Matériaux émergents et nouveaux concepts

Contacts
Jean-François Guillemoles, IPVF, jean-francois.guillemoles@cnrs.fr
Thomas Fix, ICube, tfix@unistra.fr

Introduction et contexte

L’ascension fulgurante des rendements de conversion des cellules pérovskites hybrides démontre que la recherche de matériaux innovants et la sérendipité permettent encore l’obtention de découvertes majeures. De même les dispositifs photovoltaïques conventionnels approchent des limites ultimes et la recherche de nouveaux concepts œuvre à dépasser ces limites, ou à apporter de nouvelles fonctionnalités.

Thématiques couvertes par FedPV

Conversion de photons de type downshifting ou downconversion
Différents phénomènes limitent le rendement des cellules solaires (c-Si, CIGS…), tels que la thermalisation de photons ayant une énergie supérieure à la largeur de bande interdite ou la faible réponse spectrale dans l’ultraviolet (window layers…). Une solution possible est de mieux adapter les bandes interdites au spectre solaire en réalisant des jonctions tandem. Une autre solution est d’adapter le spectre solaire à la cellule existante en convertissant des photons ultraviolets vers le visible ou proche infrarouge avant d’être absorbés par la cellule. Le downshifting et la downconversion visent à convertir un photon ultraviolet en respectivement 1 et 2 photons dans le visible ou proche infrarouge.

Nos encapsulants fonctionnalisés par la conversion de photons par photoluminescence permettent de passer de 13.5 à 14.3 % de rendement de conversion dans des cellules CIGS [Gavriluta 2017]. Le couplage des cellules solaires avec des modes résonnants de cavité offre également des opportunités pour de nouvelles architectures de cellules solaires [F. Proise et al.]. Dans le domaine, la difficulté est souvent de mesurer les rendements pour la downconversion, nous avons proposé une méthode basée sur des mesures en corrélation [M. Loning et al 2021]. Cet axe de recherche implique plus particulièrement ICUBE et l’IPVF.

Cellule CIGS + encapsulant

Cellules solaires à porteurs chauds
Dans les cellules solaires ordinaires une bonne partie de la puissance incidente vient de photons dont l’énergie est significativement supérieure à l’énergie du gap. Cette fraction est presque instantanément dissipée en chaleur. Les cellules solaires à porteurs chauds sont une approche qui vise à convertir cette puissance excédentaire en électricité, en essayant de contrôler la thermalisation des porteurs, et, à la manière des thermoélectriques, d’en convertir une fraction en électricité. Une démonstration de preuve de concept a pu être faite récemment [Nguyen et al 2018]. Ces cellules peuvent aussi être dans des architectures tandem [Giteau et al. 2022]. Cet axe de recherche fait également l’objet d’une ANR (ICEMAN) et il implique plus particulièrement le C2N, FOTON, NextPV et l’IPVF.

Ratchets et autres concepts avancés

Certains concepts avancés de conversion photovoltaïque présentent certes des promesses de rendement élevés, mais sont particulièrement sensibles aux conditions d’opération des dispositifs, ou aux non-idéalités des dispositifs. Les ratchets ont été proposés comme une façon de rendre les rendements de conversion de ces dispositifs plus résilients, voire plus efficaces [Delamarre et al. 2018]. Cet axe de recherche implique plus particulièrement NextPV, le C2N et l’IPVF.

Oxydes émergents en tant qu’absorbeur ou oxyde transparent conducteur

Les TCO ou oxydes transparents conducteurs sont présents dans beaucoup d’architectures de cellules solaires. Les recherches visent à améliorer ces TCO et d’éviter l’utilisation d’indium, élément rare présent dans l’ITO. D’autre part des matériaux oxydes émergents sont développés pour une utilisation en tant qu’absorbeur dans les cellules solaires. Si les pérovskites hybrides ont montré un fort développement l’utilisation de pérovskites oxydes inorganiques est envisageable en tant qu’absorbeur [Hoye et al. 2021]. Cet axe de recherche fait notamment l’objet de l’ANR REACTIVE (2022-, LMGP-GREMI-ICube-RUB).

