Source: energy.gov
CONTEXTE
Les dispositifs multijonctions à haute efficacité utilisent plusieurs bandes interdites, ou jonctions, qui sont réglées pour absorber une région spécifique du spectre solaire afin de créer des cellules solaires ayant des rendements records de plus de 45%. L' efficacité théorique maximale qu'une cellule solaire à bande interdite unique peut atteindre avec une lumière solaire non concentrée est d'environ 33,5%, principalement en raison de la large distribution des photons émis par le soleil. Cette efficacité limite, connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser, provient du fait que la tension en circuit ouvert (Voc) d'une cellule solaire est limitée par la bande interdite du matériau absorbant et que les photons avec des énergies inférieures à la bande interdite ne sont pas absorbés. Les photons qui ont des énergies supérieures à la bande interdite sont absorbés, mais l'énergie supérieure à la bande interdite est perdue sous forme de chaleur.
Les appareils multifonctions utilisent une cellule supérieure à large bande interdite pour absorber les photons de haute énergie tout en permettant aux photons de faible énergie de passer à travers. Un matériau avec une bande interdite légèrement inférieure est ensuite placé sous la jonction à bande interdite élevée pour absorber les photons avec un peu moins d'énergie (longueurs d'onde plus longues). Les cellules multijonctions typiques utilisent deux jonctions absorbantes ou plus, et l'efficacité maximale théorique augmente avec le nombre de jonctions. Les premières recherches sur les dispositifs multi-fonctions ont exploité les propriétés des semi-conducteurs constitués d'éléments dans les colonnes III et V du tableau périodique, tels que le phosphate de gallium indium (GaInP), l'arséniure de gallium indium (GaInAs) et l'arséniure de gallium (GaAs). Les dispositifs à trois jonctions utilisant des semi-conducteurs III-V ont atteint des rendements supérieurs à 45% en utilisant la lumière solaire concentrée. Cette architecture peut également être transférée à d'autres technologies de cellules solaires, et des cellules multi-fonctions fabriquées à partir de CIGS, CdSe, de silicium, de molécules organiques et d'autres matériaux sont à l'étude.
Dans le passé, les appareils multifonctions étaient principalement utilisés dans l'espace, où la production d'électricité légère est privilégiée, ce qui permet d'utiliser cette technologie solaire relativement coûteuse. Pour les applications terrestres, les coûts élevés de ces substrats semi-conducteurs (par rapport au silicium, par exemple) peuvent être compensés en utilisant une optique de concentration, les systèmes actuels utilisant principalement des lentilles de Fresnel. L'optique de concentration augmente la quantité de lumière incidente sur la cellule solaire, conduisant ainsi à une plus grande production d'énergie. L'utilisation de l'optique de concentration nécessite l'utilisation d'un suivi solaire à deux axes, qui doit être pris en compte dans le coût du système.
DIRECTIONS DE RECHERCHE
Bien que les cellules III-V multijonctions aient des rendements plus élevés que les technologies concurrentes, ces cellules solaires sont considérablement plus coûteuses en raison des techniques et des matériaux de fabrication actuels. Par conséquent, des efforts de recherche actifs visent à réduire le coût de l'électricité générée par ces cellules solaires grâce à des approches telles que le développement de nouveaux matériaux de substrat, de matériaux absorbants et de techniques de fabrication; accroître l'efficacité; et étendre le concept multijonction à d'autres technologies PV. En outre, en raison du coût de ces cellules solaires, le développement de solutions fiables à faible coût pour le suivi et la concentration sont également des domaines de recherche actifs pour soutenir les réductions de coûts pour les systèmes PV utilisant des cellules multi-fonctions.
En savoir plus sur les lauréats et les projets impliquant des cellules III-V à haute efficacité ci-dessous.
