FR3118531A1 - Two-terminal tandem photovoltaic cell and associated method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux et procédé de fabrication associé Cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux et procédé de fabrication associé La présente invention concerne une cellule photovoltaïque tandem (1) comprenant - au moins une cellule arrière (5),- au moins une cellule avant (7),- une pluralité de couches transparentes conductrices (10) assurant le collage entre la cellule avant (7) et la cellule arrière (5). Fig.1 Two-terminal tandem photovoltaic cell and associated manufacturing method Two-terminal tandem photovoltaic cell and associated manufacturing method The present invention relates to a tandem photovoltaic cell (1) comprising - at least one rear cell (5), - at least one front cell (7), - a plurality of transparent conductive layers (10) providing bonding between the front cell ( 7) and the rear cell (5). Fig.1
Description
La présente invention concerne une cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux permettant une conversion de l’énergie des rayons lumineux en énergie électrique ainsi qu’un procédé de fabrication d’une telle cellule photovoltaïque tandem.The present invention relates to a tandem photovoltaic cell with two terminals allowing conversion of the energy of light rays into electrical energy as well as a method of manufacturing such a tandem photovoltaic cell.
Avec le réchauffement climatique et le tarissement des énergies fossiles, de nombreuses technologies ont été développées au cours des dernières années afin d’utiliser des ressources alternatives et notamment des énergies renouvelables. Une de ces principales technologies concernent l’utilisation de cellules photovoltaïques pour convertir l’énergie solaire en électricité.With global warming and the drying up of fossil fuels, many technologies have been developed in recent years to use alternative resources and in particular renewable energies. One of these main technologies concerns the use of photovoltaic cells to convert solar energy into electricity.
Afin d’améliorer l’efficacité des cellules photovoltaïques, des cellules tandem comprenant une superposition de deux cellules photovoltaïques ayant des spectres d’absorption différents ont été développées.In order to improve the efficiency of photovoltaic cells, tandem cells comprising a superposition of two photovoltaic cells with different absorption spectra have been developed.
Différentes configurations de cellules tandem ont été développées pour permettre la récupération des courants électriques produits et notamment les cellules tandem à deux terminaux dans lequel les deux cellules sont assemblées en série.Different configurations of tandem cells have been developed to allow the recovery of the electric currents produced and in particular tandem cells with two terminals in which the two cells are assembled in series.
L’une des difficultés des cellules tandem à deux terminaux est donc d’obtenir un assemblage entre les deux cellules photovoltaïques permettant une conduction électrique entre les deux cellules tout en maximisant la transparence de la liaison entre les deux cellules photovoltaïques.One of the difficulties of tandem cells with two terminals is therefore to obtain an assembly between the two photovoltaic cells allowing electrical conduction between the two cells while maximizing the transparency of the connection between the two photovoltaic cells.
Selon un mode de réalisation connu, les deux cellules photovoltaïques sont empilées l’une sur l’autre par un « collage direct » c'est-à-dire sans couches intermédiaires supplémentaires. Cependant, pour permettre un tel collage direct, les surfaces de contact des deux cellules doivent être traitées de manière à permettre le collage entre les deux cellules. Ce traitement requiert des moyens importants et notamment des surfaces parfaitement planes et non rugueuses, et exemptes de particules, et une atmosphère contrôlée au cas où les surfaces nécessitent une activation de surface pour favoriser le collage.According to a known embodiment, the two photovoltaic cells are stacked on top of each other by "direct bonding", that is to say without additional intermediate layers. However, to allow such direct bonding, the contact surfaces of the two cells must be treated so as to allow bonding between the two cells. This treatment requires significant means and in particular perfectly flat and non-rough surfaces, and free of particles, and a controlled atmosphere in the event that the surfaces require surface activation to promote bonding.
Il existe également des solutions connues dans lesquelles des couches intermédiaires sont utilisées entre les deux cellules pour obtenir le « collage » des cellules.There are also known solutions in which intermediate layers are used between the two cells to obtain the "bonding" of the cells.
Cependant de telles solutions impliquent généralement des procédés de fabrication complexes et/ou introduisent des pertes optiques ou électriques.However, such solutions generally involve complex manufacturing processes and/or introduce optical or electrical losses.
Il convient donc de fournir une solution permettant de surmonter au moins partiellement les inconvénients précités de l’état de la technique pour fournir un procédé de collage ne nécessitant pas de moyens coûteux tout en maximisant l’efficacité de la cellule tandem.It is therefore appropriate to provide a solution making it possible to at least partially overcome the aforementioned drawbacks of the state of the art in order to provide a bonding method that does not require expensive means while maximizing the efficiency of the tandem cell.
A cet effet, l’invention a pour objet une cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux comprenant:
- au moins une cellule arrière ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type,
- une pluralité de couches transparentes conductrices assurant le collage entre la cellule avant et la cellule arrière comprenant:
- une première et une deuxième couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm et configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule avant et la cellule arrière ,
- une première et une deuxième couches d’un deuxième type à base d’un matériau flexible transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm et dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7, les dites première et deuxième couches d’un deuxième type étant configurées pour être disposées respectivement en contact avec la première et la deuxième couches du premier type,
- une couche d’un troisième type à base d’un matériau flexible transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7 et disposée entre la première et la deuxième couches du deuxième type et configurée pour permettre l’adhésion entre la première et la deuxième couches du deuxième type.To this end, the subject of the invention is a tandem photovoltaic cell with two terminals comprising:
- at least one rear cell having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell having a second light absorption spectrum associated with a second type of photon whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of conductive transparent layers providing bonding between the front cell and the rear cell comprising:
- a first and a second layer of a first type whose refractive optical index is greater than 1.8, the thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150 nm and 250 nm and configured to be arranged respectively in contact with the front cell and the rear cell,
- a first and a second layer of a second type based on a mesoporous transparent conductive flexible material whose pore diameter is less than 100 nm and whose optical index of refraction is less than 1.7, said first and second layers of a second type being configured to be placed respectively in contact with the first and second layers of the first type,
- a layer of a third type based on a conductive transparent flexible material whose optical index of refraction is less than 1.7 and placed between the first and the second layers of the second type and configured to allow adhesion between the first and second layers of the second type.
