Une nouvelle conception de cellule solaire CIGS avec du trisulfure d’antimoine promet un rendement de 31,15%

D’après pv magazine international.

Un groupe international de scientifiques a proposé une nouvelle structure de cellule solaire au séléniure de cuivre, d’indium et de gallium (CIGS) utilisant le trisulfure d’antimoine (Sb2S3) comme couche de champ de surface arrière (BSF).

Le Sb2S3 est un candidat prometteur pour la filière photovoltaïque en raison de ses éléments constitutifs abondants sur terre et respectueux de l’environnement, ainsi que pour ses propriétés optoélectroniques appropriées, à savoir une largeur de bande interdite d’environ 1,7 eV, un coefficient d’absorption élevé et une stabilité à long terme.

Les couches BSF consistent en une région plus fortement dopée à l’arrière de la cellule solaire et sont couramment utilisées pour augmenter la tension d’un dispositif. « Le Sb et le S sont disponibles en abondance sur Terre. Par conséquent, l’incorporation d’une couche épaisse de Sb2S3 dans les cellules solaires industrielles CIGS peut réduire efficacement leurs coûts de production », ont déclaré les chercheurs. « En réduisant l’épaisseur et le coût de la couche absorbante CIGS, cette approche promet de rendre l’énergie solaire plus accessible et plus durable. »

Ils ont simulé et optimisé la cellule solaire de manière numérique à l’aide du logiciel de capacité de cellule solaire SCAPS-1D, développé par l’université de Gand, afin de simuler la nouvelle conception de la cellule.

Les universitaires ont fabriqué la cellule avec une couche de contact arrière en nickel (Ni), la couche BSF à base de Sb2S3, un absorbeur CIGS, une couche de transport d’électrons (ETL) en disulfure d’étain (SnS2), une membrane à base d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) et une électrode frontale en aluminium (Al).

Dans la simulation, les chercheurs ont optimisé les épaisseurs des couches tampon, absorbante et BSF. Ils ont également étudié la densité des accepteurs, la densité des défauts, la capacité-tension (C-V), la densité des défauts d’interface, les taux de génération et de recombinaison, la température de fonctionnement, la densité de courant et l’efficacité quantique.

« Après une optimisation détaillée, les épaisseurs optimales pour la fenêtre FTO, l’absorbeur CIGS, le tampon SnS2 et les couches BSF Sb2S3 s’avèrent être respectivement de 0,05 μm, 1,0 μm, 0,05 μm et 0,20 μm », a déclaré le groupe. « La grande épaisseur du tampon crée la résistance en série et les pertes d’absorption dans la structure de la cellule solaire. Étant donné que le tampon permet à la lumière de pénétrer dans le dispositif de cellule solaire, il faut donc une excellente transparence et la bonne épaisseur, soit 0,05 mm pour le tampon SnS2 dans la structure que nous proposons. »

Avec ces paramètres, la cellule à double hétérojonction (DH) simulée présentait un rendement de conversion d’énergie de 31,15 %, une tension en circuit ouvert de 1,08 V, une densité de courant en court-circuit de 33,75 mA cm2 et un facteur de remplissage de 88,50 %. Une cellule CIGS de référence optimisée et simulée sans les couches BSF Sb2S3 a atteint un rendement de 22,14 %, une tension en circuit ouvert de 0,91 V, une densité de courant en court-circuit de 28,21 mA cm2 et un facteur de remplissage de 86,31 %.

« Les résultats de cette étude donnent des indications sur le développement d’une couche BSF Sb2S3 ultra-mince, qui pourrait être intégrée dans les cellules solaires CIGS conventionnelles afin d’améliorer leur efficacité et de réduire le coût du matériau absorbant », a conclu le groupe.

Ses conclusions et le concept de la cellule solaire ont été présentés dans l’étude « Improving the efficiency of a CIGS solar cell to above 31% with Sb2S3 as a new BSF : a numerical simulation approach by SCAPS-1D » (Améliorer l’efficacité d’une cellule solaire CIGS à plus de 31 % avec Sb2S3 comme nouveau BSF : une approche de simulation numérique par SCAPS-1D), publiée dans la revue RSC Advances. L’équipe comprenait des scientifiques de l’université Begum Rokeya du Bangladesh, de l’université Hajee Mohammad Danesh Science and Technology et de l’université Pabna Science and Technology, ainsi que de l’université autonome de Querétaro au Mexique, de l’université des sciences Al-Karkh en Irak et de l’université King Khalid en Arabie saoudite.

Traduit par Marie Beyer.