Cellules Solaires: un condensé d optique et d électronique Pere Roca i Cabarrocas LPICM, Ecole Polytechnique/CNRS, 91128 Palaiseau, France pere.roca@polytechnique.edu Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 1
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 13.56 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=200/40-5 0 5 10 15 20 V gs (V) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 2 Polarizer Shutter Xe-arc lamp Optical dump Glass substrate He-Ne Optical fiber Monochromator PM Filter Nanoelectronics PL, electroluminescence 1.5 2.0 2.5 Energie (ev) Flexible electronics Combined research on plasmas, materials and interfaces allows us to prepare for tomorrow s devices Intensité (a.u.) 50 40 30 20 10 0 800 1600 3500 2400 Effet de la pression sur l'intensité de la photoluminescence
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 17-19 Octobre 2012 3
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 www.withouthotair.com Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 4
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 17-19 Octobre 2012 5
Prévisions Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 6
Courbe d aprentissage http://www.itrpv.net/ Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 7
2. La cellule solaire: un convertiseur photon-électron Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 8
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 17-19 Octobre 2012 9
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 17-19 Octobre 2012 10
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 17-19 Octobre 2012 11
3. Les filières du PV Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 12
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 17-19 Octobre 2012 13
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 17-19 Octobre 2012 14
Cellules silicium Ag ITO pm-si:h SnO 2 :F Silicium cristallin (c-si) Epaisseur 180-300 µm Approche top-down Couches minces Epaisseur 200nm-2µm Approche bottom up Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 15
Process jonction P/N Process flow Melting of Si at ~1500 C Ingot to bricks Bricks into wafers ~300 µm Diffusion oven POCl 3 800 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 17-19 Octobre 2012 16
C-Si lab cell record efficiency Inverted Pyramids Texturing Reflectance (%) Reflectance v.s. wavelength 25 20 15 10 5 0 350 450 550 650 750 850 950 1050 1150 1250 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 17-19 Octobre 2012 17
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 17-19 Octobre 2012 18
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 10.000 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 17-19 Octobre 2012 19
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 17-19 Octobre 2012 20
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 17-19 Octobre 2012 21
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 17-19 Octobre 2012 22
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 17-19 Octobre 2012 23
Even c-si can be flexible Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 24
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 125x125...156x156 mm Forn multicrystalline 125x125...210x210 mm Thin Films Cells P/N junction, Heterojunction, RCC Modules
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 17-19 Octobre 2012 26
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 17-19 Octobre 2012 27
Cellules tandem 15 Back contacts µc-si:h (Bottom cell) a-si:h (Top cell) TCO Glass Spectral Current response (ma) [a.u.] 10 5 1 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. : 0.719 Eff: 14.5% µc-si:h Micromorph light 400 600 800 1000 0 Wavelength 0.5 [nm] 1 1.5 0 Voltage (V) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 28
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 17-19 Octobre 2012 29
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 17-19 Octobre 2012 30
Des usines clé en main Coût de production 0.5 /W Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 31
Des modules flexibles Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 32
Optique et couches minces Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 33
Photonique et plasmonique Collaboration avec J.L. Pelouard, S. Colin (LPN) Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 34
4. Troisième Génération? Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 35
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 (%) 80 60 40 20 3 rd 2 nd 0.2 $/W 0.5 $/W 1 st 0 0 100 200 300 400 500 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 17-19 Octobre 2012 36
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 17-19 Octobre 2012 37
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 5,5 0 1 2 3 4 5 6 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 ) 0-5 -10-15 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 2 80 70 80 without SiC with SiC in n+ layer 2 µm 4.2 x10 8 /cm 2 2 µm 2 µm 2 µm EQE (%) 60 50 40 30 20 10 0 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 2 400 500 600 700 800 Wavelength (nm) EQE (%) 60 40 20 0 Jsc by EQE integration: without SiC: 14,1 ma/cm 2 with SiC: 14,8 ma/cm 2 400 500 600 700 800 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 17-19 Octobre 2012 38
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, 10.1002/pip.1245 (2011) Nanotechnology, 23, 194011 (2012) (Invited) + 2 other publications Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 39
5. Bilan et Perspectives Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 40
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 17-19 Octobre 2012 41
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 12 8 4 0 1975 1985 1995 2005 2015 2025 Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 42
Institut d Excellence sur les Energies Décarbonnées IPVF Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 43
La parité réseau en Europe dès 2015 http://federationpvif.lgep.supelec.fr/ Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 44
Remerciements Equipe de Recherche Commune Total-LPICM Pere Roca i Cabarrocas, Journées Nationales du ROP de la MRCT, Cargèse 17-19 Octobre 2012 45
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