Couches minces de silicium pour l énergie solaire photovoltaïque: une réalité industrielle et un grand avenir

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1 Couches minces de silicium pour l énergie solaire photovoltaïque: une réalité industrielle et un grand avenir Pere Roca i Cabarrocas Laboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces CNRS, Ecole Polytechnique pere.roca@polytechnique.edu 1

2 Plan 1. Contexte 2. Couches minces de Silicium Silicium amorphe Silicium microcristallin Nanofils de silicium Couches épitaxiées 3. Bilan et perspectives Passé et Present Avenir 2

3 Les marchés du PV (1) 3

4 Les marchés du PV (2) Jerez de los Caballeros, 10 MW 4

5 Les marchés du PV (2) Moura (Portugal): 40 MW 5

6 Les marchés du PV (3) 6

7 Les marchés du PV (3) Centrale solaire de 12 MW sur le toit de l usine de General Motors à Zaragoza UniSolar 7

8 Le marché: puissance PV installée Source IEA (International Energy Agency) 30 à 50% de croissance par an! 8

9 Le rendement par filière III-V Silicium Couches minces Organique Source: Kazmerkski (2007, NREL, USA) 9

10 et le marché par filière a-si sur c-si 4% CIS 0,5% ruban de Si 0,9% CdTe 0,4% a-si 3,4% µc-si sur c-si 1,8% mono c-si 26,9% multi: mc-si 61,8% 10

11 Mot d ordre: réduire le coût ( /KWh) /kwh 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 900 h/y: 0.60 /kwh North of Europe 1800 h/y: 0.30 /kwh South of Europe Source EPIA Utility Peak Cost Bulk Cost 0, Comment? Augmenter la productivité Augmenter le rendement 11

12 Silicium amorphe hydrogéné (a-si:h) - Dépôt par plasma à basse température (~ 200 C) H 2 RF electrode SiH 4 GeH 4 Plasma Pumping e- PH 3 TMB Substrate Procédé basse température Grandes surfaces Palette de matériaux large Dépôt à partir de radicaux SiHx 12 4

13 Comment fait-on une cellule solaire? Contact Al N(a-Si:H) E c P I N E SnO 2 Intrinsèque a-si:h ~0.3 µm 10 nm P(a-SiC:H) E=hν E F Substrat verre E v J J m V m P max V oc V η = J P m V m incident = FF J P sc V incident oc J cc 13

14 Comment augmenter la vitesse de dépôt? Dépôt à partir de radicaux et de nanocristaux Matériau nanostructuré Nanocristaux de Si dans une matrice amorphe 4 nm Ordre à moyenne distance Meilleures propriétés électroniques Fonction d autocorrélation 14

15 De la cellule au module Dec-06 Jun-07 Jul-07 Aug-07 Oct-07 Jan-08 Feb-08 Mar-08 April-08 May , Initial Module Efficiency (%) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 1.5A/s 9A/s 10x10 cm ,00 V(V) V (Volts) On peut augmenter et la Date vitesse et le rendement! Projet ANR ATOS As 5As 8As I (Amps) I(A)

16 Comment augmenter le rendement? Back contacts µc-si:h Eg ~1.1 ev (Bottom 1.5 µm cell) a-si:h Eg a-si:h ~ 1.7 ev (Top cell) 0.3 µm TCO Glass Spectral response [a.u.] a-si:h µc-si:h Rendements proches de 15% Micromorph light Wavelength [nm] 16

17 Lignes de production clé en main Source Applied Materials Technologie mature Panneaux 17 PV de 5.7m 2

18 Comment dépasser 15%? 1. Cellules à base de nanofils 2. Silicium cristallin en couches minces 3. Structures à puits quantiques 4. Nanocristaux (QDs) 18

19 Croissance de nanofils de silicium Diffusion of Si in catalyst drops H + H + SnO 2 or ITO Cg (a) SiH x Dissolve & absorption Deposition interface Sn or In drops Cg (b) SiH x (or SiH x +H + ) Cg (c) Procédé basse température et grande surface Piégeage de la lumière dans la "forêt de nanofils" (b) 19

20 Cellules PIN sur nanofils de Si : vers les cellules de 3 ème génération $/W 0.2 $/W 0.5 $/W 80 Thermodynamic limit p-type SiNW i-layer n-layer Efficiency (%) rd 2 nd Single bandgap limit 1 st $/W 3.5 $/W p-type Glass or flexible sub SnO 2 Cost USD/m 2 20

21 Des pellicules de silicium cristallin Oxyde natif ultraminces ~ 1 micron Plaquette C-Si Nettoyage par plasma SiF 4 C-Si Dépôt d une couche épitaxiée C-Si C-Si Plaquette de c-si flexible Recuit pour fragiliser l interface Dépôt d une couche de polyamide (kapton) 21

22 Bilan & Perspectives Matériaux: a-si:h pm-si:h µc-si:h Epitaxie MQW Nanocristaux Nanofils Ge, C, Procédés: Procédé CVD plasma à basse température Structure de cellule: PIN Tandem Multijunction 4 terminaux Approche système 22

23 Rendement Feuille de route pour le silicium couches minces III-V c-si Couches minces de silicium 4T Pm-Si & c-si Forte accelération Junct. SiNWs, MQW Aspects procédé: - Vitesse de dépôt - Substrats flexibles 23

24 Couches minces de Si pour le Photovoltaïque : une réalité industrielle et de grandes perspectives Procédé Helianthos «Roll-to-Roll» Ag ITO Image SEM d un cellule pm-si:h 100mm x 100mm Module pm-si sur verre Epitaxie par PECVD GaAs pm-si:h SnO 2 :F Electroluminescence d un module pm-si:h nc s Ge Source plasma MDECR 24

25 Flexcell Merci de votre attention! UniSolar 25