La mise en sandwich d'une couche de silicium riche en oxygène entre une cellule solaire et son contact métallique a permis à des chercheurs européens de battre des records de performance pour l'efficacité avec laquelle les cellules solaires en silicium convertissent la lumière du soleil en électricité. Mais le défi est maintenant de savoir comment rendre ces contacts dits de passivation adaptés à la production de masse.

« Il y a actuellement beaucoup d'enthousiasme à propos de la passivation des contacts au sein de la communauté des cellules solaires, " a déclaré le Dr Byungsul Min de l'Institut de recherche sur l'énergie solaire à Hamelin (ISFH), Allemagne. Cette année, la technologie a permis à son laboratoire d'établir un nouveau record d'efficacité de 26,1 % pour le type de cellules solaires qui domine le marché photovoltaïque. Les panneaux solaires commerciaux fonctionnent actuellement avec un rendement d'environ 20 %.

Les contacts de passivation sont constitués de deux fines couches de silicium oxydé et cristallisé prises en sandwich entre une cellule solaire et son contact métallique. S'adressant à une salle comble en septembre lors de la conférence européenne sur l'énergie solaire photovoltaïque à Bruxelles, La Belgique, Le Dr Min a déclaré que les couches fonctionnent en guérissant les liaisons atomiques brisées à la surface du silicium et en réduisant le risque de piégeage des charges électriques lorsqu'elles s'échappent de la cellule solaire.

La conception a été développée en 2013 par l'ISFH et l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE à Fribourg, Allemagne. Dans les années récentes, il a poussé l'efficacité de conversion d'énergie du photovoltaïque au silicium au-dessus de 25 % - un plafond qui a limité l'efficacité que les chercheurs pouvaient atteindre en laboratoire pendant plus d'une décennie.

Fabrication de masse

Toujours, Le Dr Min dit que peu de fabricants ont jusqu'à présent adopté des contacts passivants dans l'industrie. Dans le cadre d'un projet appelé DISC, il coordonne maintenant le travail avec des instituts de recherche et des fabricants d'équipements à travers l'Europe pour rationaliser leur conception pour la fabrication de masse.

La fabrication de cellules solaires record avec des contacts de passivation a jusqu'à présent nécessité des matériaux coûteux et des techniques de laboratoire complexes qui, selon le Dr Min, ne peuvent pas être adoptées dans les chaînes de montage en usine. Cependant, en se débarrassant de ces approches sophistiquées et en les remplaçant par des outils déjà courants dans l'industrie des cellules solaires, le consortium DISC espère réduire les coûts de fabrication de la technologie.

L'ISFH a notamment remplacé une couche coûteuse et hautement conductrice contenant de l'indium qui est déposée à la surface de la cellule pour mieux collecter les charges électriques hors du contact de passivation. En ajustant finement les conditions de pression et de température pendant la production, Dr. Min peut maintenant former une couche contenant du zinc qui présente des propriétés physiques comparables tout en utilisant des matériaux abondants.

Le fournisseur d'équipement néerlandais Meco remplace les étapes de lithographie complexes par des techniques de placage capables de métalliser les contacts électriques des cellules solaires à contact passivant avec des débits suffisamment élevés pour les chaînes d'assemblage en usine.

Au cours de la dernière année, Des échantillons de DISC ont fait la navette à travers la France, Allemagne, La Suisse et les Pays-Bas en tant que partenaires jouent leur rôle dans une chaîne d'approvisionnement internationale. Chaque laboratoire ajoute une couche de silicium ou d'autres matériaux dans lesquels il est spécialisé, progressivement la pile de semi-conducteurs dans une cellule solaire fonctionnelle.

"Ce mois d'août, nous avons terminé nos premières cellules solaires de taille industrielle, " a déclaré le Dr Min. " Ils ont déjà atteint des rendements de conversion d'énergie supérieurs à 21%. " Cela fait partie de la gamme des cellules solaires sur le marché aujourd'hui.

Au cours de l'année à venir, Le Dr Min s'attend à ce que le réglage fin des couches de ces appareils compatibles avec l'usine les aide à améliorer leurs performances par rapport à celles de la concurrence. Dans un secteur où une différence d'un demi-pourcent seulement peut faire ou défaire les entreprises, une technologie au potentiel prouvé de plus de 25 % d'efficacité en laboratoire offre des perspectives alléchantes aux industriels.

"Nous devons aller vers des rendements plus élevés des cellules solaires, " a convenu le Dr Martin Hermle, l'un des pionniers de la passivation des contacts chez Fraunhofer ISE. Son groupe de recherche développe actuellement des méthodes de dépôt industriel pour les cellules solaires produites dans DISC, et développer des moyens d'améliorer encore leur efficacité de conversion d'énergie dans un autre projet appelé Nano-Tandem.

« Le coût des panneaux solaires est en grande partie dicté par leur surface. Si vous pouvez fabriquer des cellules avec un rendement de 30 % au lieu de 20 ou 15 %, cela aide vraiment à réduire le coût global de l'énergie solaire."

33% d'efficacité

Plus tôt cette année, Fraunhofer ISE a produit une cellule solaire qui a atteint un rendement stupéfiant de 33 %. Les chercheurs ont empilé une cellule solaire en silicium qui incorporait des contacts de passivation avec deux cellules solaires supplémentaires faites de matériaux plus exotiques, basé sur des éléments des troisième et cinquième groupes du tableau périodique.

"Ces cellules supérieures absorbent bien les nuances bleues de la lumière, mais ils sont faits d'éléments relativement rares, comme le gallium ou l'indium, qui sont également plus lents à assembler que les cellules solaires au silicium classiques, " a déclaré le Dr Hermle. " Si vous voulez rivaliser sur le marché de masse, vous devez réduire le coût du dépôt de matière d'environ deux ordres de grandeur."

Une solution que Nano-Tandem explore est d'en utiliser moins. Fraunhofer ISE a expédié des cellules solaires au silicium avec des contacts de passivation à IBM Research Zürich, où les partenaires du projet placent des cellules solaires au-dessus d'elles et non comme des couches solides, mais comme des tapis de fils d'à peine 1000 atomes de large. La start-up Sol Voltaics et l'Université de Lund en Suède développent un moyen potentiellement moins cher de fabriquer les nanofils, les assembler à partir de molécules de gaz lorsqu'ils volent à travers un four tubulaire.

Le coordinateur de Nano-Tandem, le professeur Lars Samuelson de l'Université de Lund, affirme que les matières premières utilisées sont chères, mais que les effets photoniques en eux pourraient changer leur économie. Il dit que, assemblés à bon escient, les fabricants pourraient en principe utiliser 90 % de matériau en moins sans trop d'impact sur l'efficacité ou l'absorption lumineuse de leurs cellules solaires.

C'est le genre d'avantage innovant que le Dr Hermle décrit comme crucial pour maintenir les instituts de recherche européens à la tête de la technologie des cellules solaires. Alors que le marché des cellules solaires monte en flèche pour atteindre des chiffres annuels à 11 chiffres, La concurrence asiatique pousse de plus en plus les fabricants européens à fermer leurs portes.

Le Dr Hermle dit que les contacts passifs offrent un exemple de la façon dont l'industrie européenne peut rester pertinente face à la concurrence mondiale. "C'est une technologie qui est vraiment venue d'Europe sur le marché des cellules solaires, " il a dit.