Il est impossible de faire baisser le prix des cellules solaires III-V – sauf en ajoutant du germanium

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Des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) des États-Unis et de l’Institut supérieur des sciences et de la technologie de Corée ont dévoilé une méthode de production de cellules solaires à l’arséniure de gallium (GaAs) avec un substrat en germanium réutilisable. Les chercheurs expliquent que cette technique ouvre la voie à une production de cellules GaAs à faible coût.

Les cellules fabriquées à partir de tels matériaux sont réputées pour leurs performances et leur efficacité. Le NREL avait déjà travaillé avec la société Microlink Devices basée à Chicago pour produire une cellule à trois jonctions ayant un rendement de conversion record de 37,75 %.

Cependant, le coût de production de tels dispositifs les a confinés à des applications de niche telles que les drones et les satellites, où un faible poids et une haute efficacité sont des préoccupations plus importantes que le coût par rapport à l’énergie produite. Toutefois, plusieurs sociétés et instituts de recherche travaillent sur des méthodes permettant de ramener les coûts de production des cellules solaires GaAs et III-V (qui incluent des matériaux appartenant à ces groupes dans le tableau périodique) à des niveaux acceptables pour la production commerciale.

L’approche « germanium on nothing » adoptée par l’équipe est décrite dans l’article intitulé Germanium-on-Nothing for Epitaxial Liftoff of GaAs Solar Cells (Germanium-on-Nothing pour épitaxial liftoff de cellules solaires GaAs), publié dans la revue Joule. Elle implique la création d’une fine couche de germanium sur un wafer de germanium et la croissance d’une cellule GaAs sur la couche mince. Les deux niveaux sont ensuite décollés du wafer de germanium, ce qui lui permet d’être réutilisé comme substrat. Le processus crée une série de pores dans le wafer de germanium, dont la taille et la distribution permettent un écart – le « rien » – entre le germanium fin et le wafer.

Un substrat réutilisable réduit les coûts

À l’aide de ce processus, l’équipe a produit une cellule solaire en GaAs à 14,44 % d’efficacité. David Young, scientifique senior du groupe photovoltaïque cristallin à haute efficacité au NREL, a déclaré qu’en optimisant le processus, on pourrait générer des rendements bien supérieurs à 20 %. « C’est la première fois que GON [germanium on nothing] est démontré avec une surface suffisamment lisse pour permettre une croissance épitaxiale de haute qualité de GaAs », a-t-il déclaré.

Le NREL estime que les substrats semi-conducteurs pour la croissance cellulaire représentent environ 30 % du coût d’une cellule solaire III-V. Un substrat réutilisable pourrait donc générer des économies importantes. Cependant, le laboratoire n’a pas précisé combien de fois le wafer de germanium pouvait être réutilisé et n’a pas fourni d’estimation des coûts que représenteraient le processus, il a simplement expliqué que « cette technique pourrait permettre une production rentable et en grande quantité de cellules solaires simples et multijonctions III-V ».

Le procédé mis au point par Microlink et qui a permis d’obtenir la cellule efficace à 37,75 % l’année dernière reposait sur un substrat d’arséniure de gallium qui pouvait également être réutilisé pour réduire les coûts. Toutefois, rien ne permettait de penser que cette technologie permettrait de rentabiliser la production de manière significative.