Coup de boost : l’efficacité des cellules solaires minces c-SI passe à 21,1 %

L’énergie solaire reste une ressource inépuisable dans une recherche d’énergie toujours plus propre et durable. Aujourd’hui, environ 95 % des cellules solaires sont fabriquées à partir de silicium cristallin (c-Si). Malgré quelques améliorations récentes, l’efficacité de conversion des cellules solaires minces en c-Si reste bien inférieure à celle des cellules industrielles épaisses.

La plupart des modèles commerciaux utilisent une couche photoactive de c-Si d’une épaisseur d’environ 160-170 μm. Toutefois, comme le silicium représente à lui seul près de la moitié du coût de chaque panneau solaire, les experts pensent que les cellules solaires en c-Si de la prochaine génération seront beaucoup plus fines.

Une équipe de recherche de l’Université Hangzhou Dianzi, en Chine, a développé une nouvelle stratégie pour améliorer considérablement l’efficacité des cellules solaires minces en c-Si.

Les chercheurs ont identifié quelques caractéristiques optiques et électriques clés responsables des différences d’efficacité de conversion entre les cellules solaires épaisses et minces en c-Si. En utilisant des logiciels commerciaux, ils ont effectué des simulations optiques de diverses conceptions de cellules minces. Grâce à des expériences supplémentaires avec des cellules solaires, les chercheurs ont élaboré une méthode de fabrication innovante offrant plusieurs avantages par rapport aux techniques conventionnelles.

Leur étude, publiée dans le Journal of Photonics for Energy (JPE), représente une avancée significative dans le domaine de la technologie des cellules solaires au silicium.

Au lieu d’utiliser la méthode de découpe de lingots de silicium généralement employée pour fabriquer des couches épaisses de c-Si, l’équipe a utilisé une méthode de transfert de couche. Ils ont utilisé de l’acide fluorhydrique pour graver des pores dans une tranche de silicium épaisse. Cette couche poreuse a servi de substrat pour faire pousser une couche de silicium monocristallin mince de 20 μm, qui pouvait être facilement détachée et transférée sur un substrat en acier inoxydable flexible.

Amélioration des performances optiques et électriques

Afin d’améliorer les performances optiques et électriques de la couche de silicium mince, les chercheurs ont déposé plusieurs nanofilms métalliques sur les deux côtés en utilisant la déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma.

Les couches SiO2/SiNx/SiOx et Al2O3/SiNx/SiOx avec une texture pyramidale ont été déposées sur les côtés faisant face à l’avant et à l’arrière de la cellule solaire, respectivement. Les couches frontales SiNx/SiOx et arrières SiOx/SiNx ont augmenté l’absorption de la lumière de la couche de silicium dans les longueurs d’onde plus courtes et plus longues, respectivement.

En conséquence, la densité de courant de court-circuit, une mesure du nombre de porteurs de charge pouvant être générés et récupérés par la cellule solaire, a augmenté de 34,3 à 38,2 mA/cm2. Par ailleurs, les couches de SiO2 et Al2O3 ont assuré une passivation de surface élevée, minimisant la recombinaison et la perte des porteurs de charge générés.

L’ensemble a conduit à une tension de circuit ouvert plus élevée, passant de 632 mV dans la cellule de référence à 684 mV avec la conception proposée.

En synthèse

La stratégie proposée a permis d’augmenter l’efficacité de conversion de 16,5 à 21,1 %, soit un gain remarquable de 4,6 % (correspondant à une amélioration d’environ 28 % par rapport à la cellule de référence). Cela rapproche l’efficacité des cellules solaires minces en c-Si de celle de leurs homologues industriels épais, qui atteint aujourd’hui 24 %.

Cette avancée contribuera probablement à une adoption plus large et économique de la technologie solaire au silicium, en raison de la réduction des coûts et de l’expansion concomitante de la capacité de fabrication de panneaux solaires.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que le silicium cristallin (c-Si) ?

Le silicium cristallin (c-Si) est un matériau semi-conducteur utilisé dans la fabrication de cellules solaires. Environ 95 % des cellules solaires sont fabriquées à partir de c-Si.

2. Quelle est la différence entre les cellules solaires minces et épaisses en c-Si ?

Les cellules solaires épaisses en c-Si ont une couche photoactive d’environ 160-170 μm, tandis que les cellules solaires minces ont une couche beaucoup plus fine. Les cellules minces utilisent moins de silicium, ce qui réduit les coûts, mais leur efficacité de conversion est généralement inférieure à celle des cellules épaisses.

3. Quelle est la méthode de transfert de couche utilisée par les chercheurs ?

La méthode de transfert de couche consiste à utiliser de l’acide fluorhydrique pour graver des pores dans une tranche de silicium épaisse. Cette couche poreuse sert de substrat pour faire pousser une couche de silicium monocristallin mince de 20 μm, qui peut être facilement détachée et transférée sur un substrat en acier inoxydable flexible.

4. Comment ont-ils amélioré les performances optiques et électriques ?

Les chercheurs ont déposé plusieurs nanofilms métalliques sur les deux côtés de la couche de silicium mince en utilisant la déposition chimique en phase vapeur assistée par plasma. Les couches SiO2/SiNx/SiOx et Al2O3/SiNx/SiOx avec une texture pyramidale ont été déposées sur les côtés faisant face à l’avant et à l’arrière de la cellule solaire, améliorant ainsi l’absorption de la lumière et la passivation de surface.

5. Quelle est l’efficacité de conversion obtenue avec la stratégie proposée ?

La stratégie proposée a permis d’augmenter l’efficacité de conversion de 16,5 % à 21,1 %, soit un gain remarquable de 4,6 % (correspondant à une amélioration d’environ 28 % par rapport à la cellule de référence).

Légende illustration principale : Une cellule solaire en silicium cristallin (c-Si) haute performance de 20μm d’épaisseur utilise beaucoup moins de silicium. Les figures du rapport de Xie et al. comprennent (à gauche) une cellule c-Si semi-finie sur un substrat d’acier flexible ; (au milieu) une cellule complète ; (à droite) l’image d’une cellule c-Si mince fabriquée montrant sa flexibilité. Crédit : Auteurs

Lire l’article en libre accès de G. Xie et al, « Investigation on significant efficiency enhancement of thin crystalline silicon solar cells, » J. Photon. Energy 13(3), 035501 (2023), doi 10.1117/1.JPE.13.035501