Cellules Solaires: un condensé d optique et d électronique

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1 Cellules Solaires: un condensé d optique et d électronique Pere Roca i Cabarrocas LPICM, Ecole Polytechnique/CNRS, Palaiseau, France pere.roca@polytechnique.edu Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

2 Approach Synthesis of clusters and nanocrystals, Atoms Plasma ion Molecules bombardment, atomic hydrogen Experiments Radicals Polysilanes and modeling. Clusters Molecular dynamics studies Studies of powder formation 1 Å 1 nm 10 nm 0.1 m 1 m Since 1984 Materials Si, C, Ge, O, N, P, B In situ studies MHz RF Interfaces Matching Network PM Photoelastic modulator Lens Filter SiH Ar 4 Plasma box Analyzer 2 nm nc-si Si nanowires Solar cells From cells to modules elaboration, characterization and modeling I ds (A) DEVICES TFTs AMLCD, AMOLED 1E-6 1E-8 1E-10 1E-12 1E-14 =2 cm 2 /V.s V ds =0.1V W/L=200/ V gs (V) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre Polarizer Shutter Xe-arc lamp Optical dump Glass substrate He-Ne Optical fiber Monochromator PM Filter Nanoelectronics PL, electroluminescence Energie (ev) Flexible electronics Combined research on plasmas, materials and interfaces allows us to prepare for tomorrow s devices Intensité (a.u.) Effet de la pression sur l'intensité de la photoluminescence

3 PLAN I. Energie solaire Photovoltaïque. Contexte énergétique II. La cellule solaire: convertisseur photon-électron III. Les filières du PV IV. Troisième génération? V. Bilan et perspectives Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

4 Contexte Croissance de la population mondiale. En 2050 ~ 10 milliards d habitants Production de CO 2? Sustainable energy - without the hot air by David JC MacKay Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

5 Marché ~30% croissance/an Residential Roofs 34% Off-grid 0% p 1% 19% Power Plant >10,000 23% 9,000 23% Farm Roofs Commercial Roofs 6,400 Courtesy of EPIA Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

6 Prévisions Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

7 Courbe d aprentissage Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

8 2. La cellule solaire: un convertiseur photon-électron Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

9 Principe de base Effet photoélectrique Matériau avec au moins deux niveaux d énergie semi-conducteur E = h E c 1. Absorption 2. Thermalisation E v 3. Recombinaison 4. Séparation de charges Dans une cellule solaire on évite la recombinaison en créant un champ électrique qui sépare les électrons vers le contacte négatif et les trous vers le contacte positif Jonction P/N, Jonction PIN, Hétéro-jonction, Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

10 Cellules multi-jonction World record of 44% à 947 soleils Solar Junction Courtesy of Spectrolab, Inc. Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

11 Pourquoi la concentration? Tandem Ga 0.35 In 0.65 P/Ga 0.83 In 0.17 As solar cells 4 mm x 4 mm F. Dimroth, et. al., Progress in Photovoltaics 9, 165 (2001) Mais le rendement optique (lentille Fresnel) n est que de 80 à 85% Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

12 3. Les filières du PV Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

13 Filières et rendements III-V 16.3% Si Thin Films Dye Organic Source: NREL, USA Croissance industrielle Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

14 Le marché par filière > 80% du marché est basé sur du c-si Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

15 Cellules silicium Ag ITO pm-si:h SnO 2 :F Silicium cristallin (c-si) Epaisseur µm Approche top-down Couches minces Epaisseur 200nm-2µm Approche bottom up Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

16 Process jonction P/N Process flow Melting of Si at ~1500 C Ingot to bricks Bricks into wafers ~300 µm Diffusion oven POCl C junction PN Plasma etching of sides a-sin:h deposition Contact firing Quite simple process Contact annealing Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

