Des rangées de cellules photovoltaïques sont présentées au sommet d'un bâtiment sur le campus du Georgia Institute of Technology à Atlanta. Crédit :John Toon, Géorgie Tech
Une équipe de chercheurs en semi-conducteurs basée en France a utilisé une couche de séparation de nitrure de bore pour faire croître des cellules solaires en nitrure d'indium et de gallium (InGaN) qui ont ensuite été retirées de leur substrat de saphir d'origine et placées sur un substrat de verre.
En combinant les cellules InGaN avec des cellules photovoltaïques (PV) fabriquées à partir de matériaux tels que le silicium ou l'arséniure de gallium, la nouvelle technique de décollage pourrait faciliter la fabrication de dispositifs photovoltaïques hybrides à plus haute efficacité capables de capturer un spectre de lumière plus large. De telles structures hybrides pourraient théoriquement augmenter l'efficacité des cellules solaires jusqu'à 30 % pour un dispositif tandem InGaN/Si.
La technique est la troisième application majeure de la technique de soulèvement du nitrure de bore hexagonal, qui a été développé par une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), et l'Institut Lafayette de Metz, La France. Les applications antérieures ciblaient les capteurs et les diodes électroluminescentes (DEL).
« En associant ces structures à des cellules photovoltaïques en silicium ou en matériau III-V, nous pouvons couvrir le spectre visible avec le silicium et utiliser la lumière bleue et UV avec du nitrure d'indium et de gallium pour recueillir la lumière plus efficacement, " a déclaré Abdallah Ougazzaden, directeur de Georgia Tech Lorraine à Metz, France et professeur à la School of Electrical and Computer Engineering (ECE) de Georgia Tech. "La couche de nitrure de bore n'a pas d'impact sur la qualité du nitrure d'indium et de gallium qui y est cultivé, et nous avons pu décoller les cellules solaires InGaN sans les casser."
La recherche a été publiée le 15 août dans la revue ACS Photonique . Il a été soutenu par l'Agence Nationale de la Recherche dans le cadre du projet Laboratoire d'Excellence GANEX et du projet PIA français "Lorraine Université d'Excellence".
Le premier auteur Taha Ayari mesure les performances photovoltaïques des cellules solaires InGaN avec un simulateur solaire. Crédit :laboratoire d'Ougazzaden, Géorgie Tech
La technique pourrait conduire à la production de cellules solaires avec une efficacité améliorée et un coût inférieur pour une large gamme d'applications terrestres et spatiales. "Cette démonstration de cellules solaires à base d'InGaN transférées sur des substrats étrangers tout en augmentant les performances représente une avancée majeure vers la légèreté, à bas prix, et applications photovoltaïques à haut rendement, ", ont écrit les chercheurs dans leur article.
« En utilisant cette technique, nous pouvons traiter des cellules solaires InGaN et mettre une couche diélectrique sur le fond qui ne collectera que les courtes longueurs d'onde, " expliqua Ougazzaden. " Les longueurs d'onde les plus longues peuvent la traverser jusqu'à la cellule du bas. En utilisant cette approche, nous pouvons optimiser chaque surface séparément."
Les chercheurs ont commencé le processus en faisant croître des monocouches de nitrure de bore sur des plaquettes de saphir de deux pouces à l'aide d'un processus MOVPE à environ 1, 300 degrés Celsius. Le revêtement de surface en nitrure de bore n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, et produit des structures cristallines qui ont de fortes connexions de surface plane, mais des connexions verticales faibles.
L'InGaN se fixe au nitrure de bore avec de faibles forces de van der Waals, permettant aux cellules solaires de se développer sur la plaquette et de les retirer sans dommage. Jusque là, les cellules ont été retirées du saphir manuellement, mais Ougazzaden pense que le processus de transfert pourrait être automatisé pour réduire le coût des cellules hybrides. "Nous pouvons certainement le faire à grande échelle, " il a dit.
Les structures InGaN sont ensuite placées sur le substrat de verre avec un réflecteur arrière et des performances améliorées sont obtenues. Au-delà de la démonstration du placement au-dessus d'une structure photovoltaïque existante, les chercheurs espèrent augmenter la quantité d'indium dans leurs dispositifs de décollage pour augmenter l'absorption de la lumière et augmenter le nombre de puits quantiques de cinq à 40 ou 50.
« Nous avons maintenant démontré tous les éléments constitutifs, mais maintenant nous devons développer une vraie structure avec plus de puits quantiques, " a déclaré Ouagazzaden. " Nous ne sommes qu'au début de cette nouvelle application technologique, mais c'est très excitant."
