Un groupe de scientifiques du Centre national de la recherche scientifique (CNRS, C2N, IPVF, LAAS) a mené une étude sur l’état de l’art et pour évaluer le potentiel et les limites des cellules solaires ultra-minces à base de silicium cristallin, d’arséniure de gallium (GaAs) et de séléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS).
Dans « Progress and prospects for ultra-thin solar cells », récemment publié dans Nature Energy, les scientifiques affirment que la production de cellules solaires au moins 10 fois plus fines que les cellules commerciales permettrait de faire des économies, en raison de la quantité nettement inférieure de matériaux nécessaires et faciliterait de nouveaux usages grâce à leur flexibilité. Une diminution des temps de dépôt associés à des couches de cellules plus minces entraînerait également un débit de production plus élevé et des coûts d’investissement plus faibles.
« Nous ne voyons aucune limite à l’application de cellules solaires ultra-minces dans le futur », indique le chercheur Stéphane Collin à pv magazine. « Une fois que les défis technologiques seront relevés, ils pourront offrir des avantages de coût et des économies de matériaux sans inconvénients ».
Les cellules solaires utilisent actuellement trop de matériaux, mais les cellules solaires ultra-minces pourraient avoir les mêmes propriétés et offrir les mêmes performances, une fois qu’elles seront entièrement développées et industrialisées.
« Pour le silicium cristallin, la tendance est à la réduction des épaisseurs des cellules solaires et cette recherche va stimuler la tendance », précise Stéphane Collin. « Nous pouvons nous attendre à ce que les cellules solaires en silicium soient aussi fines qu’environ 50 µm d’ici quelques années, mais réduction nécessitera des changements drastiques dans le processus de fabrication ».
L’équipe de recherche explique que l’approche optique actuelle utilisée dans le développement de telles cellules n’est pas suffisante, car une diminution trop importante de l’épaisseur du matériau absorbant pourrait mettre en péril l’architecture complète de la cellule solaire.
« Dans l’ensemble, les questions de photogénération et de collection des porteurs sont profondément interconnectées et l’amincissement de l’absorbeur limite encore la réalisation de la sélectivité des contacts et de la passivation des surfaces », indique l’équipe de recherche.
Les stratégies utilisées pour améliorer l’absorption de la lumière dans les cellules cristallines sont plus complexes. Des cellules solaires ultra-minces viables sur le plan industriel peuvent être réalisées en « appliquant des méthodes de croissance ascendante et des techniques de structuration évolutives au traitement de cellules de silicium de 10μm d’épaisseur pour atteindre des rendements supérieurs à 15% », expliquent les scientifiques.
Les cellules ultra-minces à base de GaAs sont considérées comme un dispositif modèle pour explorer de nouvelles stratégies de piégeage de la lumière qui pourraient être appliquées à d’autres matériaux.
« Pour les III-V, les cellules solaires ultra-minces ont un net avantage pour les applications spatiales, en raison de leur durée de vie plus longue, nous prévoyons donc de gros efforts dans cette direction, et des applications possibles à moyen terme », déclare Stéphane Collin.
Les premiers produits commerciaux seront probablement des cellules CIGS et au tellurure de cadmium (CdTe).
« Ces technologies peuvent bénéficier d’une réduction d’épaisseur sans grand changement dans la structure de la cellule ni dans le processus de fabrication », ajoute Stéphane Collin.
Le principal défi technologique est le développement d’un contact arrière capable de supporter des températures de dépôt CIGS élevées d’environ 500 °C, tout en offrant une réflectivité optique élevée et en formant un contact ohmique avec le CIGS, avec une faible recombinaison de surface.
Les chercheurs ont ajouté que les cellules ultra-minces à jonctions multiples pourraient également devenir une application prometteuse, mais que des problèmes subsistent en ce qui concerne le piégeage efficace de la lumière sur un spectre global à large bande et la correspondance des courants entre les sous-cellules. Pourtant, Stéphane Collin est convaincu que les cellules solaires ultra-minces pourraient être utilisées dans les systèmes photovoltaïques intégrés aux bâtiments (BIPV).
« Le piégeage de la lumière jouera un rôle non seulement en augmentant le chemin optique mais aussi en modulant l’absorbance spectrale des cellules solaires semi-transparentes », conclut le chercheur.
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