Cellule solaire en matériaux III-V sur silicium : le rendement atteint 30,2% !

En partenariat avec le spécialiste autrichien des équipements pour le semiconducteur et le solaire EV Group (EVG), des chercheurs de l’Institut Fraunhofer ISE* ont mis au point une cellule solaire à jonctions multiples en matériaux III-V sur substrat silicium de 4 cm2 qui affiche un rendement de conversion de 30,2% !

Le rendement maximal obtenu à ce jour avec une cellule solaire réalisée purement en silicium est de 26,3%, et la limite théorique se situe à 29,4%, selon le Fraunhofer ISE. Le rendement obtenu avec la cellule solaire à jonctions multiples dépasse donc cette limite théorique. Pour leurs travaux, les chercheurs ont eu recours à un procédé de fabrication couramment utilisé dans l’industrie du semiconducteur. Appelé « direct wafer bonding », ce procédé permet de transférer du matériau III-V sur un substrat silicium afin de réaliser une cellule solaire tandem. Les surfaces en contact sont collées (bonding) sous vide, les atomes de la sous-cellule en matériaux III-V se connectant avec les atomes de la sous-cellule en silicium pour former une cellule monolithique.

La cellule solaire se compose en fait de trois sous-cellules empilées et reliées par des diodes tunnel. Ces trois sous-cellules sont réalisées en GaInP (phosphure d’indium et gallium), GaAs (arséniure de gallium) et en silicium (Si) afin de couvrir l’ensemble du spectre de la lumière solaire. La sous-cellule solaire en GaInP absorbe le rayonnement de 300 à 670 nm, celle en GaAs de 500 à 890 nm et celle en silicium de 650 à 1180 nm. Les couches III-V sont déposées par croissance épitaxiale sur un substrat GaAs et le tout est collé sur la structure en silicium. Le substrat GaAs est ensuite retiré, avant la création des plages de contact avant et arrière puis l’application d’une couche anti-reflet. Les chercheurs travaillent à ce projet depuis 2012 en se basant sur notre technique propriétaire ComBond sans recourir à l’utilisation d’adhésifs, a souligné Markus Wimplinger, directeur technologie et IP d’EVG.

Comme les cellules solaires classiques, la cellule solaire à jonctions multiples n’a qu’un contact sur la face avant et un contact sur la face arrière et peut donc être assemblée dans un module photovoltaïque selon les procédés habituels. « Ce record ouvre la porte à des rendements de conversion encore plus élevés pour des cellules solaires dans la filière silicium », s’est réjoui le directeur du Fraunhofer ISE Eicke Weber qui, ayant atteint l’âge de la retraite, quittera son poste à la fin de l’année. Directeur de l’Institut Fraunhofer ISE de 2006 à 2016, M. Weber a transformé l’entité pour qu’elle réponde aux besoins de l’industrie et permis à la R&D allemande dans le solaire d’être reconnue à un niveau international jamais atteint auparavant. Sur cette période, le nombre de chercheurs employés au Fraunhofer ISE a été doublé pour atteindre un effectif de 1100 personnes. Le budget opérationnel essentiellement représenté par des contrats acquis avec l’industrie est passé, lui, de 25 millions d’euros à 73 millions d’euros (chiffre 2015).

*Les travaux de R&D ont été subventionnés dans le cadre du programme européen Horizon 2020 via le projet HISTORIC (High Efficiency GaInP/GaAs Tandem Wafer Bonded Solar Cell on Silicon) avec une bourse postdoctorale Marie Curie. Les travaux chez EVG ont été subventionnées par le ministère autrichien de la technologie. Pour en savoir plus, cliquer ici