Les cellules solaires à jonctions multiples (MJ) sont des cellules solaires dotées de plusieurs jonctions p – n constituées de différents matériaux semi-conducteurs. La jonction pn de chaque matériau produira un courant électrique en réponse à différentes longueurs d’onde de la lumière.L’utilisation de plusieurs matériaux semi-conducteurs permet d’absorber une gamme de longueurs d’ondes plus large, améliorant la lumière du soleil de la cellule et l’efficacité de la conversion de l’énergie électrique.

Les cellules à jonction simple traditionnelles ont une efficacité théorique maximale de 33,16%.Théoriquement, un nombre infini de jonctions aurait une efficacité limite de 86,8% sous une lumière solaire fortement concentrée.

Actuellement, les meilleurs exemples de laboratoire de cellules solaires au silicium cristallin traditionnelles ont une efficacité comprise entre 20% et 25%, tandis que les exemples de cellules multi-jonctions en laboratoire ont démontré des performances supérieures à 46% à la lumière solaire concentrée. Les exemples commerciaux de cellules en tandem sont largement disponibles à 30% sous un seul éclairage solaire et s’améliorent à environ 40% sous la lumière solaire concentrée.Cependant, cette efficacité est obtenue au prix d’une complexité accrue et d’un prix de fabrication plus élevé. À ce jour, leur prix plus élevé et leur rapport prix / performance plus élevé ont limité leur utilisation à des rôles spéciaux, notamment dans le secteur aérospatial, où leur rapport puissance-poids élevé est souhaitable. Dans les applications terrestres, ces cellules solaires font leur apparition dans le photovoltaïque à concentrateur (CPV), avec un nombre croissant d’installations dans le monde.

Les techniques de fabrication en tandem ont été utilisées pour améliorer les performances des conceptions existantes. En particulier, la technique peut être appliquée à des cellules solaires à couches minces moins coûteuses utilisant du silicium amorphe, par opposition au silicium cristallin classique, pour produire une cellule avec une efficacité d’environ 10%, légère et flexible. Cette approche a été utilisée par plusieurs fournisseurs commerciaux, mais ces produits se limitent actuellement à certains rôles de niche, tels que les matériaux de couverture.

La description

Bases des cellules solaires

Les cellules photovoltaïques traditionnelles sont généralement composées de silicium dopé avec des contacts métalliques déposés en haut et en bas. Le dopage est normalement appliqué à une couche mince sur le dessus de la cellule, produisant une jonction pn avec une énergie de bande interdite particulière, par exemple.

Les photons qui frappent le haut de la cellule solaire sont soit réfléchis, soit transmis dans la cellule.Les photons transmis ont le potentiel de donner leur énergie, h ν , à un électron si h ν ≥ Eg, générant une paire électron-trou. Dans la région d’appauvrissement, le champ électrique de dérive Edrift accélère à la fois les électrons et les trous vers leurs régions respectives dopées n et p (respectivement vers le haut et vers le bas). Le courant résultant Ig est appelé le photocourant généré. Dans la région quasi neutre, le champ électrique diffusant Escatt accélère les trous (électrons) vers la région dopée p (dopée n), ce qui donne un photocourant diffusant Ipscatt (Inscatt).Par conséquent, en raison de l’accumulation de charges, un potentiel V et un photocourant Iph apparaissent. L’expression de ce photocourant est obtenue en ajoutant des photocourants de génération et de diffusion: Iph = Ig + Inscatt + Ipscatt.