17 C-Si lab cell record efficiency Inverted Pyramids Texturing Reflectance (%) Reflectance v.s. wavelength wavelength (nm) Martin A. Green. et al. Reflectance ~ 8% in monocrystalline Si wafers without the anti-reflection coating (ARC) Record for a c-si solar cell: Voc= 0.696V, Isc = 42 ma/cm2, FF= 0.836, Eff = 24.7% o Inverted pyramids o Excellent front and back surface passivation o Local emitter and rear contact (2D via lithography) o Too expensive! Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

18 Cellules industrielles, > 20% Cellule Saturne BP Solar Cellule RCC Sun Power Cellule HIT Sanyo Commnet reduire les coûts? Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

19 Laser processes They are making their way into the PV market Advantages: contactless material selective local, allows for 2D pattern (no lithography) Applications: Laser soldering for the strings Cell isolation Via drilling of holes into c-si (up to holes/sec) Local ablation of nm thin films (dielectric layers) Laser scribing in thin films Surface texturing: black silicon Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

20 Commercial devices Laser Fired Contacts (LFC): the aluminium rear contact is locally fired through a dielectric passivation layer. n+ Dielectric film c-si (p) p+ p+ p+ p+ p+ Al Advantages: Simultaneous creation of contact and p+ region (low recombination). Reduced thermal stress and avoid wafer bowing for thin substrates. Very fast process (1-3 s/wafer). 20 Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

21 Structuration laser fs Thèse Thibault J.-Y. Derrien, LP3 Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques Thèse Thibault J.-Y. Derrien,LP3 Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

22 PV Context: costs Fast cost reduction Strong competition Low cost process High cell efficienc Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

23 How to reduce costs? About 1/3 of the cost is due to the material ~300 µm thick wafer Decrease wafer thickness! New concepts, HIT structure Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

24 Even c-si can be flexible Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

25 c-si versus thin film Basis Metallurgical grade Silicon QM Gaz Process SiHCl 3 SiH 4 Siemens FBR Pyrolysis Carbothérmic Plasma torch PolySi Blocs Grains Pouders Blocs Ingots Wafers FZ, CZ monocrystalline 125x x156 mm Forn multicrystalline 125x x210 mm Thin Films Cells P/N junction, Heterojunction, RCC Modules

26 Procédés Plasma (PECVD) H 2 SiH 4 Electrode RF Points clé: Basse température GeH 4 PH 3 Plasma Pompage e- Grande surface Large gamme de matériaux TMB Substrat «Procédé simple" Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

27 PIN solar cells Contact Al N(a-Si:H) E c P I N E SnO 2 I a-si:h ~0.3 µm 10 nm P(a-SiC:H) E=h E F Glass Substrate J P m V m incident FF J P E v sc V incident oc ZnO Ag SEM image From a PIN cell ITO pm-si:h SnO 2 :F Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

28 Cellules tandem 15 Back contacts µc-si:h (Bottom cell) a-si:h (Top cell) TCO Glass Spectral Current response (ma) [a.u.] cm 2 Hybrid cell AM 1.5, 25 o C a-si:h (KANEKA double-light source simulator) Jsc: 14.4 ma/cm 2 Voc: 1.41 V F.F. : Eff: 14.5% µc-si:h Micromorph light Wavelength 0.5 [nm] Voltage (V) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

29 Triple Jonction 16.3% de rendement intial (Unisolar) 13.4 rendement stabilisé (LG electronics) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

30 Large Area Electronics Mature technology: uniform deposition on glass plates up to 6 m2 Laser patterning Quality Flat panel displays (AMLCDs) Amorphous & Microcrystalline silicon solar cells Back electrical contact (Sputter deposition) Back Glas Laser patterning Final Test Lamination Autoclave Washing Junction Box Attach Laser patterning Amorhous & microcrystalline Si- layers (PECVD) Sunfab Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

31 Des usines clé en main Coût de production 0.5 /W Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

32 Des modules flexibles Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

33 Optique et couches minces Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

34 Photonique et plasmonique Collaboration avec J.L. Pelouard, S. Colin (LPN) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

