Cristaux Photoniques et cellules photovoltaïques Silicium

Forte augmentation du rendement d'absorption dans des cellules photovoltaïques nanostructurées réalisées par les chercheurs des équipes « Nanophotonique » et « Photovoltaïque » de l'INL. Cette augmentation conduit à une amélioration sensible de leurs propriétés opto-électroniques.

Afin d’atteindre de hauts rendements à bas coût, la production d`énergie solaire photovoltovoltaïques se tourne vers des structures nécessitant toujours moins de matériau, et donc des couches absorbantes de plus en plus fines. Le matériau absorbant le plus utilisé reste aujourd’hui le silicium, ce dernier concentre en effet plus de 98% du marché sous ses différentes formes. Si la part des couches minces (quelques centaines de nanomètres à quelques microns d’épaisseur) augmente, la majorité des cellules solaires à base de silicium utilise encore des couches épaisses, malgré leur coût plus élevé, car les rendements restent nettement supérieurs. En effet, une limitation essentielle des couches minces réside dans le difficile compromis entre les pertes électriques et les pertes optiques : les premières augmentent avec l’épaisseur, alors que les secondes diminuent sensiblement.
La nanostructuration des semi-conducteurs offre de nouvelles voies pour piéger la lumière à des échelles sub-longueur d’onde. Ces propriétés peuvent être utilisées pour développer des cellules solaires photovoltaïques en silicium ultra-mince, donc requérant l’utilisation de peu de matériau, tout en maximisant le rendement de conversion.
Les chercheurs des équipes « Nanophotonique » et « Photovoltaïque » de l’INL ont intégré un cristal photonique bidimensionnel à des cellules photovoltaïques ultra-minces afin d’optimiser l’absorption de la lumière solaire. Ils ont démontré que cette structuration permet d’augmenter le rendement d’absorption de plus de 50%. De plus les premières cellules exploitant cette technologie présentent ainsi une augmentation de 20% du courant de court circuit.
Au-delà, dans le cadre de projets nationaux et européen, nous concevons et réalisons des structures photoniques plus complexes qui permettent d’absorber davantage encore la lumière solaire incidente. En parallèle, des procédés de passivation sont développés de manière à traduire l’augmentation de l’absorption et du photocourant par un gain significatif en rendement.

Contacts:

Emmanuel DROUARD – Christian Seassal

Référence:

Depauw, V.; Meng, X.; Daif, O.; Gomard, G.; Lalouat, L.; Drouard, E.; Trompoukis, C.; Fave, A.; Seassal, C. & Gordon, I. : Micrometer-Thin Crystalline-Silicon Solar Cells Integrating Numerically Optimized 2-D Photonic Crystals, IEEE Journal of Photovoltaics, IEEE, 2013

Collaboration:

IMEC

INL CNRS
Schéma de la cellule photovoltaïque constituée d'une couche de Si cristallin de 1 µm d'épaisseur, reportée sur une couche d'Aluminium sur verre et dotée d'une électrode avant d'ITO et image MEB du cristal photonique
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