Les caractéristiques JV (J est la densité de courant, c.-à-d. Le courant par unité de surface) d’une cellule solaire sous éclairage sont obtenues en décalant les caractéristiques JV d’une diode dans l’obscurité vers le bas par Iph. Les cellules solaires étant conçues pour fournir de l’énergie et ne pas l’absorber, la puissance P = V · Iph doit être négative. Par conséquent, le point de fonctionnement (Vm, Jm) est situé dans la région où V> 0 et Iph <0, et choisi pour maximiser la valeur absolue de la puissance | P |. Mécanismes de perte La performance théorique d'une cellule solaire a été étudiée pour la première fois en profondeur dans les années 1960 et est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Shockley – Queisser. La limite décrit plusieurs mécanismes de perte inhérents à toute conception de cellules solaires. Les premières sont les pertes dues au rayonnement du corps noir, un mécanisme de perte qui affecte tout objet matériel au-dessus du zéro absolu. Dans le cas des cellules solaires à température et pression normales, cette perte représente environ 7% de la puissance. Le second est un effet connu sous le nom de "recombinaison", où les électrons créés par l'effet photoélectrique rencontrent les trous d'électrons laissés par les excitations précédentes. En silicium, cela représente 10% de la puissance supplémentaire. Cependant, le mécanisme de perte dominant est l'incapacité d'une cellule solaire à extraire toute la puissance de la lumière, et le problème associé est qu'elle ne peut extraire aucune puissance de certains photons. Cela est dû au fait que les photons doivent avoir suffisamment d'énergie pour surmonter la bande interdite du matériau. Si le photon a moins d'énergie que la bande interdite, il n'est pas du tout collecté. Ceci est une considération majeure pour les cellules solaires conventionnelles, qui ne sont pas sensibles à la majeure partie du spectre infrarouge, bien que cela représente près de la moitié de l'énergie provenant du soleil. Inversement, les photons ayant plus d'énergie que la bande interdite, disons la lumière bleue, éjectent initialement un électron dans un état au-dessus de la bande interdite, mais cette énergie supplémentaire est perdue lors de collisions dans un processus appelé «relaxation».Cette énergie perdue se transforme en chaleur dans la cellule, ce qui a pour effet secondaire d'accroître encore les pertes de corps noir. En combinant tous ces facteurs, l'efficacité maximale d'un matériau à bande interdite unique, comme les cellules de silicium classiques, est d'environ 34%. C'est-à-dire que 66% de l'énergie de la lumière du soleil qui frappe la cellule sera perdue. Les préoccupations pratiques réduisent encore ce phénomène, notamment la réflexion sur la surface avant ou les bornes métalliques, avec des cellules modernes de haute qualité à environ 22%. Les matériaux de bande interdite inférieurs, également appelés plus étroits, convertissent les photons à plus grande longueur d'onde et à plus faible énergie. Des matériaux à bande interdite plus élevée ou plus large convertissent une lumière de longueur d'onde plus élevée et d'énergie plus élevée. Une analyse du spectre AM1.5 montre que le meilleur équilibre est atteint à environ 1,1 eV (environ 1100 nm, dans le proche infrarouge), qui se trouve être très proche de la bande interdite naturelle dans le silicium et d'un certain nombre d'autres semi-conducteurs utiles. Cellules à jonctions multiples Les cellules fabriquées à partir de plusieurs couches de matériaux peuvent avoir plusieurs bandes interdites et répondent donc à de multiples longueurs d'onde de lumière, capturant et convertissant une partie de l'énergie qui serait autrement perdue en relaxation, comme décrit ci-dessus. Par exemple, si l’on avait une cellule avec deux bandes interdites, l’une accordée à la lumière rouge et l’autre au vert, l’énergie supplémentaire en lumière verte, cyan et bleue serait perdue uniquement pour la bande interdite du matériau sensible au vert, tandis que l'énergie du rouge, du jaune et de l'orange ne serait perdue que pour la bande interdite du matériau sensible au rouge. À la suite d'une analyse similaire à celle réalisée pour les dispositifs à une seule bande interdite, il peut être démontré que les bandes interdites parfaites pour un dispositif à deux ouvertures sont à 1,1 eV et à 1,8 eV. De manière pratique, la lumière d'une longueur d'onde particulière n'interagit pas fortement avec les matériaux dont la bande interdite est plus grande. Cela signifie que vous pouvez créer une cellule à jonctions multiples en superposant les différents matériaux les uns sur les autres, les longueurs d'onde les plus courtes (plus grande bande interdite) sur le dessus et en augmentant dans le corps de la cellule. Comme les photons doivent traverser la cellule pour atteindre la couche appropriée à absorber, des conducteurs transparents doivent être utilisés pour collecter les électrons générés à chaque couche. Produire une cellule en tandem n'est pas une tâche facile, principalement en raison de la minceur des matériaux et des difficultés d'extraction du courant entre les couches. La solution la plus simple consiste à utiliser deux cellules solaires à couche mince séparées mécaniquement, puis à les connecter ensemble à l’extérieur de la cellule. Cette technique est largement utilisée par les cellules solaires en silicium amorphe, les produits d'Uni-Solar utilisent trois de ces couches pour atteindre une efficacité d'environ 9%. Les exemples de laboratoire utilisant des matériaux en couches minces plus exotiques ont démontré une efficacité supérieure à 30%. La solution la plus difficile est la cellule "monolithiquement intégrée", où la cellule se compose de plusieurs couches connectées mécaniquement et électriquement. Ces cellules sont beaucoup plus difficiles à produire car les caractéristiques électriques de chaque couche doivent être soigneusement adaptées. En particulier, le photocourant généré dans chaque couche doit être adapté, sinon les électrons seront absorbés entre les couches. Cela limite leur construction à certains matériaux, mieux satisfaits par les semi-conducteurs III-V. Choix du matériel Le choix des matériaux pour chaque sous-cellule est déterminé par les exigences des propriétés optoélectroniques de correspondance de réseau, de correspondance de courant et de haute performance. Pour obtenir une croissance optimale et une qualité cristalline optimale, la constante de réseau cristallin de chaque matériau doit correspondre étroitement, ce qui permet d’obtenir des dispositifs adaptés au réseau. Cette contrainte a été quelque peu assouplie dans les cellules solaires métamorphiques récemment développées, qui contiennent un faible degré de discordance de réseau. Cependant, un plus grand degré de mésappariement ou d'autres imperfections de croissance peuvent conduire à des défauts cristallins provoquant une dégradation des propriétés électroniques. Comme chaque sous-cellule est connectée électriquement en série, le même courant traverse chaque jonction. Les matériaux sont ordonnés avec des bandes interdites décroissantes, par exemple, permettant à la lumière de sous-bande interdite (hc / λ Catégories La technologie η (%) V _OC (V) I _SC (A) W / m² t (µm) Cellules de silicium cristallin Monocristallin 24,7 0.5 0,8 63 100 Polysilicium 20.3 0,615 8.35 211 200 Cellules solaires à couche mince Silicium amorphe 11.1 0,63 0,089 33 1 CdTe 16.5 0,86 0,029 – 5 CIGS 19,5 – – – 1 Cellules à jonctions multiples MJ 40,7 2.6 1,81 476 140