L’utilisation d’une pluralité de couches transparentes conductrices avec des couches d’un premier type assurant une fonction antireflet, des couches d’un deuxième type assurant un contraste d'indice de réfraction, une adaptation mécanique (absorption des contraintes) et une absorption des éventuels gaz émis pendant le collage et des couches d’un troisième type pour permettre l’adhésion des couches du deuxième type permet d’obtenir un collage ne nécessitant pas de préparation des surfaces tout en obtenant des pertes optiques réduites. Le contraste d'indice de réfraction des couches d’un deuxième type permet également d’obtenir un piégeage de la lumière conduisant à une augmentation du courant de court-circuit entre la cellule avant et la cellule arrière et une augmentation de la tension de circuit ouvert dans la cellule supérieure grâce au recyclage de photons.The use of a plurality of transparent conductive layers with layers of a first type providing an antireflection function, layers of a second type providing refractive index contrast, mechanical adaptation (absorption of stresses) and absorption of any gases emitted during the bonding and of the layers of a third type to allow the adhesion of the layers of the second type makes it possible to obtain a bonding which does not require surface preparation while obtaining reduced optical losses. The refractive index contrast of the layers of a second type also makes it possible to obtain light trapping leading to an increase in the short-circuit current between the front cell and the rear cell and an increase in the circuit voltage opened in the upper cell thanks to the recycling of photons.
Par flexible, on entend ici un matériau dont le module d’Young E est inférieur à 10GPa.By flexible, we mean here a material whose Young's modulus E is less than 10 GPa.
La présente invention concerne également une cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux comprenant:
- au moins une cellule arrière ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type,
- une pluralité de couches transparentes conductrices assurant le collage entre la cellule avant et la cellule arrière comprenant:
- une première et une deuxième couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm et configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule arrière et la cellule avant,
- une couche d’un deuxième type à base d’un matériau flexible transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm et dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7, ladite couche du deuxième type étant configurée pour permettre l’adhésion entre la première et la deuxième couches du premier type.The present invention also relates to a two-terminal tandem photovoltaic cell comprising:
- at least one rear cell having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell having a second light absorption spectrum associated with a second type of photon whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of conductive transparent layers providing bonding between the front cell and the rear cell comprising:
- a first and a second layer of a first type whose refractive optical index is greater than 1.8, the thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150 nm and 250 nm and configured to be arranged in contact with the rear cell and the front cell respectively,
- a layer of a second type based on a flexible transparent mesoporous conductive material whose pore diameter is less than 100 nm and whose optical index of refraction is less than 1.7, said layer of the second type being configured to allow adhesion between the first and second layers of the first type.
La présente invention concerne également une cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux comprenant:
- au moins une cellule arrière ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type,
- une pluralité de couches transparentes conductrices assurant le collage entre la cellule avant et la cellule arrière comprenant:
- une première et une deuxième couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm et configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule arrière et la cellule avant,
- une couche d’un troisième type à base d’un matériau transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7 et disposée entre la première et la deuxième couches du premier type et configurée pour permettre l’adhésion entre la première et la deuxième couches du premier type.The present invention also relates to a two-terminal tandem photovoltaic cell comprising:
- at least one rear cell having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell having a second light absorption spectrum associated with a second type of photon whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of conductive transparent layers providing bonding between the front cell and the rear cell comprising:
- a first and a second layer of a first type whose refractive optical index is greater than 1.8, the thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150 nm and 250 nm and configured to be arranged in contact with the rear cell and the front cell respectively,
- a layer of a third type based on a transparent conductive material whose optical index of refraction is less than 1.7 and placed between the first and second layers of the first type and configured to allow adhesion between the first and second layers of the first type.
Selon un autre aspect de la présente invention, la première et la deuxième couche du premier type ont une résistance de contact inférieure à 1 Ω.cm2 avec les couches adjacentes.According to another aspect of the present invention, the first and the second layer of the first type have a contact resistance of less than 1 Ω.cm2 with the adjacent layers.
Selon un autre aspect de la présente invention, la première et la deuxième couche du premier type sont formées par une sous-couche d’oxyde d’indium-etain (ITO) et une sous-couche d’oxyde de titane.According to another aspect of the present invention, the first and the second layer of the first type are formed by an indium-tin oxide (ITO) underlayer and a titanium oxide underlayer.
Selon un autre aspect de la présente invention, le matériau flexible transparent conducteur mésoporeux est de l’oxyde d’étain.According to another aspect of the present invention, the mesoporous conductive transparent flexible material is tin oxide.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche du troisième type est déposée sous la forme d’une fine couche d’un métal dont l’oxyde est un oxyde conducteur transparent, ledit métal étant configuré pour être diffusé et oxydé dans les couches du deuxième type à basse température (< 400 °C).According to another aspect of the present invention, the layer of the third type is deposited in the form of a thin layer of a metal whose oxide is a transparent conductive oxide, said metal being configured to be diffused and oxidized in the layers of the second type at low temperature (< 400°C).
