Un nouveau procédé pourrait rendre les cellules solaires plus efficaces

Une équipe de chercheurs en semi-conducteurs basée en France a utilisé une couche de séparation de nitrure de bore pour fabriquer des cellules solaires en nitrure d’indium gallium (InGaN) qui ont ensuite été enlevées de leur substrat original en saphir et placées sur un substrat en verre.

En combinant les cellules InGaN avec des cellules photovoltaïques (PV) fabriquées à partir de matériaux tels que le silicium ou l’arséniure de gallium, la nouvelle technique d’extraction pourrait faciliter la fabrication de dispositifs PV hybrides plus efficaces capables de capter un spectre lumineux plus large. De telles structures hybrides pourraient théoriquement augmenter le rendement des cellules solaires jusqu’à 30 % pour un dispositif tandem InGaN/Si.

Cette technique est la troisième application majeure de la technique de détachement du nitrure de bore hexagonal, développée par une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, du CNRS et de l’Institut Lafayette à Metz. Les applications antérieures ciblaient les capteurs et les diodes électroluminescentes (LED).

« En combinant ces structures avec des cellules photovoltaïques en silicium ou en matériau III-V, nous pouvons couvrir le spectre visible avec le silicium et utiliser la lumière bleue et UV avec du nitrure d’indium gallium pour recueillir la lumière plus efficacement« , a déclaré Abdallah Ougazzaden, directeur de Georgia Tech Lorraine à Metz, et professeur à la Georgia Tech’s School of Electrical and Computer Engineering (ECE). « La couche de nitrure de bore n’a pas d’impact sur la qualité du nitrure d’indium gallium qui y a poussé, et nous avons pu extraire les cellules solaires InGaN sans les casser. »

La recherche a été publiée le 15 août dans la revue ACS Photonics. Il a été soutenu par l’Agence Nationale de la Recherche dans le cadre du projet GANEX Laboratoire d’Excellence et du projet français PIA « Lorraine Université d’Excellence ».

Cette technique pourrait conduire à la production de cellules solaires plus efficaces et moins coûteuses pour un large éventail d’applications terrestres et spatiales. « Cette démonstration de cellules solaires transférées à base d’InGaN sur des substrats étrangers tout en augmentant les performances représente une avancée majeure vers des applications photovoltaïques légères, peu coûteuses et à haut rendement« , ont écrit les chercheurs dans leur article.

« Grâce à cette technique, nous pouvons traiter des cellules solaires InGaN et mettre une couche diélectrique sur le fond qui ne captera que les longueurs d’onde courtes« , a expliqué Ougazzaden. « Les plus grandes longueurs d’onde peuvent passer à travers lui dans la cellule du bas. En utilisant cette approche, nous pouvons optimiser chaque surface séparément. »

Les chercheurs ont commencé le processus en cultivant des monocouches de nitrure de bore sur des plaquettes de saphir de deux pouces en utilisant un procédé MOVPE à environ 1 300 degrés Celsius. Le revêtement de surface en nitrure de bore n’a qu’une épaisseur de quelques nanomètres et produit des structures cristallines qui ont de fortes connexions de surface planes, mais de faibles connexions verticales.

L’InGaN se fixe au nitrure de bore avec de faibles forces de van der Waals, ce qui permet de faire croître les cellules solaires à travers la plaquette et de les retirer sans les endommager. Jusqu’à présent, les cellules ont été retirées du saphir manuellement, mais M. Ougazzaden croit que le processus de transfert pourrait être automatisé pour faire baisser le coût des cellules hybrides. « Nous pouvons certainement le faire à grande échelle« , a-t-il dit.

Les structures InGaN sont ensuite placées sur le substrat de verre à l’aide d’un réflecteur à l’arrière et les performances sont améliorées. En plus de démontrer le placement sur une structure PV existante, les chercheurs espèrent augmenter la quantité d’indium dans leurs dispositifs de soulèvement pour augmenter l’absorption de la lumière et faire passer le nombre de puits quantiques de cinq à 40 ou 50.

« Nous avons maintenant démontré tous les éléments constitutifs, mais nous devons maintenant développer une véritable structure avec plus de puits quantiques« , a déclaré M. Ougazzaden. « Nous n’en sommes qu’au début de cette nouvelle application technologique, mais c’est très excitant. »

CITATION : Taha Ayari, et al, "Heterogeneous Integration of Thin-Film InGaN-Based Solar Cells on Foreign Substrates with Enhanced Performance" (ACS Photonics 2018), https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.8b00663
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