Cellules solaires ferroélectriques

Dans le cas d’une cellule solaire ferroélectrique, il n’y a pas besoin de jonction p-n et la séparation des charges est assurée par la polarisation issue de la ferroélectricité. Des rendements de conversion intéressants (8%) commencent à être démontrés alors que très peu d’équipes travaillent dans ce domaine. En particulier, le matériau double pérovskite Bi2FeCrO6 présente les meilleurs rendements de conversion alors que BiFeO3 permet d’atteindre des tensions de circuit ouvert de plusieurs dizaines de volts. Les caractéristiques courant-tension présentent une bistabilité en courant de circuit ouvert en fonction de la tension initiale de polarisation la cellule [Quattropani et al. 2018). Cet axe de recherche a fait l’objet de l’ANR FERROPV (2016-2019) et implique plus particulièrement ICube en collaboration avec l’IPCMS.

Silicium exotique

Différentes formes de silicium sont utilisées dans l’industrie, cristallin, multicristallin et amorphe. Le silicium est un élément abondant, stable et non toxique. Les clathrates de silicium sont des formes exotiques du silicium, découverts en 1965 qui forment, comme les fullerènes, des sphères creuses de diverses tailles. La synthèse de ces clathrates sous forme de film n’en est qu’à ses débuts et présente des verrous technologiques importants que l’on s’attache à résoudre (intégration dans des composants fonctionnels) [Fix et al, 2020]. Les propriétés électroniques et optiques de ces clathrates sont fortement différentes du silicium « standard », en particulier certains clathrates de silicium possèdent une bande interdite directe ce qui présente un intérêt pour la microélectronique, l’optoélectronique et le photovoltaïque.
Notons qu’il existe d’autres formes de Si exotique, dont par exemple le Si hexagonal, proposé il y a quelques années [Rodl et al. 2016] et qui fait l’objet de recherches expérimentales (ANR HexaNW).
Cet axe de recherche implique plus particulièrement ICUBE, le LPICM et l’IPVF et fait l'objet de l'ANR EXOSIL (2022-, ICUBE-IPCMS-INL).

Rectennas

De manière similaire à la réception des ondes radios, en associant une nano-antenne métallique permettant un couplage plasmonique des ondes électromagnétiques dans les domaines du visible et de l’infrarouge et une diode moléculaire fonctionnant à des fréquences supérieures à la centaine de térahertz pour rectifier les courants, nous créons une rectenna (« rectifying antenna ») permettant une conversion de la lumière en courant continu sans avoir recours à l’effet photoélectrique. Il n’est donc plus nécessaire de réaliser une ingénierie de gap des matériaux semiconducteurs pour collecter au mieux le spectre solaire. Sur la base d’un projet interdisciplinaire, des premières rectennas composées d’antennes plasmoniques constituées de nano-cubes d’argent synthétisés par voie chimique et associées des diodes moléculaires rectifiantes [D. Duché et al, 2017 ; C. A. Reynaud et al, 2020]. Un projet ANR (PlasMORE-LIGHT) a été accepté fin 2021 et est coordonné par l’IM2NP (David Duché). Cet axe de recherche implique plus particulièrement l’IM2NP.

Modélisation

Nos approches théoriques (voir thème "théorie et modélisation") nous permettent de considérer l'absorbeur et les contacts comme un seul système optoélectronique quantique. Cette vision est essentielle au développement des cellules à bande intermédiaire et à porteurs chauds. Cet axe de recherche implique plus particulièrement IM2NP et IPVF.

