33 %, c’est la limite théorique du rendement d’une cellule photovoltaïque au silicium à simple jonction. Une barrière qu’atteignent presque les dispositifs vendus sur le marché, avec des rendements industriels généralement compris entre 23 à 25 %, les meilleures cellules approchant aujourd’hui 27 %.
Des chercheurs de l’Institut FEMTO-ST et des industriels ambitionnent de franchir cette limite dite de Shockley-Queisser, grâce à une approche innovante développée dans le cadre du projet européen LEEMONS1.
Leur objectif est de réduire les pertes d’énergie occasionnées dans les systèmes : lorsqu’un photon, particule de lumière émise par le soleil, est piégé dans une cellule photovoltaïque, il arrache un électron à sa matrice en silicium, un processus à l’origine de la création d’électricité. Mais une grande partie de l’énergie excédentaire apportée par le photon est rapidement dissipée sous forme de chaleur dans le matériau, un phénomène appelé thermalisation.
Pour casser cet effet, les membres du consortium envisagent de répartir cette énergie entre plusieurs électrons qui, porteurs d’une énergie plus faible, entraîneront moins de pertes de thermalisation et seront électriquement plus performants.
Transformer un électron de haute énergie en plusieurs électrons de basse énergie est un phénomène baptisé LEEM (Low-Energy Electron Multiplication). Les membres du projet entendent démontrer qu’il peut se produire au cœur des cellules solaires : la multiplication des électrons sera rendue possible par une structuration du silicium, réalisée à l’échelle du nanomètre. Une opération confiée à Samuel Queste, docteur en sciences des matériaux à l’Institut FEMTO-ST.
Responsable des techniques de gravure au plasma, le spécialiste met en œuvre les moyens de la plateforme MIMENTO pour parvenir à l’objectif fixé.
« Il s’agit de créer des masques dans lesquels l’aménagement de très fins espaces permet de former la couche voulue à la surface des cellules photovoltaïques. »
Les masques sont réalisés sur des wafers 6 pouces, des galettes de silicium d’environ 150 mm de diamètre. D’épaisseurs comprises entre 200 et 380 µm, ces wafers très fragiles sont structurés de façon discontinue par des espaces de 10 µm, une dimension dix fois inférieure au diamètre d’un cheveu ! Le design de ces espaces peut être linéaire ou circulaire : des tests sont actuellement réalisés pour déterminer quelle géométrie est la plus favorable à la multiplication électronique.
Grâce aux compétences de ses équipes et à ses installations technologiques, l’Institut FEMTO-ST est réputé produire les gravures les plus profondes qu’il soit possible de réaliser dans du silicium sur une plateforme technologique en France.
À d’aussi faibles dimensions, chaque gain de performance est un exploit. Pour ce projet, la proportion entre la largeur et la profondeur de la gravure a pu être améliorée : le facteur de forme est passé à 38, alors que la valeur de 30 atteinte jusqu’alors semblait une limite difficile à surmonter.
Pour valider leur hypothèse, les membres du consortium ont pour objectif d’augmenter de 1 % le rendement d’une cellule solaire grâce à la multiplication électronique. À plus long terme, cette approche pourrait ouvrir la voie à des cellules dépassant la limite conventionnelle de Shockley-Queisser.
« Et le projet est pensé de façon à ce que l’intégration de ces cellules silicium dans les futurs panneaux solaires ne nécessite que des adaptations limitées des procédés industriels existants, un point très stratégique pour l’industrie », explique Samuel Queste. Une vision encore plus pertinente lorsque l’on sait que Roltec, partenaire polonais du projet, est l’un des seuls producteurs de cellules photovoltaïques en Europe.
