Les cellules solaires en silicium cristallin atteignent des rendements de pointe, en particulier en combinaison avec des contacts sélectifs en silicium amorphe (a-Si:H). Cependant, leur efficacité est limitée par les pertes dans ces couches de contact. Maintenant, pour la première fois, une équipe à Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) et à l'Université de l'Utah, ETATS-UNIS, a montré expérimentalement comment de telles couches de contact génèrent des courants de perte à l'échelle nanométrique et quelle est leur origine physique.

Les cellules solaires au silicium sont maintenant si bon marché et efficaces qu'elles peuvent produire de l'électricité à des prix inférieurs à 2 cents/kWh. Les cellules solaires au silicium les plus efficaces aujourd'hui sont fabriquées avec des couches de contact de silicium amorphe sélectif (a-Si:H) minces de moins de 10 nanomètres, qui sont responsables de la séparation des charges générées par la lumière. Des rendements de plus de 24 % sont atteints à HZB avec de telles cellules solaires à hétérojonction au silicium et font également partie d'une cellule solaire en tandem qui a conduit à un record d'efficacité récemment signalé de 29,15 % (A. Al-Ashouri, et al. Science 370, (2020)). Le record mondial actuel du Japon pour une cellule solaire en silicium à simple jonction repose également sur cet hétérocontact (26,6 % :K. Yoshikawa, et al. Énergie naturelle 2, (2017)).

Il existe encore un potentiel d'efficacité considérable lié à de tels systèmes à hétérocontact, cependant, on ne comprend pas encore en détail comment ces couches permettent la séparation des porteurs de charge et quels sont leurs mécanismes de perte nanoscopique. Les couches de contact a-Si:H sont caractérisées par leur désordre intrinsèque, qui d'une part permet un excellent revêtement de la surface du silicium et minimise ainsi le nombre de défauts interfaciaux, mais d'autre part a aussi un petit inconvénient :il peut conduire à des courants de recombinaison locaux et à la formation de barrières de transport.

Pour la première fois, une équipe du HZB et de l'Université de l'Utah a mesuré expérimentalement au niveau atomique comment de tels courants de fuite se forment entre c-Si et a-Si:H, et comment ils influencent les performances des cellules solaires. Dans un effort commun, une équipe dirigée par le professeur Christoph Boehme de l'Université de l'Utah, et par le Prof. Dr. Klaus Lips au HZB, ils ont pu résoudre le mécanisme de perte à l'interface de l'hétérocontact de silicium mentionné ci-dessus à l'échelle nanométrique en utilisant la microscopie à force atomique conductrice sous ultravide (cAFM).

Les physiciens ont pu déterminer avec une résolution quasi atomique où le courant de fuite pénètre dans le contact sélectif a-Si:H et crée un processus de perte dans la cellule solaire. Dans le cAFM, ces courants de perte apparaissent comme des canaux de courant de taille nanométrique et sont l'empreinte des défauts associés au désordre du réseau de silicium amorphe. "Ces défauts agissent comme des tremplins pour que les charges pénètrent le contact sélectif et induisent une recombinaison, nous nous référons à cela " en tant que tunnel mécanique quantique assisté par piège ", explique Lips. "C'est la première fois que de tels états sont rendus visibles dans a-Si:H et que nous avons pu démêler le mécanisme de perte dans les conditions de travail d'une cellule solaire de la plus haute qualité, " rapporte avec enthousiasme le physicien.

L'équipe Utah/Berlin a également pu montrer que le courant d'obscurité canalisé fluctue de manière stochastique dans le temps. Les résultats indiquent qu'un blocus actuel à court terme est présent, qui est causée par une charge locale piégée dans les défauts voisins qui modifie le positionnement énergétique des états tunnel (stepping stone). Cette charge piégée peut également faire monter la tension photovoltaïque locale au niveau d'un canal de courant au-dessus de 1V, ce qui est bien au dessus de ce que l'on pourrait utiliser avec un contact macroscopique. « Lors de cette transition du monde nano au monde macro, nous trouvons la physique passionnante des hétérojonctions et la clé sur la façon d'améliorer encore plus l'efficacité des cellules solaires au silicium d'une manière encore plus ciblée, " dit le Dr Bernd Stannowski, qui est responsable du développement de cellules solaires industrielles à hétérojonction en silicium chez HZB.