Ohio State University: Columbus Campus (recherche et développement en photovoltaïque)
Arizona State University (Recherche et développement en photovoltaïque)
Université de l'Oregon (recherche et développement en photovoltaïque: petits projets innovants dans le solaire)
École des mines et de la technologie du Dakota du Sud (recherche et développement en photovoltaïque: petits projets innovants dans le solaire)
Arizona State University (Recherche et développement en photovoltaïque: petits projets innovants dans le solaire)
nLiten Energy (Recherche et développement en photovoltaïque: petits projets innovants dans le solaire)
Université de Californie, Berkeley (projets photovoltaïques de prochaine génération II)
California Institute of Technology (projets photovoltaïques de prochaine génération II)
Université d'État de Caroline du Nord (programme fondamental pour améliorer l'efficacité cellulaire)
Laboratoire national des énergies renouvelables (programme fondamental pour faire progresser l'efficacité des cellules)
Ohio State University (programme de base pour faire progresser l'efficacité cellulaire)
Université de Houston (projets photovoltaïques de prochaine génération 3)
Laboratoire national des énergies renouvelables (projets photovoltaïques de prochaine génération 3)
AVANTAGES
Les avantages des cellules solaires multijonctions III-V comprennent:
Correspondance du spectre: des cellules à haute efficacité (> 45%) peuvent être fabriquées en faisant correspondre des sections du spectre solaire avec des couches d'absorbeur spécifiques ayant des bandes interdites spécifiques.
Structure cristalline: Les diverses combinaisons de semi-conducteurs III-V ont des structures cristallines similaires et des propriétés idéales pour les cellules solaires, y compris de longues longueurs de diffusion d'excitons, la mobilité des porteurs et des spectres d'absorption compatibles.
PRODUCTION
Les cellules III-V multijonctions traditionnelles sont assemblées dans un empilement monolithique épitaxial avec des sous-cellules connectées en série par des jonctions tunnel. La construction d'une cellule multijonction dans une pile monolithique entraîne des contraintes matérielles, et la fabrication de tels dispositifs est facilitée si les couches individuelles des sous-cellules ont des positions de réseau atomique compatibles et sont adaptées au réseau. Cet avantage de l'adaptation du réseau est la raison pour laquelle Ge, qui est adapté au réseau à certains alliages III-V, est traditionnellement utilisé comme substrat et cellule à bande interdite étroite dans les MJ. Les limitations de correspondance de réseau peuvent être surmontées avec une complexité supplémentaire en utilisant la liaison de plaquettes ou des couches tampons métamorphiques.
La couche de jonction tunnel est construite par l'interface de couches p ++ et n ++ fortement dopées. L'interaction de ces couches se traduit par une région de charge d'espace spatialement étroite, qui permet au courant de circuler entre les sous-cellules. Des couches à large bande interdite, appelées couches de fenêtre et champs de surface arrière, peuvent être ajoutées pour passiver les états de surface à l'interface entre une sous-cellule et la jonction tunnel, qui, s'ils ne sont pas passivés, peuvent piéger les porteurs et accélérer la recombinaison.
Si les sous-cellules sont connectées en série, la sous-cellule qui conduit le plus petit courant limite le courant maximum qui peut traverser l'appareil. Par conséquent, un effort considérable est fait pour régler le courant des sous-cellules. Le couplage luminescent entre les sous-cellules peut assouplir certaines des exigences de conception actuelles.
Les cellules solaires multifonctionnelles III-V peuvent être fabriquées en utilisant des techniques d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), mais la fabrication dans de grands réacteurs de dépôt chimique en phase vapeur organique (MOCVD) est typique de la production à l'échelle commerciale de dispositifs GaInP / GaInAs / Ge. Les couches peuvent être cultivées à partir de triméthylgallium (Ga (CH3) 3), de triméthylindium (InC3H9), d'arsine (AsH3) et de phosphine (PH3) dans un gaz vecteur d'hydrogène et en utilisant des dopants tels que le séléniure d'hydrogène (H2Se), le silane (SiH6), et diéthyl zinc ((C2H5) 2Zn). L'utilisation de l'optique de concentration permet aux cellules individuelles d'être assez petites, parfois aussi petites que la taille de la pointe d'un crayon. Par conséquent, ces techniques permettent à des centaines de cellules solaires de croître en lots uniques. Des recherches sont en cours pour réduire davantage la taille des cellules et augmenter le nombre de cellules qui peuvent être cultivées à partir d'une seule plaquette, ce qui contribuera à réduire le coût par cellule.
