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Projet ANR-11-PRGE-0007 (programme PROGELEC 2011)

MENHIRS : Intégration monolithique de cellules solaires III-V à haut rendement sur substrats de silicium

décembre 2011 – décembre 2015

MENHIRS : Intégration monolithique de cellules solaires III-V à haut rendement sur substrats de silicium

Intégration monolithique de dispositifs CPV à multiples jonctions et haut rendement sur un substrat de silicium monocristallin

Contexte

L’objectif du projet est de fournir des cellules tandem à faible coût et à haut rendement élaborées sur silicium cristallin (c-Si), en fusionnant l’approche du Si monocristallin « bas-côut » avec celle des multi-jonctions à haut rendement à base de matériaux III-V.
Ces cellules CPVs seront utilisées sous faible concentration de lumière (100 soleils), dans une approche développée par l’IRDEP-CNRS, et étalonnées sous moyenne concentration par HELIOTROP SAS.
Le rendement des cellules photovoltaïques est un des paramètres les plus importants dans le coût final de l’électricité, car il influe directement sur le rapport énergie produite/coût de production. Avec un rendement de 22 %, la technologie des modules basés sur c-Si semble atteindre ses limites. Pour augmenter encore l’efficacité des cellules et des modules basés sur c-Si, il semble judicieux de s’orienter vers des dispositifs multi-jonctions (association de deux couches absorbantes différentes dans la même cellule).

Alors que de nombreux projets ont tendance à se concentrer sur les technologies « tout silicium », les meilleures cellules à grande largeur de bande interdite sont basées sur l’utilisation des composés III-V.
Ce projet se propose de démontrer la faisabilité de l’intégration monolithique de dispositifs CPVs « haut rendement » à multiples jonctions élaborées sur un substrat de silicium monocristallin faible coût, sur lequel un matériau III-V en accord de paramètre cristallin sera élaboré par épitaxie par jets moléculaires (MBE).
Cette hétérostructure en accord de paramètre cristallin, possédant une faible densité de défauts structuraux (dislocations, domaines antiphase, défauts ponctuels, micro-macles) permettra d’obtenir des dispositifs photovoltaïques III-V sur silicium très performants avec une grande durée de vie.
Cette nouvelle voie permet de surmonter les problèmes de coût élevé des substrats (par rapport au Ge ou aux substrats III-V utilisés actuellement pour obtenir des CPVs), la formation des défauts structuraux et la faible fiabilité des systèmes à fort désaccord de maille (approche métamorphique).
L’intégration de fonctions photovoltaïques sur un substrat de silicium monocristallin aboutira également à une réduction de l’utilisation de matériaux semi-conducteurs III-V dans les CPVs multi-jonctions à haut rendement.

Objectifs

Les deux principaux objectifs scientifiques et technologiques du projet sont :
- la réalisation d’une cellule unique de GaAsPN (1,7 eV) sur Si (avec un rendement de 15% sous faible concentration, i.e. 100 soleils) ;
- la démonstration d’une cellule solaire multi-jonctions à haut rendement et faible coût : une cellule GaAsPN PN à 1,7 eV sur une cellule Si PN à 1,1 eV (25 % de rendement à basse concentration, i.e. 100 soleils, comme première étape vers le très haut rendement > 30%).

L’hétéroépitaxie de matériaux III-V en accord de paramètre cristallin sur un substrat de Si désorienté permet de surmonter les deux principales difficultés rencontrées pour la croissance de matériaux III-V sur substrats de silicium : l’apparition de dislocations et de domaines d’antiphases. Ceci permet de réaliser des matériaux III-V sans défauts et ainsi d’obtenir de grandes longueurs de diffusion des porteurs minoritaires, nécessaires aux applications photovoltaïques.
Les dispositifs photovoltaïques consisteront en des cellules tandem « haut rendement » III-V/Si (1.7 eV/1.1 eV) dont la connexion électrique est assurée par une jonction tunnel.

Le projet s’appuie sur un consortium de haute qualité qui réunit six partenaires français et un partenaire associé européen : CNRS-FOTON (croissance de matériaux III-V), INL (technologie à base de Si PV), CNRS-CEMES (caractérisations structurales), CNRS-IRDEP (développement du PV en couches minces), EDF R&D (leader européen dans le secteur de l’énergie), HELIOTROP SAS (fabricant français de modules HCPV) et AALTO (partenaire académique finlandais spécialisé dans l’analyse des défauts cristallins).
Ces partenaires font partie de consortiums européens de recherche et des réseaux d’excellence et ils conduisent de nombreux projets au niveau national et international.

Production scientifique

Voir dans la collection Foton sur HAL

Partenaires

CNRS-CEMESEDF R&DCNRS-IRDEPINL
(groupe(s) Foton impliqué(s) : OHM)

Coordinateur

Foton (Olivier DURAND)

Financements

ANR : 900 k€ (dont 284 k€ pour Foton)

Voir en ligne :