Dans un premier temps, la fusion à basse température du métal permet le collage par brasure métal-métal ou métal-céramique et dans un second temps son oxydation permet d’obtenir une couche transparente conductrice.Initially, the low temperature melting of the metal allows bonding by metal-metal or metal-ceramic brazing and then its oxidation makes it possible to obtain a transparent conductive layer.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche du troisième type comprend de l’indium.According to another aspect of the present invention, the layer of the third type comprises indium.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche du troisième type comprend un oxyde conducteur transparent configuré pour être déposé par une voie sol-gel.According to another aspect of the present invention, the layer of the third type comprises a transparent conductive oxide configured to be deposited by a sol-gel route.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche du troisième type est réalisée à base d’une solution comprenant des nano-particules d’oxyde conducteur transparent.According to another aspect of the present invention, the layer of the third type is produced based on a solution comprising nano-particles of transparent conductive oxide.
Selon un autre aspect de la présente invention, la couche du troisième type a une épaisseur inférieure à 40nm et comprend un polymère conducteur tel que le PEDOT:PSS.According to another aspect of the present invention, the layer of the third type has a thickness of less than 40 nm and comprises a conductive polymer such as PEDOT:PSS.
Selon un autre aspect de la présente invention, la, au moins une, cellule avant est une cellule à base d’éléments III-V, c’est-à-dire à base d’éléments contenus dans la troisième et la cinquième colonne du tableau périodique des éléments.According to another aspect of the present invention, the, at least one, front cell is a cell based on III-V elements, that is to say based on elements contained in the third and the fifth column of the periodic table of elements.
Selon un autre aspect de la présente invention, la, au moins une, cellule avant est une cellule à base de Perovskite.According to another aspect of the present invention, the at least one front cell is a Perovskite-based cell.
Selon un autre aspect de la présente invention, la, au moins une cellule arrière est une cellule à base de silicium.According to another aspect of the present invention, the at least one rear cell is a silicon-based cell.
Selon un autre aspect de la présente invention, les couches du premier type ont une épaisseur comprise entre 80nm et 120nm et un indice de réfraction supérieur à 2, les couches du deuxième type ont une épaisseur comprise entre 250nm et 350nm et un indice optique de réfraction compris entre 1,1 et 1,3 et la couche du troisième type a une épaisseur comprise entre 15 et 45 nm et un indice optique de réfraction compris entre 1,3 et 1,5.According to another aspect of the present invention, the layers of the first type have a thickness comprised between 80nm and 120nm and a refractive index greater than 2, the layers of the second type have a thickness comprised between 250nm and 350nm and an optical index of refraction between 1.1 and 1.3 and the layer of the third type has a thickness between 15 and 45 nm and an optical index of refraction between 1.3 and 1.5.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux comprenant:
- au moins une cellule arrière ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type ,
- une pluralité de couches transparentes conductrices assurant le collage entre la cellule avant et la cellule arrière comprenant:
- une première et une deuxième couches d’un premier type dont l’indice optique est supérieur à 1,8, dont l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm,
- une première et une deuxième couches d’un deuxième type à base d’un matériau flexible transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm et dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7,
- une couche d’un troisième type comprenant un matériau transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7 et une fine couche d’un métal dont l’oxyde est un oxyde conducteur transparent,
le procédé de fabrication comprenant la diffusion et l’oxydation du métal de la couche du troisième type dans les couches du deuxième type.The present invention also relates to a method of manufacturing a two-terminal tandem photovoltaic cell comprising:
- at least one rear cell having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell having a second light absorption spectrum associated with a second type of photon whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of conductive transparent layers providing bonding between the front cell and the rear cell comprising:
- a first and a second layer of a first type whose optical index is greater than 1.8, whose thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150 nm and 250 nm,
- a first and a second layer of a second type based on a mesoporous transparent conductive flexible material whose pore diameter is less than 100 nm and whose optical index of refraction is less than 1.7,
- a layer of a third type comprising a transparent conductive material whose refractive optical index is less than 1.7 and a thin layer of a metal whose oxide is a transparent conductive oxide,
the manufacturing process comprising the diffusion and oxidation of the metal of the layer of the third type in the layers of the second type.
Selon un autre aspect de la présente invention, les différentes couches et cellules de la cellule photovoltaïque tandem sont assemblées par déposition, notamment dépôt par enduction par centrifugation ou enduction par immersion (dip coating), et/ou par pulvérisation (spary coating) et/ou lamination.According to another aspect of the present invention, the various layers and cells of the tandem photovoltaic cell are assembled by deposition, in particular deposition by coating by centrifugation or coating by immersion (dip coating), and/or by spraying (spary coating) and/ or lamination.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the following description, given by way of illustrative and non-limiting example, and the appended drawings, among which:
Dans ces figures, les éléments identiques portent les mêmes références. Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.In these figures, identical elements bear the same references. The following achievements are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not necessarily mean that each reference is to the same embodiment, or that the features apply only to a single embodiment. Simple features of different embodiments can also be combined or interchanged to provide other embodiments.
a) Premier mode de réalisationa) First embodiment
La
La cellule photovoltaïque tandem 1 comprend également une cellule avant 7 associée au deuxième terminal 3b. La cellule avant 7 a un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons plus énergétiques que les photons du premier type correspondant par exemple au spectre bleu de la lumière. La cellule avant 7 est par exemple une cellule à base d’éléments III-V ou à base de Perovskite.The tandem photovoltaic cell 1 also includes a front cell 7 associated with the second terminal 3b. The front cell 7 has a second light absorption spectrum associated with a second type of photons which are more energetic than the photons of the first type corresponding for example to the blue spectrum of light. The front cell 7 is for example a cell based on III-V elements or based on Perovskite.
