse les jonctions supérieures avant les jonctions inférieures.
Un deuxième objet de la présente invention concerne un dispositif mobile ou immobile comprenant au moins une cellule solaire HCMJSC selon la présente invention, et optionnellement au moins un élément optique qui est configuré pour diriger et concentrer l'énergie solaire vers la cellule solaire HCMJSC (concentration).
Le dispositif selon l’invention peut notamment être un panneau solaire constitué de plusieurs cellules HCMJSC selon l’invention.
Un troisième objet de la présente invention concerne un procédé de fabrication d’une cellule solaire HCMJSC selon l’invention.
La cellule solaire HCMJSC ou une partie seulement de celle-ci, notamment les jonctions inférieures, peut notamment être réalisée par croissance épitaxiale, par exemple jet moléculaire (MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire ou PA-MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma), MOVPE (épitaxie en phase vapeur organométallique), ou ALD (dépôt de couche atomique).
La cellule solaire HCMJSC ou une partie seulement de celle-ci, notamment la jonction supérieure, peut notamment être réalisée par impression jet d’encre, avec une lame ou de type « fente-matrice », par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour
dépôt chimique en phase vapeur ou PECVD pour dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) ou par pulvérisation.
Il est possible d’adopter une approche séquentielle pour réaliser la cellule solaire HCMJSC selon l’invention. Par exemple, il est envisageable de fabriquer la partie arrière (jonction(s) inférieure(s)), indépendamment de la partie avant (jonction(s) supérieure(s)) puis de combiner chaque partie ensemble.
Selon un mode de réalisation, la cellule solaire HCMJSC selon l’invention est en configuration substrat et comporte au moins une jonction inférieure qui est configurée comme suit. Une telle jonction peut notamment être fabriquée par croissance épitaxiale. La première couche est le substrat. Celui-ci peut notamment être en verre, pour des raisons de coût et ses propriétés mécaniques adéquates. Il peut alternativement être composé de plastique, ce qui est avantageux pour certaines applications spécifiques telles que des panneaux solaires flexibles. La seconde couche est une couche de contact métallique, qui peut à titre indicatif être composée de Mo. Le Mo est un candidat idéal pour jouer le rôle de contact arrière en raison, d’une part, de son coefficient de dilatation thermique proche de celui du verre et du film absorbeur et d’autre part, parce qu’il forme un contact ohmique avec la couche absorbante assurant ainsi une résistivité minimale. Cette couche a classiquement une épaisseur comprise entre 0,2 m et 1 m, par exemple entre 0,4 pm et 0,8 pm. On ajoute ensuite les jonctions constitutives de la cellule solaire, c’est-à-dire la ou les jonctions inférieures et au moins une jonction supérieure HCSC, toutes séparées par des jonctions tunnel. Au- dessus de la dernière couche de la jonction supérieure peut alors être déposée une couche de contact métallique avant. Cette couche peut par exemple être sous la forme d’une grille d’aluminium, de nickel ou d’un alliage de ces deux derniers. Enfin, une couche anti-reflet peut être posée pour réduire les réflexions au sommet de la cellule et maximiser son efficacité.
Un quatrième objet de la présente invention concerne un procédé de production d’électricité, selon lequel : au moins une cellule solaire HCMJSC ou un dispositif mobile ou immobile selon l’invention, est exposé au rayonnement solaire par son côté jonction supérieure, et on collecte un courant électrique.
EXEMPLES
Exemple 1 : Absorption du flux solaire incident (spectre AM1.5D) en fonction de l'énergie des photons pour différentes cellules
On a estimé à partir de coefficients d'absorption qui ont été extrapolés, la fraction absorbée du flux de photons incidents (spectre AM1.5D) en fonction de l'énergie des photons pour différentes cellules :
(a) une cellule HCSC avec un absorbeur mince (d = 200 nm ; EG = 1 ,19 eV) ;
(b) une cellule HCMJSC selon l’invention avec une fine jonction à porteurs chauds (d = 200 nm; EG = 1 ,19 eV) au-dessus d'une jonction inférieure épaisse (d = 2 m; EG = 0,93 eV).
