Des cellules solaires avec un rendement sans précédent
Jusqu'à aujourd'hui, le fonctionnement de base des cellules solaires à bande intermédiaire a été démontré de manière expérimentale. La bande intermédiaire permet l'absorption de photons à basse énergie qui sont sinon transmis par le matériau photovoltaïque. Des calculs théoriques ont montré que des rendements allant jusqu'à 63 % peuvent être obtenus en utilisant la concentration de la lumière du soleil. L'objectif du projet SIRACUSA (Study on intermediate band materials with prevailing radiative carrier recombination for superior solar energy applications), financé par l'UE, était de développer une cellule solaire à haut rendement de ce type par l'insertion d'une bande supplémentaire via des niveaux d'impureté élevés. Les chercheurs ont étudié une alternative à l'insertion de points quantiques dans la région intrinsèque d'un semi-conducteur p-i-n. Au moyen de l'épitaxie par jets moléculaires, ils ont créé une bande intermédiaire via l'incorporation d'une concentration élevée de fer (Fe) dans de l'arseniure de gallium (GaAs), codopé au silicium. La spectrométrie de masse ionique secondaire a été utilisée pour caractériser le nouveau matériau et confirmer une concentration élevée de Fe incorporé. Les propriétés électriques ont été étudiées à partir de mesures de l'effet Hall. La présence de niveaux profonds d'impureté dans l'intervalle de bande interdite d'un semi-conducteur a été traditionnellement considérée comme nuisant aux performances des cellules solaires. Cependant, d'après la théorie, les fonctions d'ondes d'espèces étrangères se chevauchent pour former une bande et inhiber les processus non-radiatifs lorsqu'elles sont incorporées avec une concentration suffisamment élevée. Avant le projet SIRACUSA, la plupart des mises en œuvre pratiques du concept de bande intermédiaire étaient orientées vers l'utilisation des nanotechnologies (en particulier, les points quantiques). Ces chercheurs étaient les premiers à essayer de fabriquer des cellules solaires à bande intermédiaire GaAs:Fe. Ils pensent que la photoréponse aux photons avec une énergie inférieure à l'intervalle de bande venait principalement des antisites d'As et des vacances de Ga. L'introduction d'états d'énergie supplémentaires dans l'intervalle de bande par les atomes de Fe a également contribué à la génération de photocourant. Un photocourant élevé doit être fourni tout en maintenant la tension de circuit ouvert de la cellule solaire. Dans ce but, il sera nécessaire d'exercer un contrôle plus rigoureux du processus de croissance afin de produire à basse température un matériau de cellule de haute qualité. Lors des essais de mise en œuvre pratique du concept de bande intermédiaire, plusieurs matériaux et systèmes ont été proposés de manière théorique. Parmi les nombreux candidats actuellement en cours d'étude, le meilleur choix peut-être caché parmi ces différentes options.
Mots‑clés
Piles solaires, matériaux semiconducteurs, bande intermédiaire, SIRACUSA, points quantiques