Références

- P. Zabierowski, O. Jeannin, T. Fix, J.-F. Guillemoles, L. Charbonnière, A. Nonat, "From Mono- to Polynuclear Coordination Complexes with a 2,2’-Bipyrimidine-4,4’-dicarboxylate Ligand", Inorganic Chemistry, 60, 11, 8304-8314 (2021) http://dx.doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c00938

- R. Hoye, J. Hidalgo, R. Jagt, J.-P. Correa-Baena, T. Fix, J. MacManus-Driscoll, "The Role of Dimensionality on the Optoelectronic Properties of Oxide and Halide Perovskites, and their Halide Derivatives", Advanced Energy Materials, 2100499, pages 1-59 (2021) http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202100499

- A. Quattropani, D. Stoeffler, T. Fix, G. Schmerber, M. Lenertz, G. Versini, J. L. Rehspringer, A. Slaoui, A. Dinia and S. Colis, "Band-gap tuning in ferroelectric Bi2FeCrO6 double perovskite thin films", Journal of Physical Chemistry C 122, 1070 (2018) http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10622

- Anatolie Gavriluta, Thomas Fix, Aline Nonat, Abdelilah SLAOUI, Jean Francois Guillemoles and Loïc Charbonnière, “Tuning the Chemical Properties of Europium Complexes as Downshifting Agents for Copper Indium Gallium Selenide Solar Cells”, Journal of Materials Chemistry A, 2017, https://doi.org/10.1039/C7TA02892J

- T. Fix, R. Vollondat, A. Ameur, S. Roques, J.-L. Rehspringer, C. Chevalier, D. Muller, and A. Slaoui, "Silicon Clathrate Films for Photovoltaic Applications", J. Phys. Chem. C 124, 14972–14977 (2020) http://dx.doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c02712

- M. Löning, D. Suchet, L. Lombez and J.-F. Guillemoles , “A Bayesian approach to luminescent down-conversion” J. Chem. Phys. 154, 014201 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0026396

- Rödl, C., T. Sander, F. Bechstedt, J. Vidal, P. Olsson, S. Laribi, et J.-F. Guillemoles, "Wurtzite Silicon as a Potential Absorber in Photovoltaics: Tailoring the Optical Absorption by Applying Strain", Physical Review B 92, no 4 (20 juillet 2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.045207

- A. Delamarre, D. Suchet, N. Cavassilas, Y. Okada, M. Sugiyama and J. Guillemoles, "An Electronic Ratchet Is Required in Nanostructured Intermediate-Band Solar Cells," IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 8, no. 6, pp. 1553-1559, Nov. 2018; https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2866186

- Proise, Florian, Anne-Laure Joudrier, Fabrice Pardo, Jean-Luc Pelouard, et Jean-François Guillemoles, "Ultrathin Mono-Resonant Nano Photovoltaic Device for Broadband Solar Conversion", Optics Express 26, no 18 (3 septembre 2018): A806 17. https://doi.org/10.1364/OE.26.00A806

- Nguyen dac Trung, Laurent Lombez, François Gibelli, Soline Boyer-Richard, Olivier Durand, Jean-François Guillemoles, “Quantitative experimental assessment of hot carrier-enhanced solar cells at room temperature”, Nature Energy, volume 3, pages236–242 (2018) ; https://doi.org/10.1038/s41560-018-0106-3

- M. Giteau, S. Almosny, JF Guillemoles, "Hot-Carrier Multi-Junction Solar Cells: A Synergistic Approach", Appl. Phys. Lett. 120, 213901 (2022), https://doi.org/10.1063/5.0073274

- JF Guillemoles,” Photovoltaics: towards ultimate performances”, Photoniques oct. 2021, https://doi.org/10.1051/photon/202111048

- Jean-Francois Guillemoles, Thomas Kirchartz, David Cahen and Uwe Rau, " Guide for the perplexed to the Shockley–Queisser model for solar cells”, Nat. Photonics 13, 501–505 (2019) doi:10.1038/s41566-019-0479-2

- D.Duche, U.Palanchoke, L.Escoubas, J-J. Simon, S.Balaban, “Plasmonic rectenna device and method of manufacturing “, n° 17306695.2, 2017

- CA Reynaud, D. Duché, J-J Simon, E.Sanchez-Adaime, O Margeat, J. Ackermann, V. Jangid, C. Lebouin, D. Brunel, F. Dumur, D. Gigmes, G. Berginc, CA.Nijhuis, L. Escoubas, ‘’Rectifying antennas for energy harvesting from the microwaves to visible light: A review’’, Progress in Quantum Electronics (2020)