1

Pere Roca i CabarrocasLaboratoire de Physique des Interfaces et Couches Minces

CNRS, Ecole Polytechniquepere.roca@polytechnique.edu

Couches minces de silicium pourl’énergie solaire photovoltaïque:

une réalité industrielleet un grand avenir

2

1. Contexte

2. Couches minces de Silicium

• Silicium amorphe

• Silicium microcristallin

• Nanofils de silicium

• Couches épitaxiées

3. Bilan et perspectives

Passéet

Present

Avenir

Plan

3

Les marchés du PV (1)

4

Jerez de los Caballeros, 10 MW

Les marchés du PV (2)

5

Moura (Portugal): 40 MWLes marchés du PV (2)

6

Les marchés du PV (3)

7

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

UniSolar

8

Le marché: puissance PV installéeSource IEA (International Energy Agency)

30 à 50% de croissancepar an !

9

Source: Kazmerkski (2007, NREL, USA)

III-V

Silicium

Couches minces

Organique

Le rendement par filière

10

multi: mc-Si61,8%

mono c-Si

26,9%

a-Si3,4%

µc-Si sur c-Si1,8%

a-Si sur c-Si4%

ruban de Si0,9%CIS

0,5%

CdTe0,4%

et le marché par filière

11

Mot d’ordre: réduire le coût (€/KWh)

Comment ?Augmenter la productivitéAugmenter le rendement

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1990 2000 2010 2020 2030 2040

€/kWh 900 h/y: 0.60 €/kWh

North of Europe

1800 h/y: 0.30 €/kWh

South of Europe

Utility Peak Cost

Bulk Cost

Source EPIA

12

e-

4

Pumping

RF electrode

Plasma

Substrate

SiH4

PH3

GeH4

H2

TMB

Silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H)

Dépôt à partir de radicaux SiHx

- Dépôt par plasma à basse température (~ 200 °C)

Procédé basse températureGrandes surfaces

Palette de matériaux large

13

P I NE

Ev

Ec

EF

incident

ocsc

incident

mm

PVJFF

PVJ ⋅⋅

=⋅

=η

10 nm P(a-SiC:H)

Intrinsèque a-Si:H ~0.3 µm

N(a-Si:H)Contact Al

SnO2

Substrat verre

E=hν

J

V

Jcc

Voc

Pmax

Vm

Jm

Comment fait-on une cellule solaire ?

14

Comment augmenter la vitesse de dépôt ?• Dépôt à partir de radicaux et de nanocristaux

4 nm

Matériau nanostructuréNanocristaux de Si

dans une matrice amorphe

Fonction d’autocorrélationOrdre à moyenne distance

Meilleures propriétésélectroniques

15

De la cellule au module

Dec

-06

Jun-

07

Jul-0

7

Aug-

07

Oct

-07

Jan-

08

Feb-

08

Mar

-08

April

-08

May

-08 --

2

3

4

5

6

7

8

9

Initi

al M

odul

e E

ffici

ency

(%)

Date

1.5As 5As 8As

V (Volts)

0 1 2 3 4 5 6 7 80,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

1.5A/s

I(A)

V(V)

9A/s

I (A

mps

)

On peut augmenter et la vitesse et le rendement !

Projet ANR ATOS

10x10 cm

16

Comment augmenter le rendement ?

400 600 800 1000

Spec

tral

res

pons

e [a

.u.]

Wavelength [nm]

a-Si:H

µc-Si:H

Micromorph

light

GlassTCO

µc-Si:H

(Bottom cell)

a-Si:H(Top cell)

Back contacts

Rendements proches de 15%

µc-Si:HEg ~1.1 eV

1.5 µm

a-Si:HEg ~ 1.7 eV

0.3 µm

17

Lignes de production “clé en main”

• Technologie mature• Panneaux PV de 5.7m2

Source Applied Materials

18

Comment dépasser 15% ?

• 1. Cellules à base de nanofils

• 2. Silicium cristallin en couches minces

• 3. Structures à puits quantiques

• 4. Nanocristaux (QDs)

• …

19

Croissance de nanofils de silicium

• Procédé basse température et grande surface• Piégeage de la lumière dans la "forêt de nanofils"

SnO2 or ITO

H+ H+

Cg

Cg

SiHx (or SiHx +H+)

Cg

SiHx (or SiHx +H+)SiHx

Deposition interface

Diffusion of Si in catalyst drops

Dissolve & absorption

(a)

Sn or In drops

Cg (b)

(c)

(b)(b)

20

Cellules PIN sur nanofils de Si :vers les cellules de 3ème génération

0 100 200 300 400 5000

20

40

60

80

100 0.2 $/W 0.5 $/W

1.0 $/W

3.5 $/W

0.1 $/W

Effic

ienc

y (%

)

Cost USD/m2

1st2nd

3 rdSingle bandgap limit

Thermodynamic limit

SnO2Glass or flexible sub

p-type SiNW

p-ty

pe

i-layer n-layer

21

Des pellicules de silicium cristallinultraminces ~ 1 micron

Plaquette C-Si

Oxyde natif

C-Si

Nettoyage par plasma SiF4

C-Si

Dépôt d’une couche épitaxiée

Dépôt d’une couche de

polyamide (kapton)

C-Si

Recuit pour fragiliser l’interface

Plaquette de c-Siflexible

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Bilan & PerspectivesMatériaux:

● pm-Si:H● µc-Si:H

● a-Si:H

● Epitaxie● MQW● Nanocristaux● Nanofils● Ge, C,…

Procédés:● Procédé CVD plasma

à basse température● PIN● Tandem● Multijunction● 4 terminaux● Approche

système

Structurede cellule:

23

Feuille de route pour le silicium couches minces

III-V

c-Si

Couches mincesde silicium

1975 1985 1995 2005 2015 20250

12

4

24

36

8

48

4TPm-Si & c-Si

3 Junct.SiNWs,MQW

Ren

dem

ent

Forte ac

celér

ation

Aspects procédé:- Vitesse de dépôt- Substrats flexibles

24

Electroluminescence d’un module pm-Si:HSnO2:F

pm-Si:H

ITO

Ag

Image SEM d’uncellule pm-Si:H

Procédé Helianthos« Roll-to-Roll »

100mm x 100mm Module pm-Si

sur verre

Source plasma MDECR

GaAs

nc’s Ge

Epitaxie par PECVD

Couches minces de Sipour le Photovoltaïque :une réalité industrielle

et de grandes perspectives

25

Merci de votre attention !

UniSolar

Flexcell