Les améliorations de conception augmentent l’efficacité des cellules solaires III-V

Des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département américain de l’énergie ont réussi à obtenir une efficacité supplémentaire de leurs cellules solaires grâce à une conception minutieuse des matériaux de la pile de cellules.

En s’appuyant à la fois sur des études informatiques et expérimentales, les scientifiques ont développé une cellule solaire à hétérojonction à base d’arséniure de gallium (GaAs) par épitaxie dynamique en phase vapeur d’hydrure (D-HVPE) avec une efficacité certifiée de 27 %, soit l’efficacité la plus élevée jamais rapportée pour une cellule GaAs à jonction unique. cellule cultivée selon cette technique.

Cette recherche constitue le dernier effort des chercheurs du NREL visant à rendre les cellules solaires III-V plus abordables pour les applications terrestres. Les cellules III-V tirent leur nom de la position des matériaux utilisés pour leur fabrication dans le tableau périodique des éléments et sont largement utilisées pour alimenter les technologies spatiales. Le D-HVPE offre le potentiel d’être une méthode de synthèse de ces cellules moins coûteuse par rapport aux techniques existantes.

L’étude fournit une feuille de route pour améliorer les performances des cellules solaires via l’optimisation du dopage et de la bande interdite d’une couche de dispositif appelée « émetteur » afin de minimiser l’impact des défauts sur l’efficacité du dispositif. Les résultats sont théoriquement applicables aux matériaux au-delà des III-V qui utilisent des hétérojonctions telles que le silicium, le tellurure de cadmium ou les pérovskites.

“Peu importe vos efforts, quelle que soit la méthode que vous choisissez pour les fabriquer, les cellules solaires contiendront toujours des défauts grâce à l’entropie. En utilisant une structure à hétérojonction, avec des propriétés d’émetteur soigneusement conçues, vous pouvez minimiser l’impact négatif de ces défauts sur efficacité, même si vous n’avez rien fait pour réduire leur concentration”, a déclaré Kevin Schulte, scientifique du groupe photovoltaïque cristallin à haut rendement du NREL et auteur principal du nouvel article publié dans la revue Rapports cellulaires Sciences physiques.

“En outre, l’amélioration de l’efficacité relative évolue avec la concentration de défauts. Alors que la cellule D-HVPE de base présentait déjà une efficacité élevée, un dispositif présentant une concentration de défauts plus élevée recevrait une augmentation d’efficacité relative plus élevée en utilisant les méthodes décrites dans l’article.”

L’article, “Modélisation et conception de cellules solaires à hétérojonction III-V pour des performances améliorées”, a été co-écrit par John Simon, Myles Steiner et Aaron Ptak, tous membres du NREL.

Outre la couche de base GaAs, la cellule solaire reposait sur une couche émettrice de phosphure d’arséniure de gallium et d’indium (GaInAsP). Ensemble, les deux couches différentes constituent l’hétérojonction. Les chercheurs ont modélisé l’effet de la variation de la densité de dopage du zinc et de la bande interdite de la couche émettrice, obtenue en faisant varier les concentrations relatives de gallium, d’indium, d’arsenic et de phosphore au cours de la croissance de la couche, sur l’efficacité cellulaire. La modélisation a identifié des choix optimaux pour ces deux paramètres qui maximisent l’efficacité du dispositif.

Les chercheurs ont ensuite synthétisé des cellules en utilisant la modélisation et ont obtenu des améliorations d’efficacité prévues par le modèle. La cellule solaire à hétérojonction arrière qui servait de référence utilisait un émetteur composé de GaInP et avait un rendement rapporté de 26 %. En réduisant le dopage dans l’émetteur et en modifiant sa composition de GaInP à GaInAsP à bande interdite inférieure, l’efficacité est passée à 27 % même si le reste du dispositif était exactement le même.

Les avantages des hétérojonctions sont généralement connus, bien que les démonstrations expérimentales des hétérojonctions III-V se limitent à une poignée de combinaisons, ont noté les chercheurs.

“Nous avons pris ce concept qui était connu mais non quantifié de cette façon et l’avons cartographié”, a déclaré Schulte. “Nous avons montré que la modélisation correspond à ce que nous voyons expérimentalement, démontrant qu’il s’agit d’un outil puissant pour la conception de cellules solaires.”