Les cellules solaires MJ et autres dispositifs photovoltaïques présentent des différences significatives (voir le tableau ci-dessus). Physiquement, la principale propriété d’une cellule solaire MJ est d’avoir plus d’une jonction pn afin d’attraper un spectre d’énergie photonique plus important, alors que la principale propriété de la cellule solaire à couche mince est d’utiliser des couches minces au lieu de couches épaisses. rapport coût / efficacité. En 2010, les panneaux solaires MJ sont plus chers que d’autres. Ces différences impliquent différentes applications: les cellules solaires MJ sont préférées dans l’espace et les cellules solaires c-Si pour les applications terrestres.

L’efficacité des cellules solaires et de la technologie solaire Si est relativement stable, tandis que l’efficacité des modules solaires et de la technologie multi-jonctions progresse.

Les mesures sur les cellules solaires MJ sont généralement effectuées en laboratoire, en utilisant des concentrateurs de lumière (ce qui n’est souvent pas le cas pour les autres cellules) et dans des conditions de test standard (STC). Les STC prescrivent, pour les applications terrestres, le spectre AM1.5 comme référence. Cette masse d’air (AM) correspond à une position fixe du soleil dans le ciel de 48 ° et à une puissance fixe de 833 W / m². Par conséquent, les variations spectrales de la lumière incidente et des paramètres environnementaux ne sont pas prises en compte sous STC.

Par conséquent, les performances des cellules solaires MJ en milieu terrestre sont inférieures à celles obtenues en laboratoire. De plus, les cellules solaires MJ sont conçues de telle manière que les courants correspondent à ceux du STC, mais pas nécessairement dans les conditions du terrain.On peut utiliser QE (λ) pour comparer les performances de différentes technologies, mais QE (λ) ne contient aucune information sur la correspondance des courants de sous-cellules. Un point de comparaison important est plutôt la puissance de sortie par unité de surface générée avec la même lumière incidente.

Applications

En 2010, le coût des cellules solaires MJ était trop élevé pour permettre une utilisation en dehors des applications spécialisées. Le coût élevé est principalement dû à la structure complexe et au prix élevé des matériaux. Néanmoins, avec des concentrateurs de lumière sous éclairage d’au moins 400 soleils, les panneaux solaires MJ deviennent pratiques.

Comme des matériaux multi-jonctions moins coûteux deviennent disponibles, d’autres applications impliquent une ingénierie de la bande interdite pour les microclimats avec des conditions atmosphériques variées.

Des cellules MJ sont actuellement utilisées dans les missions de rover Mars.

L’environnement dans l’espace est assez différent. Parce qu’il n’y a pas d’atmosphère, le spectre solaire est différent (AM0). Les cellules présentent une faible concordance de courant en raison d’un flux de photons supérieur à 1,87 eV par rapport à celui entre 1,87 eV et 1,42 eV. Il en résulte un courant trop faible dans la jonction GaAs et gêne l’efficacité globale puisque la jonction InGaP fonctionne en dessous du courant MPP et que la jonction GaAs fonctionne au-dessus du courant MPP. Pour améliorer la concordance actuelle, la couche InGaP est intentionnellement amincie pour permettre à des photons supplémentaires de pénétrer dans la couche inférieure de GaAs.

Dans les applications de concentration terrestre, la diffusion de la lumière bleue par l’atmosphère réduit le flux de photons au-dessus de 1,87 eV, ce qui permet de mieux équilibrer les courants de jonction. Les particules de rayonnement qui ne sont plus filtrées peuvent endommager la cellule. Il existe deux types de dommages: l’ionisation et le déplacement atomique. Néanmoins, les cellules MJ offrent une résistance au rayonnement plus élevée, une efficacité plus élevée et un coefficient de température plus faible.