La cellule photovoltaïque tandem 1 comprend également une pluralité de couches transparentes conductrices 10 (« transparent conductive layers (TCL) » en anglais) assurant le collage entre la cellule avant 7 et la cellule arrière 5. La transparence de ces couches est nécessaire dans la plage 700nm-1200nm. Par transparence, on entend qu’au moins 90 % de la lumière est transmise. La résistance totale de la pluralité des couches transparentes conductrices 10 est inférieure à 10Ω.cm².The tandem photovoltaic cell 1 also comprises a plurality of transparent conductive layers 10 (“transparent conductive layers (TCL)” in English) ensuring the bonding between the front cell 7 and the rear cell 5. The transparency of these layers is necessary in the range 700nm-1200nm. By transparency, we mean that at least 90% of the light is transmitted. The total resistance of the plurality of transparent conductive layers 10 is less than 10Ω.cm².
L’empilement de couches transparentes conductrices 10 comprend une première 11a et une deuxième 11b couches d’un premier type configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule arrière 5 et la cellule avant 7. Les couches du premier type 11a, 11b ont un indice optique de réfraction noté n supérieur à 1,8, par exemple un indice n égal ou supérieur à 2,2 de manière à limiter les réflexions optiques et former une couche anti-reflet. De plus l’épaisseur de couches du premier type 11a, 11b est telle que le produit de l’épaisseur e par l’indice optique n est compris entre 150nm et 250nm. L’épaisseur des couches du premier type 11a, 11b est par exemple d’environ 100nm.The stack of transparent conductive layers 10 comprises a first 11a and a second 11b layers of a first type configured to be arranged respectively in contact with the rear cell 5 and the front cell 7. The layers of the first type 11a, 11b have a optical index of refraction denoted n greater than 1.8, for example an index n equal to or greater than 2.2 so as to limit optical reflections and form an anti-reflection layer. In addition, the thickness of layers of the first type 11a, 11b is such that the product of the thickness e by the optical index n is between 150 nm and 250 nm. The thickness of the layers of the first type 11a, 11b is for example about 100 nm.
De plus, de manière préférentielle, les couches du premier type 11a, 11b ont une résistance de contact inférieure à 1Ω.cm² de manière à obtenir un bon contact ohmique. Les couches du premier type 11a, 11b peuvent être structurées, notamment avec des nanostructures, afin de se comporter comme un miroir sélectif pour réfléchir les photons les plus énergétiques vers la cellule avant 7 et transmettre les photons les moins énergétiques vers la cellule arrière 5.Moreover, preferentially, the layers of the first type 11a, 11b have a contact resistance of less than 1Ω.cm² so as to obtain a good ohmic contact. The layers of the first type 11a, 11b can be structured, in particular with nanostructures, in order to behave like a selective mirror to reflect the most energetic photons towards the front cell 7 and transmit the less energetic photons towards the rear cell 5.
Les couches du premier type 11a, 11b sont par exemple formées par une première sous-couche 110a, 110b d’oxyde d’étain, notamment d’oxyde d’indium-étain (« Indium-tin oxyde (ITO) » en anglais) dont l’épaisseur est inférieure à 20nm qui peut être déposée par pulvérisation cathodique (« sputtering » en anglais) et une deuxième sous-couche 111a, 111b de dioxyde de titane dont l’épaisseur est inférieure à 100nm qui peut être déposée par voie sol-gel.The layers of the first type 11a, 11b are for example formed by a first sub-layer 110a, 110b of tin oxide, in particular of indium-tin oxide (“Indium-tin oxide (ITO)” in English) whose thickness is less than 20 nm which can be deposited by sputtering and a second sub-layer 111a, 111b of titanium dioxide whose thickness is less than 100 nm which can be deposited by sol -freeze.
L’empilement de couches transparentes conductrices 10 comprend également une première 13a et une deuxième 13b couches d’un deuxième type configurées pour être disposées respectivement en contact avec la première 11a et la deuxième 11b couches du premier type. L’indice optique de réfraction n de la première et de la deuxième couches du deuxième type est inférieur à 1,7, par exemple compris entre 1,1 et 1,3. La différence d’indice optique de réfraction entre les couches du premier type 11a et 11b et du deuxième type 13a et 13b peut permettre d’obtenir un piégeage de la lumière conduisant à une augmentation du courant de court-circuit entre la cellule avant 7 et la cellule arrière 5 et une augmentation de la tension de circuit ouvert dans la cellule avant 7 grâce au recyclage de photons (une partie des paires électrons-trous formées par l’absorption de photons au niveau de la cellule avant 7 sont recombinés et génèrent de nouveaux photons transmis dans toutes les directions et peuvent alors être réabsorbés par la cellule avant 7). L’épaisseur des couches du deuxième type 13a, 13b est comprise entre 250nm et 350nm, par exemple 300nm.The stack of transparent conductive layers 10 also comprises a first 13a and a second 13b layers of a second type configured to be arranged respectively in contact with the first 11a and the second 11b layers of the first type. The refractive optical index n of the first and second layers of the second type is less than 1.7, for example between 1.1 and 1.3. The difference in refractive optical index between the layers of the first type 11a and 11b and of the second type 13a and 13b can make it possible to obtain trapping of the light leading to an increase in the short-circuit current between the front cell 7 and the rear cell 5 and an increase in the open circuit voltage in the front cell 7 thanks to the recycling of photons (part of the electron-hole pairs formed by the absorption of photons at the level of the front cell 7 are recombined and generate new photons transmitted in all directions and can then be reabsorbed by the front cell 7). The thickness of the layers of the second type 13a, 13b is between 250 nm and 350 nm, for example 300 nm.
