Des chercheurs du KIER révèlent les pertes cachées dans les cellules solaires

Une équipe de recherche coréenne* a réussi à identifier, pour la première fois, les types spécifiques de défauts responsables de la perte d’efficacité dans les cellules solaires à hétérojonction de silicium (SHJ**). Ces découvertes devraient contribuer significativement à l’amélioration de l’efficacité des cellules solaires lorsqu’elles sont combinées avec des techniques de suppression (passivation) des défauts.

Divers défauts qui surviennent au sein des cellules solaires provoquent des pertes et réduisent à la fois l’efficacité de conversion et la puissance de sortie. Pour prévenir cela, des techniques de passivation, telles que l’application de revêtements de surface, sont utilisées pour contrôler ces défauts. Pour que la passivation soit appliquée efficacement, il est essentiel de comprendre pleinement les types et les caractéristiques des défauts présents dans chaque cellule solaire.

La méthode d’analyse des défauts conventionnelle connue sous le nom de Spectroscopie Transitoire de Niveau Profond (DLTS) applique une courte impulsion de tension à la cellule solaire, modifiant temporairement ses propriétés électroniques, puis analyse le dispositif en mesurant sa réponse lorsqu’il revient à son état normal (ci-après « réponse transitoire »). Cependant, parce que le temps nécessaire au dispositif pour se relaxer vers l’équilibre est extrêmement court, de l’ordre de la milliseconde, les approches précédentes mesuraient typiquement seulement deux points : une fois immédiatement après l’impulsion de tension et une fois lorsque le dispositif était complètement revenu à son état stable, plutôt que de capturer la réponse transitoire entière.

Cette approche est adaptée pour analyser des dispositifs à structures simples, mais parce qu’elle ne capture pas la réponse transitoire complète, elle n’est pas appropriée pour des dispositifs tels que les cellules solaires à hétérojonction de silicium, qui contiennent de multiples défauts complexes. En conséquence, même jusqu’à récemment, les défauts et caractéristiques des cellules solaires à hétérojonction de silicium ne pouvaient être qu’indirectement déduits, rendant difficile la détermination de leur véritable nature.

Pour remédier à cette limitation, l’équipe de recherche a affiné la méthode d’analyse conventionnelle et a proposé une nouvelle technique d’interprétation capable d’examiner la réponse transitoire entière de la cellule solaire. Grâce à cette approche, ils ont découvert que le défaut clé dans les cellules solaires à hétérojonction, précédemment supposé être d’un seul type, est en fait une superposition de deux défauts distincts. En d’autres termes, ils ont, pour la première fois, identifié que les défauts dans les cellules solaires à hétérojonction de silicium existent sous deux formes combinées.

Les deux types de défauts identifiés par l’équipe de recherche sont une composante lente (défaut de niveau profond) et une composante rapide (défaut de niveau peu profond). En analysant chaque composante séparément, l’équipe a extrait diverses caractéristiques des défauts, telles que le niveau d’énergie du défaut, l’emplacement spatial au sein du dispositif et la configuration de liaison atomique. Cela démontre que, pour une intégration efficace avec les technologies de passivation, l’évaluation quantitative (par exemple, les augmentations ou diminutions de la densité de défauts) et l’évaluation qualitative axée sur l’impact des défauts sur les performances du dispositif sont toutes deux d’une importance cruciale.

L’équipe de recherche a également constaté que les deux types de défauts peuvent subir des changements dans leur configuration de liaison atomique en fonction du processus de fabrication de la cellule solaire et des conditions de fonctionnement du dispositif. En particulier, ils ont démontré expérimentalement que l’hydrogène présent au sein de la cellule solaire joue un rôle clé dans la conduite de ces transformations de l’état des défauts.

Le Dr Hee-Eun Song du Département de Recherche en Photovoltaïque au KIER a déclaré : « Nous espérons que cette étude accélérera le développement de cellules solaires à hétérojonction de silicium à haute efficacité et, de plus, nous permettra de réaliser des cellules solaires tandem de classe mondiale en utilisant les technologies propriétaires du KIER. »

Le Professeur Ka-Hyun Kim du Département de Physique à l’Université Nationale de Chungbuk a expliqué : « Cette étude fournit une compréhension fondamentale de la relation entre les défauts et la passivation, » ajoutant que « la méthode d’analyse développée peut être étendue non seulement aux cellules solaires mais aussi à un large éventail d’applications semi-conductrices et d’affichage, y compris les capteurs, les LED et les dispositifs CMOS. »

La recherche conjointe a été menée en utilisant des cellules solaires SHJ fabriquées au Centre pour les Technologies Solaires Photovoltaïques Avancées (CAST) au KIER, et les mesures DLTS ont été analysées à la CBNU. Les résultats de ce travail fournissent une base solide pour les cellules solaires tandem à haute efficacité.

Article : Unraveling Mixed-Defect Transformations and Passivation Dynamics in Silicon Heterojunction Solar Cells – Journal : Advanced Functional Materials – DOI : Lien vers l’étude

* dirigée par le Dr Hee-Eun Song du Département de Recherche en Photovoltaïque au Korea Institute of Energy Research (Président Yi Chang-Keun, ci-après « KIER ») et le Prof. Ka-Hyun Kim du Département de Physique à l’Université Nationale de Chungbuk (Président Koh Chang-Seup, ci-après « CBNU »)

** Cellule Solaire à Hétérojonction de Silicium (SHJ) : Une structure de cellule solaire à base de silicium avec l’efficacité la plus élevée parmi les technologies silicium existantes. Récemment, elle a été activement utilisée dans les cellules solaires tandem, où différents types de cellules solaires sont empilés pour atteindre des efficacités encore plus élevées.

Source : KIER