35 4. Troisième Génération? Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

36 Planar versus RJ Solar Cells Motivations for Building Radial Junction (RJ) 0.1 $/W Thin Film Solar Cell 100 Fabricate Si thin film solar cell in RJ architecture to promote performance Si nanowire matrix for strong light harvesting Economy in the step of TCO texturing Allowing thinner absorber for higher defect tolerance and stability Combine mature & low-cost thin film technology with VLS SiNW growth Vapor-Liquid-Solid (VLS) bottom-up represents a low-cost approach Efficiency (%) rd 2 nd 0.2 $/W 0.5 $/W 1 st p-type SiNW Cost USD/m 2 i-layer Thermodynamic limit Single bandgap limit n-layer 1.0 $/W 3.5 $/W Low temperature and compatible to the standard thin film deposition in PECVD system p-type All-in-situ fabrication: ideally one-pump-down Glass or flexible sub SnO 2 Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

37 One pump down process LPICM approach: use well established PECVD processes (a) (b) Sn 1nm ZnO:Al Corning glass H 2 plasma ZnO:Al Corning glass Sn catalyst drops ITO N-aSi:H I-aSi:H P-SiNW (c) d) P-type SiNWs growth (d) ZnO:Al Corning glass ITO / N+ a-si:h / i a-si:h covering 2.5 cm ZnO:Al Corning glass Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

38 Recent Results 0.8 x10 8 /cm 2 2 µm 1.8 x10 8 /cm 2 2 µm 2 µm 2 µm Efficiency (%) 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5, Density of SiNWs (10 8 /cm 2 ) J-V Characteristics for the density of 1,8x10 8 /cm 2 10 Radial junction solar cell 5 with i-layer of ~100 nm Current Density (ma/cm 2 ) Voc=0,79 V Jsc=16,5 ma/cm 2 FF= 63% Eff=8,2% -0,4-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Voltage (V) 2.8 x10 8 /cm without SiC with SiC in n+ layer 2 µm 4.2 x10 8 /cm 2 2 µm 2 µm 2 µm EQE (%) SiNW density: 0,8x10 8 /cm 2 1,8x10 8 /cm 2 2,8x10 8 /cm 2 4,2x10 8 /cm 2 5,5x10 8 /cm Wavelength (nm) EQE (%) Jsc by EQE integration: without SiC: 14,1 ma/cm 2 with SiC: 14,8 ma/cm Wavelength (nm) 5.5 x10 8 /cm 2 Record efficiency of 8.2% is demonstrated 2 µm 2 µm Use of high bandgap SiC in the n+ layer helps to obtain better spectral response in the low wavelength region. Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

39 Towards high-performance & low-cost 3 rd RJ-PV Go for a tandem or triple Radial junction solar cell! (Google radial junction solar cells to see details) Solar Energy Materials & Solar Cells, 94, 1855 (2010); Progress. in Photovoltaics: Research & Applications, /pip.1245 (2011) Nanotechnology, 23, (2012) (Invited) + 2 other publications Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

40 5. Bilan et Perspectives Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

41 c-si et Couches Minces Deux voies parallèles? Jusqu à Quand? Thin film Si based Polymorphous silicon µc-si:h,f Epitaxial growth From cells to modules, 4Terminal System approach SiNW radial junction c-si based TCOs, Light trapping, Modeling Heterojunction solar cells P/N junctions (epitaxy of P and N layers Plasma cleaning Plasma texturing Up to 16.3% so far Up to 25% Increase efficiency Reduce costs Merging of technologies Towards high efficiency (> 25%) via low cost plasma processes Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

42 48 36 Roadmap for thin film PV III-V 3 Junct. SiNWs, MQW Efficiency 24 c-si Thin Film Silicon 4T Pm-Si & c-si Process side: - Higher dep. rate -Flex. Substrates - Low Temperature Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

43 Institut d Excellence sur les Energies Décarbonnées IPVF Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

44 La parité réseau en Europe dès Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

45 Remerciements Equipe de Recherche Commune Total-LPICM Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre

46 Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse Octobre