La première 13a et la deuxième 13b couches du deuxième type sont réalisées à base d’un matériau flexible transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm. Les pores peuvent être de différentes tailles rendant le matériau inhomogène. L’utilisation d’un matériau mésoporeux permet de le rendre très souple et flexible (le module d’Young E est par exemple inférieur à 10GPa) pour réaliser un contact conforme entre les surfaces de la cellule arrière 5 et de la cellule avant 7 malgré l’éventuelle présence de défauts au niveau de ces surfaces (rugosités ou nanoparticules). La présence de pores permet également de permettre une évacuation des gaz pouvant être emprisonnés entre la cellule avant 7 et la cellule arrière 5 durant le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque tandem 1. Enfin, en cas de recuit durant le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque tandem 1 ou en cas d’une hausse des températures de la cellule photovoltaïque tandem 1 en fonctionnement dû au rayonnement solaire, la flexibilité des couches du deuxième type 13a, 13b permet d’absorber au moins partiellement les contraintes mécaniques induites par des coefficients de dilatation thermique différents entre la cellule avant 7 et la cellule arrière 5. Le matériau mésoporeux est par exemple réalisé à base d’oxyde d’étain.The first 13a and the second 13b layers of the second type are made from a mesoporous transparent conductive flexible material whose pore diameter is less than 100 nm. The pores can be of different sizes making the material inhomogeneous. The use of a mesoporous material makes it very soft and flexible (the Young's modulus E is for example less than 10 GPa) to achieve conforming contact between the surfaces of the rear cell 5 and of the front cell 7 despite the possible presence of defects on these surfaces (roughness or nanoparticles). The presence of pores also makes it possible to allow the evacuation of the gases which may be trapped between the front cell 7 and the rear cell 5 during the manufacturing process of the tandem photovoltaic cell 1. Finally, in the event of annealing during the manufacturing process of the tandem photovoltaic cell 1 or in the event of a rise in the temperatures of the tandem photovoltaic cell 1 in operation due to solar radiation, the flexibility of the layers of the second type 13a, 13b makes it possible to at least partially absorb the mechanical stresses induced by coefficients different thermal expansion between the front cell 7 and the rear cell 5. The mesoporous material is for example made from tin oxide.
L’empilement de couches transparentes conductrices 10 comprend également une couche d’un troisième type 15 disposée entre la première 13a et la deuxième 13b couches du deuxième type et configurée pour permettre leur adhésion. La couche du troisième type 15 est à base d’un matériau transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7, par exemple compris entre 1,3 et 1,5. La couche du troisième type 15 a par exemple une épaisseur inférieure à 40nm, notamment 30nm. Différents modes de réalisation peuvent être envisagés pour la couche du troisième type 15. La couche du troisième type 15 est par exemple obtenue à partir d’une première et d’une deuxième couche du troisième type (ayant par exemple chacune une épaisseur de 20nm) déposées par exemple par enduction par centrifugation puis assemblées l’une à l’autre, par exemple par un recuit .The stack of transparent conductive layers 10 also comprises a layer of a third type 15 placed between the first 13a and the second 13b layers of the second type and configured to allow their adhesion. The layer of the third type 15 is based on a transparent conductive material whose optical index of refraction is less than 1.7, for example between 1.3 and 1.5. The layer of the third type 15 has for example a thickness of less than 40 nm, in particular 30 nm. Different embodiments can be envisaged for the layer of the third type 15. The layer of the third type 15 is for example obtained from a first and a second layer of the third type (each having for example a thickness of 20 nm) deposited for example by coating by centrifugation and then assembled to one another, for example by annealing.
Selon une première variante de réalisation, la couche du troisième type 15 comprend une fine couche, ou alternativement un réseau de nanoparticules, d’un métal dont l’oxyde est un oxyde conducteur transparent, par exemple de l’indium, de l’étain ou du zinc, ledit métal étant configuré pour être diffusé et oxydé dans les couches du deuxième type 13a, 13b pour permettre l’adhésion des couches du deuxième type 13a, 13b entre elles. La fine couche ou le réseau de nanoparticules est par exemple déposé sur une couche d’oxyde conducteur transparent déjà formée. En pratique, la fine couche ou le réseau de nanoparticules peut être pris en sandwich entre deux couches d’oxyde conducteur transparent. Le collage est réalisé en permettant la diffusion du métal dans les couches d’oxyde conducteur transparent. Cette diffusion est accompagnée d’une oxydation du métal qui rend la couche du troisième type 15 transparente.According to a first variant embodiment, the layer of the third type 15 comprises a thin layer, or alternatively a network of nanoparticles, of a metal whose oxide is a transparent conductive oxide, for example indium, tin or zinc, said metal being configured to be diffused and oxidized in the layers of the second type 13a, 13b to allow the adhesion of the layers of the second type 13a, 13b between them. The thin layer or the network of nanoparticles is for example deposited on an already formed layer of transparent conductive oxide. In practice, the thin layer or network of nanoparticles can be sandwiched between two layers of transparent conductive oxide. Bonding is achieved by allowing the metal to diffuse into the layers of transparent conductive oxide. This diffusion is accompanied by an oxidation of the metal which makes the layer of the third type 15 transparent.
Selon une deuxième variante de réalisation, la couche du troisième type 15 comprend un oxyde conducteur transparent configuré pour être déposé par une voie sol-gel. L’oxyde conducteur transparent est par exemple de l’oxyde de titane ou de l’oxyde d’étain.According to a second variant embodiment, the layer of the third type 15 comprises a transparent conductive oxide configured to be deposited by a sol-gel route. The transparent conductive oxide is for example titanium oxide or tin oxide.
Selon une troisième variante de réalisation, la couche du troisième type 15 est réalisée à base d’une solution comprenant des nano-particules d’oxyde conducteur transparent.According to a third variant embodiment, the layer of the third type 15 is produced based on a solution comprising nano-particles of transparent conductive oxide.
