Équipe MaCÉPV - Matériaux pour Composants Électroniques et Photovoltaïques

ANR FERROPV

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Bienvenu sur la page de l'ANR FERROPV "Photovoltaïque à base de ferroélectriques" Anr2.jpg

Ce projet vise à développer des matériaux ferroélectriques pour des applications photovoltaïques, afin de créer des cellules solaires ferroélectriques tout oxyde et sans jonction pn.

Objectifs et enjeux

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Le photovoltaïque (PV) en couches minces inorganiques est principalement basé sur le CdTe, le Si amorphe ou le CIGS. Très récemment, les perovskites hybrides ont émergé avec un rendement maximum de 20.1%. Cependant, ces matériaux présentent des problèmes de stabilité, fiabilité, de toxicité et d’échelle (taille des cellules). Bien sûr, la recherche dans ce domaine s’attache à résoudre ces défis, mais le succès n’est pas garanti. Une voie alternative, les oxydes inorganiques, pourrait présenter des avantages significatifs. La largeur de bande interdite idéale pour une couche active photovoltaïque pour le spectre solaire est d’environ 1,3 eV. Cependant les oxydes avec de telles valeurs sont rares. L’un des oxydes les plus étudiés à ce jour comme couche active photovoltaïque est l’oxyde cuivreux Cu2O. Sa largeur de bande interdite est d’environ 2,1 eV et n’est donc pas idéale pour le spectre solaire. Les rendements de conversion n’excèdent généralement pas les 4%.

Dans ce projet nous proposons d’étudier un type de cellule solaire émergent qui est basé sur la ferroélectricité. Dans ce type de cellule solaire, une jonction p-n n’est pas forcément nécessaire, à l’opposé des cellules solaires conventionnelles. Des rendements de conversion intéressants commencent à être obtenus avec ce type de cellule (jusqu’à 8,1% en 2015), cependant les mécanismes ne sont toujours pas bien compris et plusieurs défis au niveau matériau et au niveau ingénierie doivent être relevés.

L’objectif de ce projet est d’initier une technologie photovoltaïque novatrice basée sur de nouveaux matériaux oxydes inorganiques et multifonctionnels avec des largeurs de bande interdite adaptées. Ces oxydes sont stables, non toxiques, abondants et manipulables avec un éventail important de méthodes et à grande échelle (taille des cellules). L’amélioration de leurs performances est possible en leur ajoutant un degré de multifonctionnalité.

Méthodes

Cinq tâches sont proposées dans ce projet, très structurées, qui mises ensemble permettront de maximiser les chances de succès. Nous visons à synthétiser des matériaux ferroélectriques qui absorbent une large partie du spectre solaire avec des largeurs de bande interdite réduites. Nous explorerons quatre types de matériaux aux propriétés prometteuses : BiMnO3, BiFeO3 dopé, Bi2FeCrO6, et TbMnO3 dopé. Pour ces matériaux, le projet consistera en la croissance de couches minces et l’évaluation de leurs propriétés structurales, optiques et électriques afin de mieux comprendre ces matériaux. Ensuite, les matériaux les plus prometteurs seront intégrés dans des cellules solaires tout oxyde et leur potentiel pour le photovoltaïque sera évalué.

Perspectives

L’énergie photovoltaïque est une composante majeure du développement des énergies renouvelables. Le moteur de croissance pour l’industrie photovoltaïque est l’augmentation des rendements, la diminution des coûts et la longévité des modules. Dans cette optique nous proposons une technologie photovoltaïque alternative, encore à ses débuts, basée sur des oxydes novateurs permettant une bonne stabilité et un développement à large échelle. Une partie du projet est dédiée à l’obtention de voies d’élaboration à moindre coût, par exemple par centrifugation. La possibilité d’utiliser des matériaux ferroélectriques comme couche active photovoltaïque permet de simplifier le procédé de fabrication des cellules solaires. En effet dans le cas d’une jonction p-n deux couches sont nécessaires alors qu’avec des cellules solaires ferroélectriques une seule couche est suffisante. De plus, la possibilité d’obtenir avec ces matériaux des tensions de circuit ouvert très importantes (exemple quelques dizaines de volts) ouvre de nouvelles perspectives, par exemple pour l’utilisation de ces cellules solaires dans des mémoires ou dispositifs qui nécessitent une tension élevé pour l’écriture.

Participants au 15/06/18

Coordinateur : Thomas Fix]
ICube : A. Quattropani, A. Slaoui, S. Roques
IPCMS : D. Stoeffler, B. Kundys, G. Schmerber, A. Dinia, J.L. Rehspringer, G. Versini, M. Rastei, M. Lenertz, S. Colis

Publications

[6] Thickness dependence and strain effects in ferroelectric Bi2FeCrO6 thin films, M. Rastei, F. Gellé, G. Schmerber, A. Quattropani, T. Fix, A. Dinia, A. Slaoui, S. Colis, ACS Appl. Energy Mater. 2, 8550 (2019)
[5] Investigation of KBiFe2O5 as a Photovoltaic Absorber, T. Fix, G. Schmerber, H. Wang, J.-L. Rehspringer, C. Leuvrey, S. Roques, M. Lenertz, D. Muller, H. Wang, A. Slaoui, ACS Appl. Energy Mater 2 (11), 8039-8044 (2019)
[4] Oxide and Ferroelectric Solar Cells, T. Fix, in Advanced micro- and nanomaterials for photovoltaics, Elsevier 2019, ISBN: 978-0-12-814501-2
[3] Tuning photovoltaic response in Bi2FeCrO6 films by ferroelectric poling, A. Quattropani, A. Makhort, M. V. Rastei, G. Versini, G. Schmerber, S. Barre, A. Dinia, A. Slaoui, J.-L. Rehspringer, T. Fix, S. Colis and B. Kundys, Nanoscale 10, 13761 (2018)
[2] Investigation of LaVO3 based compounds as a photovoltaic absorber, M. Jellite, J.-L. Rehspringer, M. A. Fazio, D. Muller, G. Schmerber, G. Ferblantier, S. Colis, A. Dinia, M. Sugiyama, A. Slaoui, D. Cavalcoli, T. Fix, Solar Energy 162, 1 (2018)
[1] Band-gap tuning in ferroelectric Bi2FeCrO6 double perovskite thin films, A. Quattropani, D. Stoeffler, T. Fix, G. Schmerber, M. Lenertz, G. Versini, J. L. Rehspringer, A. Slaoui, A. Dinia and S. Colis, Journal of Physical Chemistry C 122, 1070 (2018)