Les cellules solaires CIGSe sont constituées d'une fine couche de chalcopyrite constituée de cuivre, indium, gallium et sélénium et peut atteindre des rendements élevés. Puisque l'indium devient rare et cher, il est intéressant de réduire la couche active CIGSe, ce qui diminue cependant assez fortement l'efficacité. Maintenant, les scientifiques de Helmholtz-Zentrum Berlin ont produit des couches de CIGSe ultrafines de haute qualité et ont augmenté leur efficacité grâce à un ensemble de minuscules nanoparticules entre le contact arrière et la couche active.

Les nanoparticules dont la taille est de l'ordre d'une longueur d'onde interagissent avec la lumière de manière spécifique. Un groupe de jeunes enquêteurs du Helmholtz-Zentrum Berlin, dirigé par le professeur Martina Schmid, cherche à savoir comment utiliser les arrangements de ces nanoparticules pour améliorer les cellules solaires et autres dispositifs optoélectroniques. Maintenant, les scientifiques rapportent dans ACS Nano un succès considérable avec les cellules solaires ultrafines CIGSe.

Les problèmes s'additionnent en dessous de 1 micromètre

Les cellules solaires CIGSe ont prouvé leur efficacité et sont des dispositifs à couche mince établis avec des couches actives de quelques micromètres d'épaisseur. Mais comme l'indium est un élément rare, la couche active doit être la plus fine possible. Cela réduit l'efficacité, car moins de lumière est absorbée. Et si la couche active est plus fine qu'un micromètre, un problème supplémentaire se pose :de plus en plus de porteurs de charges se rencontrent et se recombinent au niveau du contact arrière, se perdre".

Cellule CIGSe ultrafine avec des rendements de 11,1%

« Il m'a fallu plus d'un an pour pouvoir produire des couches ultrafines de seulement 0,46 micromètre ou 460 nanomètres qui atteignent encore des rendements raisonnables jusqu'à 11,1 %, ", explique Guanchao Yin à propos de son projet de doctorat. Il a ensuite commencé à se demander comment implémenter des nanoparticules entre différentes couches de la cellule solaire. Sa superviseure Martina Schmid en a discuté avec le professeur Albert Polman, l'un des pionniers dans le domaine de la nanophotonique, au Centre de nanooptique, Amsterdam, avec qui elle était en contact depuis un moment déjà. Ils ont proposé de produire des réseaux de nanoparticules diélectriques par des technologies de nanoimpression.

Pas de gros effet par les nanoparticules sur le dessus

Dans un premier temps, les collègues d'Amsterdam ont mis en œuvre un modèle de nanoparticules de TiO2 diélectriques sur les cellules solaires ultrafines de Yin; l'idée était qu'ils agiraient comme des pièges à lumière et augmenteraient l'absorption dans la couche CIGSe. Mais cela n'a pas augmenté l'efficacité autant que cela a été prouvé dans les cellules solaires à base de silicium. Yin a ensuite continué les tests et a finalement découvert ce qui fonctionnait le mieux :un réseau de nanoparticules non pas au-dessus mais au contact arrière de la cellule !

Nanoparticules au contact arrière :l'efficacité passe à 12,3%

Les collègues d'Amsterdam ont produit une matrice de nanoparticules de SiO2, directement sur le substrat de Molybdène qui correspond au contact arrière de la cellule solaire. Au-dessus de ce substrat structuré, la couche ultrafine de CIGSe a été développée par Yin, et par la suite toutes les autres couches et contacts nécessaires à la cellule solaire. Avec cette configuration, le rendement est passé de 11,1 % à 12,3 %, et la densité de courant de court-circuit des cellules CIGSe ultraminces a augmenté de plus de 2 mA/cm2. Avec des nanoparticules antireflet supplémentaires à l'avant, des efficacités élevées même à 13,1%.

Piégeage de la lumière et prévention de la perte des porteurs de charge

"Cela conduit à un piégeage efficace de la lumière et ne détériore pas la cellule, " explique Yin. D'autres études indiquent que le nanoréseau de nanoparticules diélectriques de SiO2 à l'arrière pourrait également augmenter l'efficacité en réduisant les chances de recombinaison des porteurs de charge. " Ce travail n'est qu'un début, nous avons maintenant de nouvelles idées pour d'autres conceptions pour améliorer l'absorption et réduire la recombinaison, augmentant ainsi l'efficacité en utilisant les avantages optiques et électriques des nanoparticules, ", dit Martina Schmid.