Première mondiale de fabrication de cellules photovoltaïques micrométriques III-V à contact arrière

D’après pv magazine International

Des chercheurs de l’Université de Sherbrooke au Canada ont fabriqué des cellules solaires III-V à triple jonction à contact arrière miniaturisées qui ont un faible facteur d’ombrage et une utilisation élevée de la surface de la plaquette. L’équipe comprend des universitaires de l’Université d’Ottawa au Canada et de l’Université Grenoble Alpes CNRS en France. Ils ont présenté le dispositif dans l’article “3D interconnects for III-V semiconductor heterostructures for miniaturized power devices“, publié dans Cell Reports Physical Science.

« Nous avons mis au point des cellules à triple jonction dont la taille équivaut à deux fois l’épaisseur d’une mèche de cheveux, a déclaré un des auteurs de la recherche, Matthieu De Lafontaine, à pv magazine. Ces cellules présentent des avantages significatifs par rapport aux technologies solaires conventionnelles : elles réduisent de 95 % l’ombrage induit par les électrodes et peuvent potentiellement diviser par trois les coûts de production d’énergie ». Par ailleurs, le développement de ces premières cellules photovoltaïques micrométriques à contact arrière est une étape cruciale dans la miniaturisation des dispositifs électroniques.

Selon le scientifique, ces propriétés se prêtent ainsi à diverses applications, de la densification des dispositifs électroniques à des domaines tels que les cellules solaires, les dispositifs électroniques portables et les batteries nucléaires légères pour l’exploration spatiale, en passant par la miniaturisation des dispositifs pour les télécommunications et l’internet des objets.

Les chercheurs ont construit les cellules à trois jonctions avec des interconnexions tridimensionnelles (3D) basées sur des trous d’interconnexion à travers le substrat (TSV), qui sont couramment utilisés pour créer des circuits intégrés 3D dans les systèmes microélectromécaniques. Il s’agit de connexions électriques verticales qui traversent entièrement une plaquette de silicium. « Pour les systèmes photovoltaïques, les interconnexions 3D peuvent augmenter l’efficacité de la conversion et réduire l’ombrage, expliquent-ils. L’utilisation de TSV pour transférer le contact de la face avant à la face arrière à travers le dispositif pourrait atténuer l’ombrage, la contribution du courant d’obscurité et les pertes résistives ».

Le groupe a appliqué ce nouveau concept aux cellules solaires III-V à triple jonction, qui sont bien connues pour leurs performances et leur rendement élevés, mais aussi pour leur ombrage et leurs pertes résistives. « Toutefois, le processus de base ne dépend pas d’une hétérostructure spécifique, ce qui signifie qu’il pourrait être appliqué à des cellules solaires à quatre jonctions ou plus », ont-ils déclaré.

En outre, le coût de production des cellules fabriquées à partir de matériaux III-V les a confinées à des applications de niche, telles que les drones et les satellites, où le faible poids et l’efficacité élevée sont des préoccupations plus pressantes que le coût.

La cellule est basée sur une cellule supérieure en indium, gallium et phosphore (InGaP), un dispositif intermédiaire en indium, gallium et arséniure (InGaAs) et une cellule inférieure en germanium (Ge). Les scientifiques ont utilisé le collage de tranches pour manipuler des films III-V de 20μm d’épaisseur. Ils ont pu réduire considérablement la surface métallisée sur la face avant de l’ensemble de la cellule solaire grâce aux interconnexions 3D.

Testée dans des conditions d’éclairage standard, la cellule a atteint un rendement de conversion d’énergie de 18,3 %, une tension en circuit ouvert de 2,276 V, une densité de courant de court-circuit de 8,61 mA/cm2 et un facteur de remplissage de 82,1 %.

La nouvelle conception de cellule a également permis d’obtenir un facteur d’ombrage inférieur à 3 % et de multiplier par 6 l’utilisation de la surface de la plaquette, par rapport aux cellules basées sur des interconnexions 2D. « Les résultats de la simulation ont montré que les TSV pouvaient réduire la résistance en série de 70 % par rapport aux contacts standard sur les cellules solaires à triple jonction », a conclu le groupe.