Selon une quatrième variante de réalisation, la couche du troisième type 15 comprend un polymère conducteur tel que le PEDOT:PSS. L’épaisseur de la couche de polymère conducteur peut avoir une épaisseur inférieure à 40nm, par exemple entre 20 et 30nm.According to a fourth variant embodiment, the layer of the third type 15 comprises a conductive polymer such as PEDOT:PSS. The thickness of the conductive polymer layer may have a thickness of less than 40 nm, for example between 20 and 30 nm.
b) Deuxième mode de réalisationb) Second embodiment
Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la
La couche 13 du deuxième type est réalisée à base d’un matériau transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm. Les pores peuvent être de différentes tailles rendant le matériau inhomogène. Le matériau mésoporeux est par exemple réalisé à base d’oxyde d’étain. La couche 13 a par exemple une épaisseur comprise entre 400nm et 800nm, notamment 600nm.Layer 13 of the second type is made from a transparent mesoporous conductive material whose pore diameter is less than 100 nm. The pores can be of different sizes making the material inhomogeneous. The mesoporous material is for example made from tin oxide. Layer 13 has for example a thickness comprised between 400 nm and 800 nm, in particular 600 nm.
c) Troisième mode de réalisationc) Third embodiment
Selon un troisième mode de réalisation représenté sur la
La couche du troisième type 15 comprend par exemple un polymère conducteur tel que le PEDOT:PSS ou autres polymères conducteurs et transparents ou autres matériaux hybrides conducteurs et transparents (organiques-inorganiques) qui peuvent assurer un collage.The layer of the third type 15 comprises for example a conductive polymer such as PEDOT:PSS or other conductive and transparent polymers or other conductive and transparent (organic-inorganic) hybrid materials which can provide bonding.
La couche du troisième type 15 a par exemple une épaisseur comprise entre 400nm et 800nm, notamment 600nm.The layer of the third type 15 has for example a thickness comprised between 400 nm and 800 nm, in particular 600 nm.
Par ailleurs, la cellule photovoltaïque tandem 1 peut comprendre plusieurs cellules avants et/ou plusieurs cellules arrières, les couches transparentes conductrices 10 étant alors disposées entre la ou les cellules avants et la ou les cellules arrières. Ces variantes peuvent s’appliquer aux différents modes de réalisation décrits précédemment à partir des figures 1 à 3.Furthermore, the tandem photovoltaic cell 1 can comprise several front cells and/or several rear cells, the transparent conductive layers 10 then being arranged between the front cell(s) and the rear cell(s). These variants can be applied to the different embodiments described above from Figures 1 to 3.
La
La
Ainsi, l’utilisation d’une cellule photovoltaïque tandem 1 à deux terminaux 3a et 3b comprenant une pluralité de couches transparentes conductrices 10 ayant chacune des propriétés permettant d’obtenir le collage entre la cellule avant 7 et la cellule arrière 5 tout en limitant les pertes électriques et optiques. De plus, les propriétés mécaniques de ces couches transparentes conductrices 10 permettent d’obtenir un collage sans requérir un traitement de surface de la cellule avant 7 ou de la cellule arrière 5 ni de nécessiter d’avoir une atmosphère contrôlée pour réaliser le collage. De plus, les couches conductrices transparentes 10 peuvent permettre, de part leur propriétés optiques, d’obtenir une piégeage de la lumière permettant d’augmenter encore l’efficacité de la cellule photovoltaïque tandem 1.Thus, the use of a tandem photovoltaic cell 1 with two terminals 3a and 3b comprising a plurality of transparent conductive layers 10 each having properties making it possible to obtain bonding between the front cell 7 and the rear cell 5 while limiting the electrical and optical losses. In addition, the mechanical properties of these transparent conductive layers 10 make it possible to obtain bonding without requiring a surface treatment of the front cell 7 or of the rear cell 5 or of requiring a controlled atmosphere to carry out the bonding. In addition, the transparent conductive layers 10 can make it possible, due to their optical properties, to obtain trapping of the light making it possible to further increase the efficiency of the tandem photovoltaic cell 1.
d) Procédé de fabrication associé au premier mode de réalisationd) Manufacturing process associated with the first embodiment
La
La première étape 101 concerne la fabrication d’une cellule avant 7. Dans cet exemple la cellule avant 7 est une cellule à base d’éléments III-V. La cellule avant est par exemple fabriquée par épitaxie par jet moléculaire et peut être formée par une pluralité de sous-couches comme représenté sur la
La deuxième étape 102 concerne la fabrication d’une cellule arrière 5. Dans cet exemple la cellule arrière 5 comprend un substrat en silicium monocristallin et une architecture de type TopCon (« tunnel oxide passivated contact » en anglais) dans laquelle la structure est composée d’une couche de contact avant en silicium polycristallin dopée n (dont l’épaisseur est par exemple de 100 nm) et d’une couche de contact arrière en silicium polycristallin dopée p (dont l’épaisseur est par exemple de 100 nm). Les couches de contact sont séparées du substrat en silicium monocristallin par une fine couche de SiOx. La surface avant du substrat en silicium monocristallin peut être nanostructurée par exemple avec des pyramides inversées afin d'améliorer l'absorption de la lumière dans la cellule arrière 5 en silicium.The second step 102 concerns the manufacture of a rear cell 5. In this example, the rear cell 5 comprises a monocrystalline silicon substrate and an architecture of the TopCon type (“tunnel oxide passivated contact”) in which the structure is composed of a front contact layer in n-doped polycrystalline silicon (whose thickness is for example 100 nm) and a rear contact layer in p-doped polycrystalline silicon (whose thickness is for example 100 nm). The contact layers are separated from the monocrystalline silicon substrate by a thin layer of SiOx. The front surface of the monocrystalline silicon substrate can be nanostructured for example with inverted pyramids in order to improve the absorption of light in the rear cell 5 made of silicon.
