Figure 1. Chercheurs de la Colorado State Univ. ont créé une feuille de route des structures de dispositifs pour les performances PV CdTe. Jusqu'ici, ils ont atteint des rendements de 19,2 %. Crédit :Université d'État du Colorado
La durabilité énergétique représente l'un des grands défis auxquels la société moderne est confrontée, et l'énergie solaire photovoltaïque à couche mince offre l'une des meilleures opportunités pour une utilisation croissante des énergies renouvelables. Le photovoltaïque (PV) utilisant le tellurure de cadmium semi-conducteur en couche mince (CdTe) a été commercialisé à l'échelle du gigawatt (GW) par an, avec 17,5 GW installés dans le monde.
Dans de nombreuses applications à grande échelle, il est moins coûteux de produire de l'électricité en utilisant le CdTe PV que les combustibles fossiles. Le coût actualisé de l'énergie (LCOE) du CdTe PV est d'environ 0,04 $/kWh, tandis que le LCOE moyen national de toutes les sources est de 0,11 $/kWh. Par ailleurs, les émissions du cycle de vie du métal lourd Cd du CdTe PV sont inférieures à celles de la production d'électricité traditionnelle pour la même quantité d'énergie produite. Le CdTe utilise environ un centième de la quantité de matériaux semi-conducteurs utilisés pour le c-silicium PV (le photovoltaïque le plus couramment utilisé aujourd'hui) et peut être traité 24 fois plus rapidement que le c-silicium.
Pour réduire encore le coût de l'électricité à partir de CdTe PV, Université d'État du Colorado. (CSU) chercheurs et partenaires du Center for Next Generation Photovoltaics, un centre de recherche coopératif industrie-université financé par la National Science Foundation, développé une feuille de route de performance (Figure 1). Les progrès depuis 2014 ont été marqués par trois avancées dans la structure cellulaire de base du CdTe PV. Les progrès ont été possibles grâce aux capacités avancées de traitement des dispositifs développées au CSU combinées à la caractérisation des matériaux de pointe par ses partenaires.
La première avancée a été le remplacement de la couche émettrice traditionnelle de CdS par de l'oxyde de zinc dopé au magnésium (MZO). MZO a une bande interdite plus élevée qui permet à plus de photons d'atteindre l'absorbeur CdTe. En outre, MZO a un décalage de bande de conduction qui aide à réduire la recombinaison interfaciale, préservant ainsi la tension.
Une deuxième amélioration en 2016 a été l'incorporation d'une couche de Te à l'arrière (en dessous) du CdTe, ce qui a donné un meilleur contact et une plus grande efficacité. Ces améliorations ont permis à l'efficacité du CSU PV d'atteindre 18,3 % (certifiés indépendamment) en 2016.
La plus grande percée, cependant, était l'introduction d'une couche d'alliage de CdTe et CdSe (CdSeTe) devant le CdTe. L'un des avantages de la couche CdSeTe est sa plus petite bande interdite, ce qui lui permet de produire plus de courant. Plus important, cependant, il a une durée de vie de recombinaison beaucoup plus longue que le CdTe, et il semble former un champ électrique dans le sens favorable à la transition vers le CdTe. Ensemble, ces caractéristiques ont rapproché la tension de la cellule d'environ 80 mV de la bande interdite, et l'efficacité dans les laboratoires CSU (sans revêtement antireflet [AR]) a atteint 19,2 % en 2017.
En plus de l'efficacité élevée des cellules, l'équipe CSU a construit des structures CdTe pour jeter les bases de la prochaine percée en matière de performances. Par exemple, les structures ont atteint des durées de vie des électrons photogénérés supérieures à 1, 000 nanosecondes, par rapport à moins de 10 nanosecondes dans la plupart des cellules CdTe. En outre, Les structures de CSU présentent des vitesses de recombinaison interfaciale inférieures à 80 cm/sec, par rapport aux valeurs typiques supérieures à 104 cm/sec. Parallèlement, partenaires à Washington State Univ. et le National Renewable Energy Laboratory ont atteint des niveaux de dopage pour les trous dans le CdTe supérieurs à 10 16 cm –3 , ce qui est beaucoup plus grand que le milieu de 10 typique 14 cm –3 gamme.
Ces réalisations ouvrent une voie claire vers des efficacités cellulaires encore plus élevées, et faire de 25 % un objectif réaliste à court terme (3 ans) et de 30 % un objectif atteignable à long terme. Les gains d'efficacité entraîneront une baisse du LCOE du CdTe PV. En outre, la recherche au CSU est effectuée sur des systèmes à l'échelle pilote, ce qui peut être facilement traduit en fabrication industrielle.
« Les chercheurs du CSU entretiennent un couplage étroit entre la recherche en laboratoire et ce qui a un impact commercial, " dit Markus Gloeckler, Scientifique en chef chez First Solar. First Solar est le plus grand fabricant de modules PV CdTe.
