Couches minces de chalcogénures et III-V

Dispositifs à base de couches minces de chalcogénures à structure chalcopyrite

- Introduction et contexte

Les cellules solaires photovoltaïques à base de couches minces polycristallines de matériaux chalcogénures à structure chalcopyrite ont atteint un rendement record de 23.5%. Une telle performance est le fruit de plus de 30 années de développements technologiques et d’efforts de compréhension des phénomènes fondamentaux régissant le fonctionnement de ces cellules solaires.

La structure classique d’une cellule solaire à base de couches minces de Cu(In,Ga)(Se,S)2 (CIGSSe) est illustrée dans la figure 1 qui montre une coupe transverse par microscopie électronique à balayage d’un dispositif fonctionnel; elle est constituée d’un empilement de couches minces, dont l’épaisseur totale n’excède pas 4 µm et généralement déposé sur un substrat de verre sodo-calcique. Depuis le substrat, la structure consiste en :

• Une couche mince de molybdène (~ 0,5 µm) qui joue le rôle de contact arrière qui récolte les charges positives (i.e. les trous) en régime de fonctionnement.
• Une couche mince de CIGSSe (~2 µm, type P) qui absorbe les photons solaires pour libérer des paires électron-trou.
• Une couche tampon, le plus souvent à base de CdS ou Zn(O,S) (~ 0,05 µm, type N), qui réalise la jonction PN avec l’absorbeur ; le champ électrique résultant de ce contact absorbeur/couche tampon permet de séparer les trous et les électrons. Cette séparation est à l’origine de l’effet photovoltaïque.
• Une fenêtre optique (~ 50 nm de ZnO recouvert de ~ 200 nm de ZnO:Al) dont le rôle est d’être transparent aux photons solaires et, en régime de fonctionnement, de collecter les charges négatives (électrons) qui seront injectées dans le circuit extérieur.

Fig. 1 : Image par microscopie électronique à balayage  de la tranche d’une cellule solaire de la technologie CIS. Crédit N. Barreau, IMN.	Fig. 2 : Evolution de l’énergie de bande interdite du Cu(In,Ga)Se,S)2  en fonction des teneurs relatives en éléments de la colonne III et  en chalcogène. Tirée de Bär et al., J. Appl. Phys. 96, 3857 (2004).

Cette technologie, dite CIS, a connu un développement industriel à l’échelle mondiale jusqu’à atteindre une capacité de production de 1,5 GWp en 2020 [Photovoltaics Report, July 2021, Fraunhofer ISE]. Néanmoins, cet essor a récemment subi un coup d’arrêt imputable à des coûts de production plus élevés que ceux de la filière c-Si.

Un tel paradigme n’ôte cependant rien aux atouts des absorbeurs à structure chalcopyrite. En effet, la famille de composés Cu(In,Ga)(Se,S)2 présente des propriétés optiques remarquables, à savoir une énergie de bande interdite (Eg) balayant une gamme allant de 1,0 eV pour le CuInSe2 jusqu’à 2,5 eV pour le CuGaS2 ; la figure 2 illustre cette évolution en fonction des teneurs relatives des atomes isovalents (i.e. In vs. Ga et Se vs. S). Une telle gamme de largeur de bande interdite fait de ces matériaux des candidats intéressants pour des applications comme cellule haute dans des dispositifs tandem.

- La position de FedPV : vers des structures tandem innovantes

Certains laboratoires membres de la FedPV comptent parmi les pionniers de cette filière, maîtrisant la fabrication de cellules montrant des performances à l’état de l’art mondial (20 %). Ces équipes orientent depuis près d’une décennie leurs travaux vers la synthèse de dispositifs dont l’absorbeur a une largeur de bande interdite de l’ordre de 1,7 eV, ce qui correspond à l’optimum pour une cellule haute associée à une cellule basse de c-Si au sein d’un dispositif tandem. Cette largeur de bande interdite (i.e. 1,6 eV < Eg < 1,8 eV) correspond à celle des composés CuGaSe2 et CuIn0.7Ga0.3S2. Concernant ce dernier semi-conducteur, l’approche originale développée au sein de la FedPV consiste à mettre en synergie des expertises dans le domaine du c-Si, des III-V et du CIS pour fabriquer des cellules tandem à deux terminaux ayant la structure décrite dans la figure 3. Une telle réalisation sera une première mondiale.

Fig. 2 : Evolution de l’énergie de bande interdite du Cu(In,Ga)Se,S)2 en fonction des teneurs relatives en éléments de la colonne III et en chalcogène. Tirée de Bär et al., J. Appl. Phys. 96, 3857 (2004).

- Contacts

Nicolas Barreau, Institut des Matériaux Jean Rouxel, Nantes. Nicolas.barreau@univ-nantes.fr

- Publications communes depuis 2020

- “Epitaxial growth of CIGSe layers on GaP/Si(001) pseudo-substrate for tandem CIGSe/Si solar cells”, Nicolas Barreau, Olivier Durand, Eugène Bertin, Antoine Létoublon, Charles Cornet, Polyxeni Tsoulka, Eric Gautron, Daniel Lincot, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 233, 2021, 111385, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111385.

- “Alternative alkali fluoride post-deposition treatment underelemental sulfur atmosphere for high-efficiency Cu(In,Ga)Se2-based solar cells”, P. Tsoulka, A. Crossay, L. Arzel, S. Harel, N. Barreau, Prog Photovolt Res Appl.2021;1–8. https://doi.org/10.1002/pip.3508

 
- A.Crossay et al., "Pure sulfide wide gap CIGS on silicon for tandem applications by exploring versatile coevaporation of metallic films and sulfur annealing", 2021 IEEE 48th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2021, pp. 2079-2083, doi: 10.1109/PVSC43889.2021.9518966.

 
- N. Barreau et al., "High efficiency solar cell based on Cu(In,Ga)S2 thin film grown by 3-stage process", 2020 47th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2020, pp. 1715-1718, doi: 10.1109/PVSC45281.2020.9300598.