La troisième étape 103 concerne le dépôt d’une première 11a et d’une deuxième 11b couches du premier type.The third step 103 concerns the deposition of a first 11a and a second 11b layers of the first type.
La troisième étape 103 comprend une première sous-étape 1031 dans laquelle on dépose par pulvérisation cathodique une couche 110b de 5nm d’oxyde d’étain (« Indium tin oxide (ITO) » en anglais) sur la face arrière de la cellule avant 7 après 2 minutes de désoxydation dans une solution d’acide chlorhydrique (HCl) à 20 % et une deuxième sous-étape 1032 dans laquelle on dépose par pulvérisation cathodique une couche 110a de 5nm d’oxyde d’étain (« Indium tin oxide (ITO) » en anglais) sur la face avant de la cellule arrière 5 après désoxydation dans une solution d’acide fluorhydrique (HF) à 10 %.The third step 103 comprises a first sub-step 1031 in which a layer 110b of 5 nm of tin oxide (“Indium tin oxide (ITO)” is deposited by cathodic sputtering on the rear face of the front cell 7 after 2 minutes of deoxidation in a 20% hydrochloric acid (HCl) solution and a second sub-step 1032 in which a 5nm layer 110a of tin oxide ("Indium tin oxide (ITO )” in English) on the front face of the rear cell 5 after deoxidation in a 10% hydrofluoric acid (HF) solution.
La troisième étape 103 comprend également une troisième sous-étape 1033 dans laquelle deux couches 111a et 111b de dioxyde de titane (TiO2) sont formées par un procédé sol-gel en utilisant une solution à base d’isopropoxyde de titane.The third step 103 also includes a third sub-step 1033 in which two layers 111a and 111b of titanium dioxide (TiO2) are formed by a sol-gel process using a solution based on titanium isopropoxide.
La quatrième sous-étape 1034 concerne la déposition de la première couche 111a de dioxyde de titane (dont l’épaisseur est par exemple de 90 nm) sur la face avant de la cellule arrière 5 à l’aide d’une tournette (aussi appelée dépôt par enduction par centrifugation ou « spin coating » en anglais). La couche formée est ensuite calcinée/cristallisée via un recuit (par exemple à une température d’environ 450°C).The fourth sub-step 1034 relates to the deposition of the first layer 111a of titanium dioxide (whose thickness is for example 90 nm) on the front face of the rear cell 5 using a spinner (also called deposition by spin coating or “spin coating” in English). The layer formed is then calcined/crystallized via annealing (for example at a temperature of around 450°C).
La cinquième sous-étape 1035 concerne la déposition de la deuxième couche 111b de dioxyde de titane (dont l’épaisseur est par exemple de 90 nm) sur la face arrière de la cellule avant 7 à l’aide d’une tournette. La couche formée est ensuite calcinée/cristallisée via un recuit (par exemple à une température d’environ 450°C).The fifth sub-step 1035 concerns the deposition of the second layer 111b of titanium dioxide (whose thickness is for example 90 nm) on the rear face of the front cell 7 using a spinner. The layer formed is then calcined/crystallized via annealing (for example at a temperature of approximately 450°C).
La quatrième étape 104 concerne le dépôt d’une première 13a et d’une deuxième 13b couches du deuxième type.The fourth step 104 concerns the deposition of a first 13a and a second 13b layers of the second type.
La quatrième étape 104 comprend le nettoyage de la face arrière de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 103 associé à la cellule avant 7 et la face avant de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 103 associé à la cellule arrière 5 avec de l’eau déminéralisée et l’activation de ces surfaces à l’aide de plasma d’azote ou oxygène pendant 2 minutes.The fourth step 104 includes cleaning the rear face of the sample obtained at the end of step 103 associated with the front cell 7 and the front face of the sample obtained at the end of step 103 associated to the rear cell 5 with demineralized water and the activation of these surfaces using nitrogen or oxygen plasma for 2 minutes.
Dans ce mode de réalisation, les couches 13a, 13b du deuxième type sont formée par une couche d’oxyde d’étain (SnOx) mésoporeux fabriqué par voie sol-gel et déposée à la tournette (« spin-coating » en anglais) sur les surfaces activées. La solution sol-gel peut être préparée a partir de chlorure d'étain (II) dihydraté et chlorure d'étain (V) pentahydraté et la mésoporosité obtenue à l'aide d'un agent structurant tel que le tensioactif non ionique hydrophile Pluronic® F-127. L’épaisseur des couches mésoporeuses est par exemple d’environ 300nm.In this embodiment, the layers 13a, 13b of the second type are formed by a layer of mesoporous tin oxide (SnOx) produced by the sol-gel route and deposited with a spinner ("spin-coating" in English) on activated surfaces. The sol-gel solution can be prepared from tin (II) chloride dihydrate and tin (V) chloride pentahydrate and the mesoporosity obtained using a structuring agent such as the hydrophilic nonionic surfactant Pluronic® F-127. The thickness of the mesoporous layers is for example about 300 nm.
La cinquième étape 105 concerne le dépôt d’une première couche et d’une deuxième couches 15 du troisième type (destinées à former une unique couche 15 après collage).The fifth step 105 concerns the deposition of a first layer and a second layer 15 of the third type (intended to form a single layer 15 after bonding).
