Les chercheurs du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) associés à l’Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF), en collaboration notamment avec les chercheurs du Fraunhofer ISE Allemand, ont réussi à piéger efficacement la lumière du soleil dans une cellule solaire grâce à une couche ultra-fine absorbante en GaAs d’une épaisseur de 205 nm sur un miroir arrière nanostructura. Avec cette nouvelle architecture, une efficacité de près de 20% a été obtenue.

 

Jusqu’à présent, les cellules solaires de laboratoire de pointe, d’un rendement aux alentours de 20%, nécessitaient au moins 1 micromètre d’épaisseur de couches de matériau semi-conducteur (GaAs, CdTe ou séléniure de cuivre, d’indium et de gallium -CIGS-), voire 40 µm ou plus dans le cas du silicium. Une réduction significative de l’épaisseur permettrait d’économiser des matériaux rares comme le tellure ou l’indium et d’améliorer la cadence de production industrielle grâce à des temps de dépôt plus courts. Cependant, amincir l’absorbeur réduit automatiquement l’absorption de la lumière solaire et l’efficacité de conversion. Un miroir plat à l’arrière de la cellule peut aider et conduire à une absorption en double passe, mais pas plus. Les tentatives antérieures de piégeage de la lumière ont été grandement limitées dans leur performance par les pertes optiques et électriques.

 

Les chercheurs de l’équipe dirigée par Stéphane Collin et Andrea Cattoni au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/Université Paris-Saclay) associée à l’Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF), en collaboration notamment avec le Fraunhofer ISE, ont développé une nouvelle stratégie pour capter la lumière en couches ultrafines constituées de 205 nm seulement d’arséniure de gallium, un semi-conducteur de la famille III-V. L’idée directrice a été de concevoir un miroir arrière nanostructuré pour créer de multiples résonances qui se chevauchent dans la cellule solaire, appelées résonances de Fabry-Perot et résonances en mode guidé. Ils contraignent la lumière à rester plus longtemps dans l’absorbeur, ce qui permet une absorption optique efficace malgré la faible quantité de matériau. Grâce à de nombreuses résonances, l’absorption est améliorée sur une large gamme spectrale qui s’adapte au spectre solaire du visible à l’infrarouge. Le contrôle de la fabrication de miroirs à motifs à l’échelle nanométrique a été un aspect clé du projet. L’équipe a utilisé la lithographie par nanoimpression pour utiliser directement un film de dioxyde de titane dérivé du sol-gel, une technique peu coûteuse, rapide et évolutive.

 

Les cellules solaires ultrafines peuvent-elles encore être améliorées ? Les travaux publiés dans Nature Energy démontrent que cette architecture devrait permettre une efficacité de 25% à court terme. Même si les limites sont encore inconnues, les chercheurs sont convaincus que l’épaisseur pourrait encore être réduite sans perte d’efficacité, au moins d’un facteur deux. Les cellules solaires GaAs sont encore commercialement limitées aux applications spatiales en raison de leur coût. Cependant, les chercheurs travaillent déjà sur la manière d’étendre ce concept à de grandes surfaces photovoltaïques en CdTe, CIGS ou en matériaux silicium.

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Référence

A 19.9%-efficient ultrathin solar cell based on a 205-nm-thick GaAs absorber and a silver nanostructured back mirror,
Hung-Ling Chen1, Andrea Cattoni1, Romaric De Lépinau1,2, Alexandre W. Walker 3, Oliver Höhn3, David Lackner3, Gerald Siefer3, Marco Faustini4, Nicolas Vandamme1, Julie Goffard1,2, Benoît Behaghel1, Christophe Dupuis1, Nathalie Bardou1, Frank Dimroth3 and Stéphane Collin1,2
Nature Energy (2019)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-019-0434-y

1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS / University Paris-Sud/Paris-Saclay)
2 Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF)
3 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE)
4 Laboratoire Chimie de la Matière Condensée de Paris – LCMCP (Sorbonne Université / CNRS / Collège de France)

Url

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0434-y

(à gauche) Croquis d’une cellule solaire ultra-mince en GaAs avec un miroir arrière nanostructuré. (à droite) Photographie d’un échantillon montrant l’effet de diffraction d’un miroir nanostructuré dans l’air (brillant coloré) et l’effet d’amélioration de l’absorption dans des cellules solaires ultrafines (zones noires carrées).

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