Materials and concepts for inorganic photovoltaics

• Bulk Si solar cells

The photovoltaic industry will use for a very long time crystalline silicon wafers but their growth method (metallurgic Si, ribbon Si) and their impurity content (O, C, Al, Fe, Ti, B, P…) necessitate a very strong decrease of their thickness (<100 µm) in order to minimise the impact of the minority carrier diffusion length. The gettering, surface passivation, texturing, and metallisation steps become very important. Besides, the development of N type Si for photovoltaics is becoming a good alternative. Our research efforts will be based on developing innovative processes for surface passivation (Al2O3 dielectrics, AlN ...), for texturing (reactive plasma), doping and local metallisation (implantation, laser, lamps). The electric properties of metallurgic Si wafers and Si ribbon will be correlated with the impurity conents in these wafers before and after treatment.
Ongoing projects: ANR-BIFASOL ; AMI-DEMOS, EUROGIA-LAPSIS
Academic collaborations: INES-Chambery, INL-Lyon, ILV-Versailles, IUMN-Lille …
Collaborations with industry: PHOTOWATT, SOLARFORCE, EXCICO, IREPA-Laser …

• Thin film silicon cells

Thin film materials belong to the second generation of photovoltaic technologies. In particular, crystalline silicon provides several advantages: abundance (even in the gas phase), non-toxicity, easy recycling, chemical and thermal stability. However the disadvantages need to be tackled: indirect gap requiring high thicknesses, recombination defects, production costs. Our activities in this field are based on

o Investigation of new processes of elaboration of crystalline Si films on flexible substrates (metallic alloys ...), for instance the direct deposition of Si from a controlled plasma gas or the use of an ink containing silicon nanoparticles followed by sintering. The structural and electronic properties need to be correlated with the photovoltaic parameters of these structures.

o Development of methods for optical management in ultrathin Si in order to increase the path of photons and charge generation. Internal dielectric reflective films (ex. a-SiON:P, a-SiON:B), photonic crystals, metallic nanoparticle structures.

Projects: ANR-SILASOL ; FP7-POLYSIMODE
Academic collaborations: IMEC-B, HZB-DE, FhgISE-DE, INES-Chambery…
Collaborations with industry : PHOTOWATT, SUNTECH, IREPA-Laser, EXCICO …

• Nouveaux concepts pour le photovoltaïque

Conversion photonique par luminescence
L’augmentation du rendement de conversion passe par une exploitation totale du spectre solaire par la cellule de conversion. Parmi les différentes solutions, on peut citer les cellules à impuretés ou à bande intermédiaire, pour lesquelles une modification de la partie active de la cellule est nécessaire. Une autre idée originale consiste à modifier le spectre incident par conversion énergétique de ses photons, suivant deux manières : down-conversion ou DC et up-conversion ou UC. Dans le premier cas il s'agit de récupérer les photons par thermalisation et dans le deuxième les photons non absorbés. Nos investigations sont :

o Développement de couches à conversion à base d’oxynitrures de silicium contenant des nanocristaux de silicium dopés avec des ions de terres rares.

o Développement de couches conductrices transparentes (TCOs) à base de ZnO dopées avec un ou plusieurs ions de terres rares (Tb, Yb, Nd…) afin d’obtenir les propriétés de conversion recherchées. Il est également prévu des études de transfert de charges entre les couches ZnO et les nanoparticules de silicium.

Collaborations académiques: IPCMS-Strasbourg, IJL-Nancy, METU-Turquie…

Structures à effet plasmonique
L’application de la plasmonique dans le photovoltaïque est très récente et repose sur la potentialité de nanoparticules métalliques dispersées en surface ou en face arrière à exalter le champ électromagnétique et ainsi à augmenter l’absorption dans des couches minces, en particulier pour le silicium. Nous développons cette thématique en utilisant soit une méthode chimique (dépôt d’Ag puis recuit) soit une méthode physique (implantation ionique d’Ag ou Al dans une matrice diélectrique). Les verrous à lever portent sur la maîtrise des tailles et densité, la démonstration de l’efficacité de conversion et enfin l’intégration du procédé dans la cellule finale (en Si massif ou en couche mince).
Collaborations académiques: IJL-Nancy, IPCMS-Strasbourg, UTT- Troyes

Structures Tandem en silicium
La bande interdite du silicium cristallin peut être modulée par sa nanostructuration. Notre objectif est la réalisation de des cellules tandem à base de silicium en juxtaposant des matériaux Si avec différentes tailles de nanoparticules ou des nanofils.
Nos recherches s’orientent vers deux voies :

o Des structures contenant des nanoparticules de silicium dispersées d’une façon ordonnée dans une matrice diélectrique, et dont la bande interdite effective est contrôlée par la taille des nano-objets. Les défis scientifiques sont le contrôle du dopage de ces nanostructures (réalisé dans notre cas soit in-situ lors du dépôt par pulvérisation magnétron soit ex-situ par implantation ionique et recuit thermique ou laser) et la mesure de ses conséquences sur les aspects optiques et électroniques. Le défi technologique majeur est la fabrication d’une cellule sur ces structures.

o Des structures à nanofils de silicium obtenues par dépôt CVD de multicouches contenant des nanoparticules mais dans des conditions qui permettent la percolation de ces nanoparticules. Nos futurs travaux s’articuleront autour de l’élaboration de nanofils Si résultant du décapage de la matrice diélectriques, le dopage de ces nanofils, la détermination des propriétés optiques de ces structures verticales, et enfin la réalisation des cellules.

Collaborations académiques: IJL-Nancy, LMPO-Metz

Structures Tandem III-V sur silicium
L’utilisation de cellules Tandem, juxtaposant plusieurs semi-conducteurs chacun absorbant une partie du spectre solaire, semble une excellente option compte tenu des rendements de conversion déjà obtenus avec ce principe. Nous travaillons sur la formation de nouvelles cellules à multijonctions en combinant les avantages du silicium et ceux des matériaux III-V. Nous comptons développer des cellules à base d’alliage InGaN sur substrat silicium afin de transformer une bonne partie du spectre solaire et le convertir en charges électriques. Les objectifs scientifiques sont la compréhension des phénomènes de croissance d’alliage InGaN sur substrat Si en se servant de couches tampon. Les objectifs technologiques sont la réalisation de cellules tandem dont les rendements de conversion dépassent 30%, limite théorique pour des cellules à homojonction. Les objectifs environnementaux sont l’utilisation de moins de matière première (Si, In, Ga, …) pour des performances meilleures.
Projets: ANR-NOVAGAINS
Collaborations académiques: LGEP-Gif, GergiaTech-Metz,INL-Lyon…
Collaborations industriels : NOVATIONS