Matériaux inorganiques avancés pour le photovoltaïque

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Les enjeux pour les futurs composants inorganiques photovoltaïques sont d’obtenir des matériaux absorbants d’une grande qualité cristallographique et à base d’éléments abondants, des fenêtres optiques appropriées en termes de transparence et de conduction électrique, des interfaces contrôlées et des architectures de cellules permettant le plus haut rendement possible associé à un faible coût. Par ailleurs, la technologie photovoltaïque en couches minces est actuellement dominée par les composés CdTe et Cu(In,Ga)Se . Cependant, la faible disponibilité et la toxicité de certains éléments de ces composés imposent de trouver des alternatives à base d’éléments courants (Si, Cu, Zn, …). Nos objectifs sont de répondre à ces exigences technologiques en se focalisant sur la synthèse et la caractérisation physico-chimique de matériaux, avec optimisation de leurs propriétés suivant la fonction visée (absorbeur, fenêtre, convertisseur…). Nous portons un intérêt tout particulier à la compréhension du rôle joué par les défauts (intrinsèques ou extrinsèques) et les états de surface sur les propriétés optoélectroniques (absorption, transport des porteurs de charges…) des matériaux produits.

Thèmes développés

Cellules en silicium massif

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L’industrie photovoltaïque continuera pour longtemps encore à utiliser des plaquettes de silicium cristalllin mais leur mode de croissance (Si métallurgique, Si ruban) et leur teneur en impuretés (O, C, Al, Fe, Ti, B, P…) exigent une réduction draconienne de l’épaisseur (< 100 µm) afin de relaxer la contrainte sur la longueur de diffusion des porteurs minoritaires. Les étapes de gettering, de passivation des surfaces, de texturation, et de métallisation deviennent très importantes. Par ailleurs, le développement du Si type N pour le photovoltaïque devient une alternative sérieuse. Notre effort de recherche consistera donc à développer des procédés innovants pour la passivation des surfaces (diélectriques de type Al2O3, AlN …), pour la texturation (plasma réactif), le dopage et la métallisation localisés (implantation, laser, lampes). Il s’agira de mettre en relation les propriétés électriques des plaquettes Si métallurgique et Si ruban avec les teneurs en impuretés dans ces plaquettes avant et après les différents traitements.




Cellules en silicium couches minces

Les matériaux en couches minces constituent la deuxième génération de la technologie photovoltaïque. En particulier, le silicium cristallin présente plusieurs avantages tels que son abondance (même gazeuse), sa non-toxicité, sa facilité de recyclage, et sa stabilité chimique et thermique. Il faut cependant contourner ses inconvénients : gap indirect imposant une grande épaisseur, défauts recombinants, coût de production. Nos activités dans ce domaine porteront sur deux voies :

o Investigation de nouveaux procédés d’élaboration des couches Si cristallin sur substrats souples (alliages métalliques …), comme par exemple le dépôt direct de Si à partir de gaz plasma contrôlé ou l’utilisation d’une encre contenant des nanoparticules de silicium puis frittage. Il s’agit de corréler les propriétés structurales et électroniques avec les paramètres photovoltaïques issus de ces structures.
o Développement de méthodes pour le management optique dans le Si ultramince de manière à augmenter le parcours des photons et multiplier la génération de charges. Il est envisagé de réaliser des couches diélectriques réflectrices internes (ex. a-SiON:P, a-SiON:B), des réseaux photoniques, des structures à nanoparticules métalliques.

Nouveaux concepts pour le photovoltaïque

  • Conversion photonique par luminescence
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L’augmentation du rendement de conversion passe par une exploitation totale du spectre solaire par la cellule de conversion. Parmi les différentes solutions, on peut citer les cellules à impuretés ou à bande intermédiaire, pour lesquelles une modification de la partie active de la cellule est nécessaire. Une autre idée originale consiste à modifier le spectre incident par conversion énergétique de ses photons, suivant trois manières : downshifting (DS), down-conversion (DC) et up-conversion (UC). Dans le premier cas il s'agit de récupérer les photons non utilisés par la cellule, dans le deuxième de récupérer l'énergie perdue par thermalisation et dans le troisième de récupérer les photons non absorbés. Nos investigations sont :

o Développement de couches à conversion à base d’oxynitrures de silicium contenant des nanocristaux de silicium dopés avec des ions de terres rares.
o Développement de couches conductrices transparentes (TCOs) à base de ZnO dopées avec un ou plusieurs ions de terres rares (Tb, Yb, Nd…) afin d’obtenir les propriétés de conversion recherchées. Il est également prévu des études de transfert de charges entre les couches ZnO et les nanoparticules de silicium.
o Développement de polymères encapsulants fonctionnalisés par la conversion de photons.