(c) une cellule MJSC composé d'absorbeurs à couche épaisse en jonctions supérieure (d = 2 pm; EG = 1 ,59 eV) et inférieure (d = 2 pm; EG = 0,93 eV) ; et
(d) une cellule MJSC selon WO2018/021966 à porteurs chauds ou froids en jonctions supérieure et inférieure.
Les coefficients d'absorption considérés ici sont obtenus par extrapolation à partir des coefficients d'absorption de InP (EG = 1 ,344 eV) et InGaAs (EG = 0,74 eV).
Les paramètres ainsi utilisés pour ce calcul ont pour objectif d'être réalistes afin de caractériser le comportement général.
Tel qu’illustré par les résultats de la Figure 1 (a-d), dans une architecture multi- jonction « classique », chaque cellule est « optiquement épaisse » de sorte que chaque cellule ne transmet que les photons sous l'énergie de son band gap (bande interdite) à la cellule inférieure (architecture (c) MJSC et architecture (d) MJSC selon WG2018/021966). Contrairement aux cellules HCMJSC selon l’invention (architecture (b)), le spectre est ainsi nettement divisé entre les deux jonctions, à une énergie correspondant à la bande interdite de la jonction supérieure.
Or, dans l’architecture selon l’invention ((b) HCMJSC), la cellule à porteurs chauds supérieure est « optiquement fine » (on pourrait aussi dire semi-transparente), de sorte que s’il n’y avait pas de jonction inférieure (épaisse), beaucoup de photons au-dessus de l’énergie de son band gap (bande interdite) ne seraient pas absorbés, tel que cela est illustré dans l’architecture (a) HCSC. Dans l’architecture (b), les photons non absorbés dans la jonction supérieure à porteurs chauds sont collectés dans la jonction inférieure.
Exemple 2 : Comparaison de l'efficacité de différentes cellules en fonction du taux de thermalisation sous un éclairement concentré de 1000 soleils (spectre AMI ,5D)
On a simulé l'efficacité de différentes cellules en fonction du taux de thermalisation sous un éclairement concentré de 1000 soleils (spectre AMI .5D) : cellule MJSC idéale (ligne « croix », EG, top = 1 ,59 eV et Ec,-bot = 0,93 eV) ; cellule HCMJSC optimale selon l’invention (ligne, EG, top = 1 ,344 eV et Ec,-bot = 0,93 eV) ; et cellule HCSC optimale (ligne « cercle », EG = 0,74 eV).
Le « taux de thermalisation » est un paramètre fixé pour un système donné. Faire varier le taux de thermalisation signifie comparer des systèmes qui génèrent des porteurs chauds plus ou moins facilement. Ce « taux de thermalisation » est directement lié à un paramètre matériau appelé « coefficient de thermalisation » qui caractérise le ratio entre la puissance incidente et l’élévation de température des porteurs chauds dans le régime linéaire. Une mesure de ce coefficient de thermalisation a été rapportée dans plusieurs publications et pour différents matériaux, par exemple Bris A. L. et al. (Energy &
Environmental Science 5, 6225-6232 (2012)) et Giteau M. et al. (J. Appl. Phys. 128, 193102 (2020)), même s’il demeure difficile de comparer les valeurs obtenues dans les différentes publications. Pour mettre les valeurs numériques de la Figure 2 en perspective, la seconde publication rapporte un taux de thermalisation de l’ordre de 105 (W.cm lC1) pour l’arséniure de gallium (matériau connu pour avoir une vitesse de thermalisation élevée, donc non optimal pour les cellules à porteurs chauds), en supposant un piégeage optique efficace.
Tel qu’illustré par la Figure 2, trois régions peuvent être distinguées.
La cellule MJSC offre le rendement le plus élevé pour une forte thermalisation, car il n’est pas possible de bénéficier d’un gain d’efficacité des porteurs chauds. D’un autre côté, si la cellule à porteurs chauds ne subissait pas du tout de thermalisation, alors elle pourrait être épaisse, et la simple jonction HCSC serait optimale (Fig.2 - partie gauche du graphe), ce qui n’est pas le cas pour des matériaux réels.
