Advanced concepts of solar cells and solar hydrogen production

Correspondants: Olivier Durand (Photovoltaïque), Charles Cornet (Hydrogène solaire)

L’objectif général de la thématique photovoltaïque est de développer des cellules photovoltaïques basées sur de nouveaux concepts de cellules ou de nouveaux matériaux ou hétérostructures. Ancré dans la transition écologique, l’institut FOTON participe ainsi aux recherches scientifiques visant à l’élaboration et la fabrication de cellules solaires plus performantes ou plus vertueuses. Comme décrit sur cette page, l’équipe OHM travaille notamment sur les cellules tandems sur silicium ainsi que sur d’autre concepts avancés en photovoltaïque tels que les cellules à porteurs chauds ou à base d’hétérojonctions d’oxides métalliques sur Si. Les études de cellules solaires à base de pérovskites halogénées sont décrites dans la thématique « Physique des matériaux et dispositifs pérovskites ».

Au-delà de ses activités dans le domaine du photovoltaïque, l’équipe OHM a démarré des recherches autour de l’étude et du développement de nouveaux matériaux pour la production d’hydrogène solaire, en collaboration avec l’ISCR. La conversion de l’énergie lumineuse directement en hydrogène, à partir de l’électrolyse de l’eau, permettrait la production renouvelable d’un combustible réutilisable sur demande pour nos besoins en énergie. Les approches envisagées se basent sur l’utilisation de matériaux pérovskites, ou semi-conducteurs III-V déposés en couches fines sur substrats Si, de catalyseurs et de couches de protection contre la corrosion. L’équipe s’intéresse à l’élaboration des matériaux, leurs propriétés physiques, leurs caractérisations structurales et électro-optiques, et aux propriétés photo-électrochimiques des électrodes développées.

Résultats et faits marquants

Projets financés

Description des activités scientifiques

Cellules tandems sur silicium: L’objectif est de développer des cellules tandems associant une cellule bottom de silicium monocristallin de gap 1.1 eV avec une cellule top de gap d’1.7 eV, ceci pour permettre de dépasser les rendements théoriques du silicium seul. L’intégration monolithique d’hétérostructures CIGS sur silicium permet de concilier à la fois hauts rendements et bas coûts, tout en capitalisant sur une ou plusieurs filières industrielles éprouvées. L’approche originale développée dans ce projet est d’introduire à l’interface entre la cellule silicium et la cellule CIGS une couche intermédiaire très fine d’un matériau III-V qui sert de contact sélectif pour la cellule CIGS epitaxiée directement sur la couche III-V. Des premiers résultats montrent une épitaxie du matériau CIGS sur un pseudo-substrat de GaP/Si(001). De plus, le matériau III-V sert de barrière chimique entre le Si et le CIGS, et empêche le phénomène de délamination entre les deux sous-cellules. Le CIGS est élaboré à l’IMN et à l’IPVF, les pseudo-substrats GaP/Si à l’Institut FOTON et les cellules silicium sont élaborées à l’INL.

Pour en savoir plus, voir ci dessus le projet ANR EPCIS et les projets MINOTAURE et IOTA du PEPR TASE.

Cellules à porteurs chauds: Les cellules solaires à porteurs chauds permettent théoriquement d’atteindre des rendements supérieurs à la limite physique de Shockley-Queisser avec une seule jonction. Dans ce type de cellules, l’objectif est de faire contribuer au photocourant les porteurs d’énergie supérieure à celle du gap, avant thermalisation. Cette étude a donné lieu à publication dans la revue Nature Energy en 2018. Les partenaires de ce projet sont : L’IPVF SAS (Palaiseau), L’UMR IPVF (Palaiseau), le C2N (Univ. Paris Saclay), L’IM2NP (Marseille) et le LPCNO (Toulouse). Projet en cours : ANR ICEMAN (ANR-19-CE05-0019).

Pour en savoir plus, voir ci dessus le projet ANR ICEMAN.

Cellules photovoltaïques à base d’hétérojonctions d’oxides métalliques sur Si: Les cellules solaires de haute performance à hétérojonction en silicium présentent une faible vitesse de recombinaison de surface grâce à une couche émettrice à large bande interdite qui permet aux porteurs majoritaires de circuler vers le contact électrique tout en réfléchissant les porteurs minoritaires. Elle est généralement constituée d’une couche amorphe d’a-Si:H (1,7 eV de quasi-bande interdite), qui présente des pertes optiques élevées limitant la conversion de la lumière à des longueurs d’onde courtes. L’oxide métallique MoO₃ est un matériau prometteur pour remplacer l’a-Si:H car il présente une bande interdite plus élevée (2,9 eV) et une fonction de travail importante, ce qui permet d’obtenir un alignement de bandes électroniques approprié entre cette couche émettrice et l’absorbeur en silicium. Cette étude entre dans le cadre du développement de systèmes autonomes pour l’internet des objets (IoT) au travers le projet EU NANO-EH dédié à l’optimisation de nouveaux nano-matériaux non-toxiques et bas-coûts pour les intégrer à des dispositifs miniaturisés de récolte et de stockage de l’énergie (rectennas, dispositifs pyroélectriques, supercapacités, photovoltaiques, etc..). Le contexte du projet NANO-EH concerne les technologies de la communication et le développement de l’IoT pour des applications récentes telles que la médecine personnalisée du futur, l’agriculture intelligente et la surveillance de l’environnement.

Pour en savoir plus, voir ci dessus le projet H2020 FET Proactive Nano-eh

Collaborations

Personnels de recherche impliqués

Porteurs de projets

Personnels permanents

Doctorants et Post-doctorants