Les scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) ont réalisé une percée technologique pour les cellules solaires que l'on croyait auparavant impossible.

Les scientifiques ont réussi à intégrer une source d'aluminium dans leur réacteur d'épitaxie en phase vapeur d'hydrure (HVPE), ont ensuite démontré la croissance des semi-conducteurs phosphure d'aluminium-indium (AlInP) et de phosphure d'aluminium-gallium-indium (AlGaInP) pour la première fois par cette technique.

"Il existe une littérature décente qui suggère que les gens ne seraient jamais capables de cultiver ces composés par épitaxie en phase vapeur d'hydrure, " a déclaré Kevin Schulte, un scientifique du Materials Applications &Performance Center du NREL et auteur principal d'un nouvel article mettant en évidence la recherche. "C'est l'une des raisons pour lesquelles une grande partie de l'industrie III-V a opté pour l'épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE), qui est la technique de croissance III-V dominante. Cette innovation change les choses."

L'article, "Croissance de l'AlGaAs, AlInP, et AlGaInP par épitaxie en phase vapeur d'hydrure, " apparaît dans le journal ACS Matériaux énergétiques appliqués .

Les cellules solaires III-V, ainsi nommées en raison de la position des matériaux dans le tableau périodique, sont couramment utilisées dans les applications spatiales. Remarquable pour une efficacité élevée, ces types de cellules sont trop chers pour un usage terrestre, mais les chercheurs développent des techniques pour réduire ces coûts.

Une méthode pionnière au NREL repose sur une nouvelle technique de croissance appelée épitaxie dynamique en phase vapeur d'hydrure, ou D-HVPE. HVPE traditionnel, qui pendant des décennies a été considérée comme la meilleure technique pour la production de diodes électroluminescentes et de photodétecteurs pour l'industrie des télécommunications, est tombé en disgrâce dans les années 1980 avec l'émergence du MOVPE. Les deux procédés impliquent le dépôt de vapeurs chimiques sur un substrat, mais l'avantage appartenait au MOVPE en raison de sa capacité à former des hétérointerfaces abruptes entre deux matériaux semi-conducteurs différents, un endroit où HVPE luttait traditionnellement.

Cela a changé avec l'avènement du D-HVPE.

Exemples de cellules solaires III-V cultivées à l'aide de HVPE Exemples de cellules solaires III-V en aluminium, cultivé en utilisant HVPE, sont représentés sous forme de couches minces Alx(Ga1-x)0.5In0.5P après avoir retiré le substrat GaAs lié à une poignée en verre pour les mesures de transmission. La différence de couleur est due à la différence de composition d'Al et de Ga. Plus précisément, les échantillons jaunes sont AlInP (pas de Ga) et les échantillons oranges sont AlGaInP. Photo de Dennis Schroeder, NREL

La version précédente du HVPE utilisait une seule chambre où un produit chimique était déposé sur un substrat, qui a ensuite été supprimée. La chimie de croissance a ensuite été remplacée par une autre, et le substrat est retourné à la chambre pour la prochaine application chimique. Le D-HVPE repose sur un réacteur à plusieurs chambres. Le substrat va et vient entre les chambres, réduisant considérablement le temps de fabrication d'une cellule solaire. Une cellule solaire à simple jonction qui prend une heure ou deux à fabriquer à l'aide de MOVPE peut potentiellement être produite en moins d'une minute par D-HVPE. Malgré ces avancées, MOVPE possédait encore un autre avantage :la capacité de déposer des matériaux contenant de l'aluminium à large bande interdite qui permettent les rendements les plus élevés des cellules solaires. HVPE a longtemps lutté avec la croissance de ces matériaux en raison de difficultés avec la nature chimique du précurseur contenant de l'aluminium habituel, monochlorure d'aluminium.

Les chercheurs ont toujours prévu d'introduire de l'aluminium dans le D-HVPE, mais ont d'abord concentré leurs efforts sur la validation de la technique de croissance.

"Nous avons essayé de faire avancer la technologie par étapes au lieu d'essayer de tout faire en même temps, " Schulte a déclaré. "Nous avons validé que nous pouvons cultiver des matériaux de haute qualité. Nous avons validé que nous pouvons développer des appareils plus complexes. La prochaine étape maintenant pour que la technologie avance est l'aluminium."

Les co-auteurs de Schulte du NREL sont Wondwosen Metaferia, Jean Simon, David Guiling, et Aaron J. Ptak. Ils comprennent également trois scientifiques d'une entreprise de Caroline du Nord, Kyma Technologies. La société a développé une méthode pour produire une molécule unique contenant de l'aluminium, qui pourrait ensuite être injecté dans la chambre D-HVPE.

Les scientifiques ont utilisé un générateur de trichlorure d'aluminium, qui a été chauffé à 400 degrés Celsius pour générer un trichlorure d'aluminium à partir d'aluminium solide et de chlorure d'hydrogène gazeux. Le trichlorure d'aluminium est beaucoup plus stable dans l'environnement du réacteur HVPE que la forme monochlorure. Les autres composants, le chlorure de gallium et le chlorure d'indium, ont été vaporisés à 800 degrés Celsius. Les trois éléments ont été combinés et déposés sur un substrat à 650 degrés Celsius.

En utilisant le D-HVPE, Les scientifiques du NREL étaient auparavant capables de fabriquer des cellules solaires à partir d'arséniure de gallium (GaAs) et de phosphure de gallium et d'indium (GaInP). Dans ces cellules, le GaInP est utilisé comme "couche fenêtre, " qui passive la surface avant et permet à la lumière du soleil d'atteindre la couche absorbante de GaAs en dessous où les photons sont convertis en électricité. Cette couche doit être aussi transparente que possible, mais le GaInP n'est pas aussi transparent que le phosphure d'aluminium et d'indium (AlInP) utilisé dans les cellules solaires MOVPE. Le record mondial actuel d'efficacité pour les cellules solaires GaAs cultivées en MOVPE qui incorporent des couches de fenêtre en AlInP est de 29,1 %. Avec seulement GaInP, l'efficacité maximale des cellules solaires cultivées en HVPE est estimée à seulement 27 %.

Maintenant que l'aluminium a été ajouté au mélange de D-HVPE, les scientifiques ont déclaré qu'ils devraient pouvoir atteindre la parité avec les cellules solaires fabriquées via MOVPE.

"Le procédé HVPE est un procédé moins cher, " dit Ptak, un scientifique principal au Centre national du photovoltaïque du NREL. "Maintenant, nous avons montré une voie vers la même efficacité qui est la même que les autres gars, mais avec une technique moins chère. Avant, nous étions un peu moins efficaces mais moins chers. Maintenant, il y a la possibilité d'être exactement aussi efficace et moins cher."