Nous pouvons ainsi mettre en évidence que dans une certaine gamme intermédiaire (réaliste, proche de systèmes de l’art antérieur) de taux de thermalisation, l’architecture HCMJSC proposée par la solution selon l’invention permet d’atteindre des rendements de conversion significativement meilleurs que ceux des cellules à porteurs chauds (HCSC) et des cellules multi-jonctions (MJSC) (Fig.2 - partie centrale du graphe).
L’architecture selon l’invention permet ainsi d’utiliser des cellules à porteurs chauds optiquement fines en jonction supérieure. Cette faible épaisseur permet une réduction du taux de thermalisation (proportionnel au volume de l’absorbeur), et permet ainsi d'améliorer l'effet porteurs chauds tel qu’illustré par la Figure 2. Ces porteurs chauds, extraits au travers de contacts (semi-)sélectifs, peuvent amener une augmentation de la tension, et ainsi améliorer l’efficacité de la cellule.
En combinant une cellule à porteurs chauds en jonction supérieure avec une jonction inférieure épaisse froide, on s'affranchit ainsi du problème d'absorption partielle en absorbant les photons qui passent à travers la jonction supérieure dans la jonction inférieure (Fig.l - architecture (b) HCMJSC selon l’invention). La combinaison de la jonction supérieure de type cellule solaire à porteurs chauds offre donc une synergie entre cellules à porteurs chauds et cellules multi-jonctions.
Exemple 3 : Comparaison de l'influence des bandes interdites (band gap) des jonctions supérieure et inférieure sur l'efficacité de cellules MJSC (Fig.3a) et HCMJSC (Fig.3b) selon l’invention, pour un taux de thermalisation fixe correspondant au point de croisement d'efficacité pour les dispositifs optimaux (référencés en Figure 2), sous un écloirement concentré de 1000 soleils (spectre AMI ,5D).
Tel qu’illustré por lo Figure 3, bien que l'efficocité moximole des deux orchitectures soit similoire, lo ploge de bondes interdites sur loquelle l’efficocité de la structure HCMJSC selon l’invention est proche de son maximum est beaucoup plus grande que pour la structure MJSC, en particulier en ce qui concerne la bande interdite de la cellule
supérieure. En effet, les architectures HCMJSC avec une bande interdite de jonction supérieure étroite sont moins efficaces en l’absence de porteurs chauds mais bénéficient davantage de l'effet de porteur chaud car la cellule supérieure peut être plus fine.
En conséquence, les cellules HCMJSC selon l’invention offrent une gamme beaucoup plus large de bandes interdites acceptables que les cellules MJSC, ce qui assouplit les exigences de croissance épitaxiale.
En particulier, il est possible d’utiliser deux sous-cellules composées du même matériau. Il est également possible d’utiliser un matériau avec une bande interdite plus étroite pour la jonction supérieure que pour la jonction inférieure. Ces deux réalisations, largement sous-optimales pour la structure MJSC, peuvent être très performantes dans une structure HCMJSC.
Claims
1. Procédé de fabrication d’une cellule solaire (HCMJSC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, par : croissance épitaxiale, en particulier par jet moléculaire (MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire ou PA-MBE pour épitaxie par faisceau moléculaire assistée par plasma), MOVPE (épitaxie en phase vapeur organométallique), ou ALD (dépôt de couche atomique) ; et/ou par impression jet d’encre, avec une lame ou de type « fente-matrice », par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour dépôt chimique en phase vapeur ou PECVD pour dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) ou par pulvérisation. . Procédé de production d’électricité, selon lequel : au moins une cellule solaire (HCMJSC) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 ou un dispositif selon la revendication 10, est exposé au rayonnement solaire par son côté jonction supérieure, et on collecte un courant électrique.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3135349A1 (fr) | 2023-11-10 |
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