La solution mince de Solar : l’essor des cellules minces en silicium à haut rendement

Les scientifiques ont développé une conception multicouche innovante pour améliorer considérablement les performances des cellules solaires de nouvelle génération.

L’énergie solaire est devenue indispensable dans notre quête mondiale d’énergie propre et de durabilité. Aujourd’hui, environ 95 % des cellules solaires sont fabriquées à partir de silicium cristallin (c-Si). La plupart des conceptions commerciales utilisent une couche photoactive c-Si d’une épaisseur d’environ 160 à 170 µm. Cependant, comme le silicium représente à lui seul près de la moitié du coût de chaque panneau solaire, les experts estiment que les cellules solaires c-Si de nouvelle génération seront beaucoup plus fines.

Malheureusement, malgré quelques améliorations récentes, l’efficacité de conversion des cellules solaires fines en c-Si est encore loin derrière celle des cellules industrielles épaisses. Ce problème vient du fait que les meilleures stratégies de conception pour les cellules minces c-Si maximisent uniquement des paramètres individuels, tels que la densité de courant de court-circuit, la tension en circuit ouvert ou le facteur de remplissage. Aucune des méthodes actuelles ne peut améliorer simultanément ces paramètres, qui sont tous importants pour atteindre une efficacité élevée.

Nouvelles recherches et innovations

Dans ce contexte, une équipe de recherche de l’Université Dianzi de Hangzhou, en Chine, a développé une nouvelle stratégie pour obtenir des améliorations remarquables de l’efficacité des cellules solaires minces en c-Si. Leur étude, publiée dans le Journal de photonique pour l’énergie (JPE), représente une avancée significative dans le domaine de la technologie des cellules solaires au silicium.

La stratégie proposée optimise quelques caractéristiques optiques et électriques clés, que l’équipe a identifiées comme étant responsables des différences dans les efficacités de conversion signalées des cellules solaires c-Si épaisses et minces. À l’aide de logiciels commerciaux, ils ont effectué des simulations optiques de diverses conceptions de cellules minces. Grâce à d’autres expériences utilisant des cellules solaires, les chercheurs sont parvenus à une méthodologie de fabrication innovante qui offre plusieurs avantages par rapport aux techniques conventionnelles.

Au lieu d’utiliser l’approche de découpe de lingots de silicium généralement utilisée pour fabriquer des couches épaisses de c-Si, l’équipe a utilisé une méthode de transfert de couches. Ils ont utilisé du fluor hydrohydrique acide pour graver les pores dans une épaisse plaquette de silicium. Cette couche poreuse a servi de substrat pour faire pousser un 20-µcouche de silicium monocristallin très fine, qui pourrait être facilement détachée et transférée sur un substrat flexible en acier inoxydable.

Améliorer les performances grâce aux nano-films

Pour améliorer les performances optiques et électriques de la fine couche de silicium, les chercheurs ont déposé plusieurs nanofilms métalliques des deux côtés en utilisant plasma-dépôt chimique en phase vapeur amélioré – SiO₂/Péché_X/SiO_X couches et Al₂Ô₃/Péché_X/SiO_X couches avec une texture pyramidale sur les côtés faisant respectivement face à l’avant et à l’arrière de la cellule solaire.

Le SiN avant_X/SiO_X et SiO arrière_X/Péché_X Les couches ont augmenté l’absorption de la lumière de la couche de silicium dans les longueurs d’onde plus courtes et plus longues, respectivement. Ceci, à son tour, a amélioré la densité de courant de court-circuit, une mesure du nombre de porteurs de charge pouvant être générés et collectés par la cellule solaire. Par rapport à une cellule solaire standard utilisée comme référence, la densité de courant est passée de 34,3 à 38,2 mA/cm².

De plus, le SiO₂ et Al₂Ô₃ les couches fournissaient une passivation de surface élevée, minimisant la recombinaison et la perte des porteurs de charge générés. Cela a conduit à une tension en circuit ouvert plus élevée, une mesure de la tension maximale générée par une cellule solaire. Elle a été augmentée de 632 mV dans la cellule de référence à 684 mV lors de l’utilisation de la conception proposée. Par conséquent, le facteur de remplissage de la cellule solaire, un indicateur de la proximité avec laquelle une cellule solaire fonctionne par rapport à son efficacité maximale théorique, est passé de 76,2 à 80,8 pour cent.

Comme le confirment les simulations et les expériences, la stratégie proposée a abouti à une amélioration de l’efficacité de conversion de 16,5 à 21,1 pour cent, soit un gain remarquable de 4,6 pour cent (correspondant à une amélioration d’environ 28 pour cent par rapport à la cellule de référence). Cela place l’efficacité des cellules solaires minces en c-Si proche de celle de leurs homologues industrielles épaisses, qui s’élève aujourd’hui à 24 %.

Leonidas Palilis, rédacteur adjoint de JPE, professeur de physique de la matière condensée à l’université de Patras, en Grèce, remarque : « Dans l’ensemble, les résultats de cette étude présentent une nouvelle façon de réaliser des cellules solaires en silicium cristallin mince de haute performance en utilisant beaucoup moins de silicium, pendant 20 heures. -μm, environ un huitième de la quantité requise pour une cellule épaisse de 160 μm sur une taille de panneau donnée.

Cette avancée contribuera probablement à une adoption plus répandue et plus rentable de la technologie de l’énergie solaire au silicium, en raison de la réduction des coûts et de l’expansion concomitante de la capacité de fabrication de panneaux solaires.