Cellules tandem à base de matériaux III-V sur silicium cristallin : objectif réduction des coûts

Parmi les nombreuses filières du photovoltaïque (c-Si, CdTe, CIGS, pérovskites), la filière basée sur des matériaux III-V, dont l’arséniure de gallium est le prototype, détient le record de rendement de 47% pour des cellules sous concentration. Néanmoins l’utilisation de ce type de cellules est limitée au domaine spatial à cause des coûts, qui sont environ 100 supérieurs à ceux de la filière du silicium cristallin.

Le programme COSY

Lancé en 2019, ce programme Low cost II-V on c-Si tandem solar cells a pour objectif d’explorer diverses stratégies capables de conduire à une forte réduction des coûts grâce à des innovations dans les domaines des procédés et des substrats. Parmi ces méthodes nous étudions :

Le collage de la cellule GaAs sur une cellule c-Si par des méthodes bas coût telles que l’utilisation de couches transparentes et conductrices obtenues par des méthodes sol-gel.
L’épitaxie sur des substrats III-V couverts de graphène. Cette méthode, qui permet le décollage et transfert de la cellule obtenue, est développée dans l’objectif du recyclage du substrat III-V. Avec des mesures de luminescence, nous prédisons que la perte de tension de circuit ouvert est limitée à 60 mV, en comparaison à un dépôt sur substrat sans graphène.
Le développement de « substrats virtuels ». Le coût des cellules III-V sont en grande partie dû aux substrats adaptés (par exemple GaAs, germanium cristallin). L’approche développée consiste à épitaxier par une méthode bas coût (procédé plasma) une fine couche de Ge sur un substrat de silicium peu cher. Le substrat ainsi obtenu constitue un bon gabarit pour la croissance de matériaux III-V.
La croissance de matériaux III-V par des méthodes bas coût basées sur des procédés plasma. En particulier nous avons développé la croissance de GaN et GaAs par pulvérisation cathodique (PVD) et par procédé plasma déporté (RP-CVD).

Croissance de GaAs et cellules par RP-CVD

Nous avons démontré que cette technique permet d’obtenir des couches épitaxiées ayant une qualité cristalline comparable à celle du substrat de GaAs sur lequel elles sont déposées. Bien que des améliorations sont à poursuivre au niveau des propriétés électroniques (en particulier sur des substrats virtuels) et du dopage, des tests préliminaires sur des cellules solaires en collaboration avec l’Institut d’Energie Solaire de Madrid (qui a réalisé les couches dopées), nous ont d’ores et déjà permis d’obtenir des cellules solaires GaAs ayant un rendement de conversion de 15%.

Ces programmes font l’objet de plusieurs brevets délivrés ou en cours de délivrance.