À l’avenir, les sociétés décarbonisées qui utilisent des dispositifs de l’internet des objets (IoT) deviendront monnaie courante. Mais pour y parvenir, nous devons d’abord réaliser des sources d’énergie renouvelable hautement efficaces et stables. Les cellules solaires sont considérées comme une option prometteuse, mais leurs contacts électriques souffrent d’une relation de » compromis » entre la passivation de surface et la conductivité. Récemment, des chercheurs japonais ont mis au point un nouveau type de contact électrique qui permet de surmonter ce problème.
Le type le plus récent de cellule photovoltaïque commerciale (cellule solaire) utilise des couches empilées de silicium cristallin (c-Si) et une couche ultrafine d’oxyde de silicium (SiOx) pour former un contact électrique. Le SiOx est utilisé comme film « passivant« , une couche non réactive qui améliore les performances, la fiabilité et la stabilité du dispositif. Mais cela ne signifie pas qu’il suffit d’augmenter l’épaisseur de cette couche passivante pour améliorer les cellules solaires. Le SiOx est un isolant électrique et il existe une relation de compromis entre la passivation et la conductivité du contact électrique dans les cellules solaires.
Dans une nouvelle étude, publiée dans ACS Applied Nano Materials, une équipe de recherche dirigée par le professeur adjoint Kazuhiro Gotoh et le professeur Noritaka Usami de l’université de Nagoya a mis au point une nouvelle couche de SiOx qui permet simultanément une passivation élevée et une meilleure conductivité. Nommé NAnocrystalling Transport path in Ultrathin dielectrics for REinforcing passivating contact (NATURE contact), le nouveau contact électrique est constitué de structures à trois couches composées d’une couche de nanoparticules de silicium prise en sandwich entre deux couches de SiOx riche en oxygène. « Vous pouvez considérer un film de passivation comme un grand mur dans lequel se trouvent des portes. Dans le contact NATURE, le grand mur est la couche de SiOx et les portes sont des nanocristaux de Si« , explique le Dr Gotoh.
La conductivité du contact électrique dans les cellules solaires dépend de la formation d’une « voie de transport » pour le transport des charges électroniques. La formation de ce chemin électrique dépend d’un traitement à haute température appelé « recuit« .
Des recherches antérieures ont montré que les contacts SiOx qui contiennent des nanoparticules de silicium comme voie de transport peuvent atteindre de bonnes propriétés électriques. Dans le contact NATURE, le processus de recuit conduit à la formation de très petits nanocristaux de silicium dans la couche de passivation, de forme presque sphérique. Le diamètre de ces nanocristaux correspond à l’épaisseur de la couche de passivation. Ainsi, en contrôlant les conditions de recuit, le diamètre et l’épaisseur subséquente de la couche de passivation peuvent être ajustés.
L’équipe de recherche a fabriqué des contacts NATURE, puis les a soumis à différentes conditions de recuit. En étudiant les contacts au microscope électronique à transmission, ils ont découvert que des nanocristaux de silicium se formaient dans le contact à une température de recuit de 750 °C. Ils ont également étudié les propriétés électriques du contact. Ils ont constaté que, par rapport aux contacts existants tels que le contact passivant à oxyde tunnel (TOPCon) ou les contacts à polysilicium sur oxyde (POLO), le contact NATURE présentait des valeurs comparables de résistance de contact et de « courant de recombinaison », un phénomène qui provoque des pertes de courant et de tension dans les cellules solaires et diminue leur efficacité.
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« Le contact NATURE surmonte la relation de compromis entre la capacité de protection et la conductivité des films de passivation. Ce développement conduira à la réalisation des futurs systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments (BIPV) et aux véhicules (VIPV) et nous aidera à atteindre des bâtiments à énergie zéro et des voitures solaires dans les futures sociétés décarbonisées« , conclut le Dr Gotoh.
L’article intitulé « Silicon Nanocrystals Embedded in Nanolayered Silicon Oxide for Crystalline Silicon Solar Cells » a été publié dans la revue ACS Applied Nano Materials le 28 janvier 2022 à l’adresse DOI : 10.1021/acsanm.1c03355.
Auteurs : Ryohei Tsubata, Kazuhiro Gotoh, Masashi Matsumi, Markus Wilde, Tetsuya Inoue, Yasuyoshi Kurokawa, Katsuyuki Fukutani, and Noritaka Usami
*Affiliated to Nagoya University
Financements : Ce travail a été soutenu financièrement par la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS) KAKENHI Grant number18H05951, 20K15127, la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) du Japon, 15100646-0, et Grants-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas « Hydrogenomics », JP18H05514 et JP18H05518.
À propos de l’Université de Nagoya, Japon : L’université de Nagoya a une histoire d’environ 150 ans. Elle trouve ses racines dans une école de médecine et un hôpital temporaires établis en 1871, et a été officiellement instituée comme la dernière université impériale du Japon en 1939. Bien que de taille modeste par rapport aux plus grandes universités du Japon, l’université de Nagoya poursuit l’excellence depuis sa fondation. Six des 18 lauréats japonais du prix Nobel depuis 2000 ont réalisé tout ou partie de leurs travaux à l’université de Nagoya : quatre en physique – Toshihide Maskawa et Makoto Kobayashi en 2008, et Isamu Akasaki et Hiroshi Amano en 2014 ; et deux en chimie – Ryoji Noyori en 2001 et Osamu Shimomura en 2008. En mathématiques, Shigefumi Mori a réalisé à l’université ses travaux qui lui ont valu la médaille Fields. Un certain nombre d’autres découvertes importantes ont également été faites à l’université, notamment les fragments d’ADN d’Okazaki par Reiji et Tsuneko Okazaki dans les années 1960, et les forces d’épuisement par Sho Asakura et Fumio Oosawa en 1954.
