Pour baisser le prix des cellules solaires III-V, il faut simplement ajouter du germanium

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Des scientifiques du Laboratoire national d’énergie renouvelable des États-Unis (NREL) et de l’Institut supérieur des sciences et technologies de Corée (KAIST) ont mis au point une méthode de production de cellules solaires en arséniure de gallium (GaAs) avec un substrat réutilisable en germanium. Les chercheurs disent que cette technique représente une nouvelle étape dans la réduction du coût des cellules GaAs.

Les cellules fabriquées avec ces matériaux sont réputées pour leur haute performance et leur efficacité : le NREL a travaillé auparavant avec Microlink Devices, basée à Chicago, pour produire une cellule à trois jonctions avec un rendement record de 37,75%.

Cependant, le coût de production de ces dispositifs limite actuellement leur utilisation à des secteurs spécialisés tels que l’aviation sans pilote et les satellites, dans lesquels un faible poids et un rendement élevé priment sur un coût réduit. Toutefois, plusieurs sociétés et instituts de recherche travaillent sur des approches pour réduire les coûts de production des cellules solaires en GaAs et III-V en vue d’une production commerciale.

L’approche « germanium sur vide », décrite dans l’article « Germanium-on-Nothing for Epitaxial Liftoff of GaAs Solar Cells » parue dans la revue scientifique Joule, implique l’application d’une couche mince de germanium sur une plaque de germanium et la croissance d’une cellule de GaAs sur cette couche mince. Ensuite, les deux dépôts sont détachés de la plaque de germanium, ce qui permet sa réutilisation en tant que substrat. Le processus creuse une série de pores dans la plaque de germanium, dont la taille et la répartition dégage un « vide » entre la couche mince de germanium et la plaque.

Le substrat réutilisable réduit les coûts

À l’aide de ce processus, l’équipe a produit une cellule solaire en GaAs d’une efficacité de 14,44%. David Young, scientifique senior du groupe d’étude sur le photovoltaïque cristallin à haute efficacité de NREL, a déclaré que l’optimisation des processus pourrait mener à des rendements de conversion d’énergie solaire au-delà de 20%. « C’est la première fois que le germanium sur vide est appliqué sur une surface suffisamment lisse pour permettre une croissance de GaAs en épitaxie de haute qualité » a-t-il déclaré.

La NREL estime que les substrats de semiconducteurs 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 indiqué combien de fois la plaque de germanium pouvait être réutilisée, ni estimé les économies qu’elle pourrait entraîner, indiquant seulement que « cette technique pourrait permettre une production rentable et un volume élevé de cellules jonction simple et multiple III-V. »

D’autres chercheurs envisagent cette approche pour rendre la production de cellules solaires à base de matériaux III-V plus économique. Le processus mis au point par Microlink, ayant abouti l’année dernière à une cellule d’une efficacité de 37,75%, reposait également sur un substrat d’arséniure de gallium qui pouvait être réutilisé pour réduire les coûts.