Des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) du département américain de l'Énergie et de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont atteint un nouveau record mondial d'efficacité pour les cellules solaires à deux jonctions, créant une cellule avec deux couches absorbant la lumière qui convertit 32,9% de la lumière du soleil en électricité.

La clé de la conception de la cellule est une série de plus de 150 couches ultrafines de semi-conducteurs alternés qui créent des puits quantiques dans l'absorbeur inférieur de la cellule, lui permettant de capter l'énergie d'une gamme clé du spectre solaire. Alors que le nouveau record ne s'améliore que modestement par rapport au précédent record d'efficacité de 32,8%, il s'agit de la première cellule solaire multijonction à efficacité record à utiliser une structure à contrainte équilibrée, une conception qui promet de nouvelles améliorations.

La nouvelle cellule est décrite dans un article dans Advanced Energy Materials intitulé « High Efficiency Inverted GaAs and GaInP/GaAs Solar Cells With Strain-Balanced GaInAs/GaAsP Quantum Wells ». Les cellules ont une couche de phosphure de gallium et d'indium (GaInP) pour leur jonction supérieure et une jonction inférieure d'arséniure de gallium (GaAs) striée de 80 couches empilées de puits quantiques. Un puits quantique est créé lorsqu'une fine couche de matériau semi-conducteur est prise en sandwich entre deux couches de matériau avec une bande interdite plus large, confiner les porteurs de charge à la couche centrale.

Les puits quantiques offrent des possibilités

L'inclusion de tant de puits quantiques dans la jonction inférieure abaisse la bande interdite effective de cette jonction, augmentant la longueur d'onde de la lumière qu'il peut absorber. La capture de longueurs d'onde plus longues permet à la cellule tandem d'extraire plus d'énergie du spectre solaire, rendre la cellule plus efficace pour convertir la lumière en électricité.

Traditionnellement, les puits quantiques ont été principalement utilisés dans les lasers, LED, et l'électronique pour les télécommunications. Dans le cadre du processus de développement, l'équipe NREL a réalisé une cellule à simple jonction qui a démontré une efficacité radiative externe très élevée (> 40 %) :l'efficacité avec laquelle la cellule convertit l'électricité en lumière lorsqu'elle fonctionne à l'envers. Alors que l'équipe n'essayait pas de construire un appareil LED, leurs puits quantiques de haute qualité ont démontré un certain potentiel dans ce domaine, trop.

L'équilibrage des souches déverrouille un nouveau record

Des travaux antérieurs ont tenté d'utiliser des puits quantiques pour ajuster la bande interdite des jonctions de cellules solaires, mais il n'a produit aucune cellule d'efficacité record, en partie parce qu'il est difficile d'en cultiver beaucoup, de nombreuses couches de matériau de puits quantique de haute qualité. Si les couches deviennent trop épaisses ou si la contrainte mécanique dans le réseau cristallin n'est pas correctement équilibrée, la cellule développe des défauts.

Pour leur cellule record du monde, l'équipe a alterné des couches d'arséniure de gallium-indium—en compression—et de phosphure d'arséniure de gallium—sous tension. En contrôlant soigneusement l'épaisseur de ces couches, la déformation des forces de compression et de traction s'équilibre entre les couches. Un réseau de lasers a été utilisé pour mesurer la courbure de la plaquette tout au long du processus de croissance, permettant aux chercheurs de détecter et d'ajuster la contrainte dans le réseau cristallin.

"Ce travail conduira à des cellules solaires à plus haut rendement pour les applications à un seul soleil, qui pourrait être un moteur important de l'adoption généralisée de ces cellules, " a déclaré Myles Steiner, un scientifique senior de l'équipe NREL. "Maintenant, l'un des principaux défis à venir est d'apprendre à fabriquer ces cellules à un prix compétitif. »

Une collaboration à l'échelle mondiale donne des résultats

Le développement de cette conception de cellule est né d'une étroite collaboration entre une partie du groupe de recherche sur le photovoltaïque cristallin à haute efficacité du NREL et une équipe de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW). En réalité, Steiner a passé 3 mois début 2020 en Nouvelle-Galles du Sud avec ses collaborateurs australiens, travailler sur le projet dans le cadre d'une subvention du programme Fulbright Scholars.

"Notre partenariat a réuni l'expertise de longue date de NREL en croissance épitaxiale et les travaux de l'UNSW en modélisation de cellules solaires, qui nous a aidé à collaborer efficacement à distance, " dit Nicholas Ekins-Daukes, qui a dirigé l'équipe de l'UNSW. « J'ai été impressionné par la rapidité avec laquelle nous avons pu développer le premier composite, matériau semi-conducteur à contrainte équilibrée pour surpasser une cellule solaire conventionnelle."