Structures à Multijonctions

Les cellules solaires les plus efficaces à ce jour sont les structures dites  à multi-jonctions. Elles comportent un empilement de cellules solaires avec des seuils d’absorption (bande interdite optique) décroissants. La bande interdite optique la plus grand étant en face avant.

Dans cet empilement à multi-jonctions, la lumière la plus énergétique est absorbée par la première cellule "grand gap" en face avant, et la moins énergétique par la cellule avec le plus "petit gap" en face arrière. Ceci permet de réduire les pertes dites par thermalisation, et d’atteindre des rendements de conversion plus élevés, et donc une puissance électrique, bien plus importante. L'interconnexion de la cellule à multijonctions peut se réaliser sous différentes  configurations. Dans la configuration dite à deux terminaux (2T, cellules connectées en série) le courant entre les cellules doit être constant. C’est une version conceptuellement simple, mais techniquement difficile du fait de cette continuité de courant qui impose aussi la présence d'une jonction tunnel entre les cellules. Les configurations trois terminaux (3T) et quatre terminaux (4T) minimisent  cette contrainte, au prix d’une connectique plus complexe. Les figures 1a et 1b

Figure 1 : Rendement (sans concentration du spectre incident) de cellules multijonctions tandems à deux sous-cellules en fonction de gaps hauts et bas de (a) sous-cellules en série avec deux terminaux montrant une contrainte de courant en série constant et (b) tandems à trois terminaux ou les sous-cellules sont indépendantes et sans contrainte de courant en série.

Les multijonctions record atteignent à présent plus que 45% de rendement sous concentration (Green et al., Prog Photovolt Res Appl. 2020;28:629–638, http://dx.doi.org/10.1002/pip.3303).

D’autre part, le rendement obtenu des cellules Si frôle les 27%, ce qui s’approche de la limite fondamentale pour ce matériau d’environ 29%. La route la plus prometteuse pour augmenter le rendement de cellules à base de Si est donc les nouvelles structures, avec des structures multijonctions en tête.

Ce domaine de recherche s’articule sur l’axe de l’étude de nouveaux matériaux, en lien avec leur croissance et caractérisation, et sur l’axe d’élaboration de dispositifs classiques et novateurs.

 Multijonctions III-V/Si

Les semiconducteurs III-V sont traditionellement le premier choix pour le photovoltaïque, mais reste une classe de matériaux relativement couteux, ceci a cause du substrat coûteux en particulier, généralement de GaAs ou de Ge. Les cellules multijonctions III-V qui atteignent les meilleurs record de rendement à ce jour ont des applications dans le domaine spatial. 

Le silicium, parcontre, est le premier matériau de choix pour les applications PV terrestres. Des rendements élevés sont évidemment envisageables pas la route des cellules solaires tandem III-V/Si (Connolly et al., Prog Photovolt Res Appl. 2014;22:810–820, https://doi.org/10.1002/pip.2463), qui est l’objet d’étude et qui a été étudiée par le projet MultiSolSi (https://anr.fr/Projet-ANR-11-PRGE-0009).

Ce projet ayant établi les briques de base technologiques pour la croissance de microcristaux de GaAs sans défauts sur Si (figure 1), la recherche actuelle poursuit l’optimisation des matériaux III-V, de leur croissance, et l’optimisation de la conception de la cellule III-V. 

Ces travaux visent des cellules tandems avec des rendements supérieurs à 30% dans un premier temps. Ceci vise une tandem comportant une cellule Si et une cellule (Al)GaAs en voie de conception, donc la limite théorique idéale est de 42%. Dans un deuxième temps, des cellules multijonctions triples visent des rendements au-delà de 35%, ceci pour une limite théorique de 47%.

Figure 2 : Cristallite de GaAs, parfaitement facetté, epitaxié sur Si par la technique ELO (image C2N).

Multijonctions Pérovskite/CIGS

Les cellules Cuivre-Indium-Gallium-Souffre/Sélenium ont démontré des rendements et une fabrication industrielle qui les rend compétiteurs du Si. Cependant, comme c’st le cas pour le Si, le haut rendement obtenu (>23%) invite des approches nouvelles pour atteindre des rendements nettements plus élevés. Une structure tandem associant CIGS et Si présente la route de choix.

Ces travaux se poursuivent dans le cadre du projet européen PERCISTAND (https://percistand.eu/en) qui rassemble six pays europées ainsi que l’australie. PERCISTAND est d’ors et déjà en mesure de démontrer des cellules de 25% de rendement certifié. Le rendement visé est plus de 30% pour une tandem, et supérieur à 25% pour un module.

Multijonctions Pérovskite/Si

Les pérovskites sont une classe de matériaux nouveau dans le photovoltaïque apparus il y a une dizaine d’années. Cette classe a permis d’atteindre des rendements voisins des cellules Si et ceci avec un coût de matériaux très bas coût, et une fabrication simple.

Ce domaine encore jeune est actuellement limité par la stabilité des couches pérovskites qui peuvent être dégradées sous illumination et par une dégradation chimique due, en particulier, à l’humidité ambiante. Cependant, la facilité de fabrication de ces matériaux rend leur dépôt possible sur Si, ouvrant la voie à une tandem à base de Si de haut rendement.

Ceci s’associe à un concept nouveau, qui est la cellule solaire tandem trois terminaux à barrière d’offset de bandes (3T-SBOB, Djebbour et al., http://dx.doi.org/10.1002/pip.3096). Ce concept nouveau dans le monde photovoltaïque, breveté en 2017 (https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01420613), permet des rendements de cellule solaire tandem sans nécessiter de jonction à effet tunnel, ni de continuité de courant en série. Ce concept nécessite l’utilisation d’une cellule bas gap de Si à contacts interdigités en face arrière (IBC).

Figure 3 : Cellule tandem 3T-SBOB (projets THESIS et BOBTANDEM) indiquant (a) l’empilement de couches et schéma équivalent et (b) la structure de bands à l’interface entre la cellule PSC haut gap et la cellule Si-IBC bas gap, au point de fonctionnement maximal des deux sous-cellules