Collaborations académiques: IPVF-Paris, IPHC-Strasbourg, IPCMS-Strasbourg, IJL-Nancy, METU-Turquie…

  • Structures à effet plasmonique

L’application de la plasmonique dans le photovoltaïque est très récente et repose sur la potentialité de nanoparticules métalliques dispersées en surface ou en face arrière à exalter le champ électromagnétique et ainsi à augmenter l’absorption dans des couches minces, en particulier pour le silicium. Nous développons cette thématique en utilisant soit une méthode chimique (dépôt d’Ag puis recuit) soit une méthode physique (implantation ionique d’Ag ou Al dans une matrice diélectrique). Les verrous à lever portent sur la maîtrise des tailles et densité, la démonstration de l’efficacité de conversion et enfin l’intégration du procédé dans la cellule finale (en Si massif ou en couche mince).
Collaborations académiques: IJL-Nancy, IPCMS-Strasbourg, UTT- Troyes

  • Structures Tandem en silicium

La bande interdite du silicium cristallin peut être modulée par sa nanostructuration. Notre objectif est la réalisation de des cellules tandem à base de silicium en juxtaposant des matériaux Si avec différentes tailles de nanoparticules ou des nanofils.
Nos recherches s’orientent vers deux voies :

o Des structures contenant des nanoparticules de silicium dispersées d’une façon ordonnée dans une matrice diélectrique, et dont la bande interdite effective est contrôlée par la taille des nano-objets. Les défis scientifiques sont le contrôle du dopage de ces nanostructures (réalisé dans notre cas soit in-situ lors du dépôt par pulvérisation magnétron soit ex-situ par implantation ionique et recuit thermique ou laser) et la mesure de ses conséquences sur les aspects optiques et électroniques. Le défi technologique majeur est la fabrication d’une cellule sur ces structures.
o Des structures à nanofils de silicium obtenues par dépôt CVD de multicouches contenant des nanoparticules mais dans des conditions qui permettent la percolation de ces nanoparticules. Nos futurs travaux s’articuleront autour de l’élaboration de nanofils Si résultant du décapage de la matrice diélectriques, le dopage de ces nanofils, la détermination des propriétés optiques de ces structures verticales, et enfin la réalisation des cellules.

Collaborations académiques: IJL-Nancy, LMPO-Metz

  • Structures Tandem III-V sur silicium

L’utilisation de cellules Tandem, juxtaposant plusieurs semi-conducteurs chacun absorbant une partie du spectre solaire, semble une excellente option compte tenu des rendements de conversion déjà obtenus avec ce principe. Nous travaillons sur la formation de nouvelles cellules à multijonctions en combinant les avantages du silicium et ceux des matériaux III-V. Nous comptons développer des cellules à base d’alliage InGaN sur substrat silicium afin de transformer une bonne partie du spectre solaire et le convertir en charges électriques. Les objectifs scientifiques sont la compréhension des phénomènes de croissance d’alliage InGaN sur substrat Si en se servant de couches tampon. Les objectifs technologiques sont la réalisation de cellules tandem dont les rendements de conversion dépassent 30%, limite théorique pour des cellules à homojonction. Les objectifs environnementaux sont l’utilisation de moins de matière première (Si, In, Ga, …) pour des performances meilleures.
Projets: ANR-NOVAGAINS
Collaborations académiques: LGEP-Gif, GergiaTech-Metz,INL-Lyon…
Collaborations industriels : NOVATIONS

Thèmes en voie de développement

T1.1 Matériaux absorbants en couche mince

Les futurs travaux de l’équipe portant sur l’utilisation de silicium (et germanium) comme absorbeur s’orientent vers des structures originales de par leur méthode de synthèse (croissance assistée par métaux, implantation ionique…) et/ou par leur forme cristallographique (nanoparticles, nanofils). En effet, nous poursuivons nos travaux sur le silicium cristallin sous forme de couches minces sur substrats métalliques et également sur les structures à base de nanoparticules de silicium (et/ou germanium) insérées dans des matrices diélectriques.

Par ailleurs, nous axons nos recherches sur les oxydes multiferroïques et pérovskites pour le photovoltaïque . En particulier, on se concentre sur la synthèse par voies chimiques (sol-gel, solutions) et physiques (ablation laser) de matériaux comme BiMnO3 et la double pérovskite Bi2FeCrO6, et leurs caractérisations structurales et optoélectroniques.

T1.2. Les oxydes fonctionnalisés

Les recherches sur les oxydes transparents conducteurs (OTCs) sont toujours très importantes, compte tenu de la demande dans plusieurs domaines applicatifs, dont le photovoltaïque. La fonctionnalisation de ces oxydes en tant que convertisseur photonique a élargi leur potentiel d’applications. Nous poursuivons nos investigations sur la fonctionnalisation des OTCs à base d’étain (Sn) et de zinc (Zn). Plus particulièrement, nous étudions les propriétés électriques et optiques de matériaux oxydes ZnSnO (ZTO) amorphes et cristallins en couche mince. La grande mobilité des électrons dans les oxydes amorphes pourrait être une voie prometteuse pour aller au-delà des limitations concernant les fréquences de coupure et l'efficacité énergétique de silicium amorphe. Le dopage de ces oxydes par des lanthanides (Nd, Yb) ou d’autres éléments (Al, N) devrait permettre d’améliorer les propriétés de transport électrique et mettre en exergue leurs propriétés de conversion de photons UV en photons rouges.