La cinquième étape 105 comprend le nettoyage de la face arrière de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 104 et associé à la cellule avant 7 et la face avant de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 104 et associé à la cellule arrière 5 avec de l’eau déminéralisée et l’activation de ces surfaces à l’aide de plasma d’azote ou oxygène pendant 2 minutes.The fifth step 105 includes cleaning the rear face of the sample obtained at the end of step 104 and associated with the front cell 7 and the front face of the sample obtained at the end of step 104 and associated with the rear cell 5 with demineralised water and the activation of these surfaces using nitrogen or oxygen plasma for 2 minutes.
Dans ce mode de réalisation, les couches 15 du troisième type sont formées d’un mélange de PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrène sulfonate), d’éthanol et de PEGDE (poly(éthylene glycol) diglycidyl ether) et sont déposées sur les surfaces activées à l’aide d’une tournette. Les couches 15 du troisième type ont par exemple une épaisseur comprise entre 10nm et 30nm.In this embodiment, the layers 15 of the third type are formed from a mixture of PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate), ethanol and PEGDE (poly(ethylene glycol) diglycidyl ether). and are deposited on the activated surfaces using a spinner. The layers 15 of the third type have for example a thickness of between 10 nm and 30 nm.
La cinquième étape 105 comprend également le séchage des couches 15 du troisième type sur une plaque chauffante à 130°C pendant 2 minutes.The fifth step 105 also includes drying the layers 15 of the third type on a hot plate at 130° C. for 2 minutes.
La sixième étape 106 concerne le collage des deux échantillons obtenus après l’étape 105, d’une côté le premier échantillon comprenant la cellule arrière 5 en silicium et de l’autre le deuxième échantillon comprenant la cellule avant 7 en matériau III-V. La sixième étape 106 comprend la pose ou la fixation du premier échantillon sur une plaque de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Le deuxième échantillon est ensuite mis en contact avec le premier échantillon puis mis sous une presse hydraulique avec une pression homogène appliquée d’environ 40kg/cm² et chauffé à 150°C pendant 10 minutes. La température est ensuite baissée progressivement jusqu’à la température ambiante et le système est laissé sous la presse pendant 1h. La plaque de PTFE est retirée à la sortie de la presse.The sixth step 106 concerns the bonding of the two samples obtained after step 105, on the one hand the first sample comprising the rear cell 5 in silicon and on the other the second sample comprising the front cell 7 in III-V material. The sixth step 106 includes placing or fixing the first sample on a polytetrafluoroethylene (PTFE) plate. The second sample is then brought into contact with the first sample and then placed under a hydraulic press with an applied uniform pressure of approximately 40 kg/cm² and heated to 150°C for 10 minutes. The temperature is then gradually lowered to room temperature and the system is left under the press for 1 hour. The PTFE plate is removed at the exit of the press.
Selon un mode de réalisation alternatif, les étapes 105’ et 106’ remplace les étapes 105 et 106. L’étape 105’ comprend un dépôt métallique d’indium sur les deux couches 13a, 13b du deuxième type obtenues à l’étape 104. Les couches d’indium ont par exemple chacune une épaisseur comprise entre 5nm et 30nm.According to an alternative embodiment, steps 105' and 106' replace steps 105 and 106. Step 105' comprises a metallic deposit of indium on the two layers 13a, 13b of the second type obtained in step 104. The indium layers each have, for example, a thickness of between 5 nm and 30 nm.
L’étape 106’ concerne le collage des deux échantillons obtenus après l’étape 105, d’une côté le premier échantillon comprenant la cellule arrière 5 en silicium et de l’autre le deuxième échantillon comprenant la cellule avant 7 en matériau III-V. La sixième étape 106 comprend la pose ou la fixation du premier échantillon sur une plaque de polytétrafluoroéthylène (PTFE). Le deuxième échantillon est ensuite mis en contact avec le premier échantillon puis mis sous une presse hydraulique et chauffé afin de former une couche transparente d’oxyde d’indium ou mixte (oxyde d’indium-étain) par diffusion et oxydation qui assure le collage et la conduction électrique.Step 106' concerns the bonding of the two samples obtained after step 105, on the one hand the first sample comprising the rear cell 5 in silicon and on the other the second sample comprising the front cell 7 in III-V material . The sixth step 106 includes placing or fixing the first sample on a polytetrafluoroethylene (PTFE) plate. The second sample is then brought into contact with the first sample then put under a hydraulic press and heated in order to form a transparent layer of indium or mixed oxide (indium-tin oxide) by diffusion and oxidation which ensures the bonding and electrical conduction.
La septième étape 107 concerne la finition de la cellule tandem. Dans cette étape 107, le substrat en GaAs de la cellule avant 7 est retiré à l’aide d’une solution de NH3 à 28 % et d’H2O2 à 30 % (avec un ratio volumique 1:4). La gravure chimique s’arrête sélectivement à la couche d’arrêt en GaInP. Cette dernière est enlevée en utilisant de l’acide chlorhydrique (HCl) à 37 % ce qui donne accès à la couche de contact en n+ GaAs. Le contact 3b en face avant est alors formé par une suite d’étape de lithographie, d’évaporation et de décollage (« lift-off » en anglais) d’un empilement métallique Ni/Au/Ge/Au/Ni/Au avec une épaisseur totale de 1200nm. Le contact en n+ GaAs entre les motifs de la grille est sélectivement gravé dans une solution d’acide citrique (1g/mL), d’H2O2 avec un ratio volumique (5:1). Le procédé continue par la gravure mésa du matériau III-V à l’aide d’une solution de H3PO4 : H2O2 : H2O (3 : 1 : 40 v/v), la réaction s’arrête à la couche d’ITO. La gravure des couches intermédiaires (ITO, TiO2, PEDOT:PSS et de la cellule arrière est réalisée par une gravure sèche, jusqu’à 400nm dans le substrat silicium pour séparer les cellules solaires adjacentes. Des couches de Ti/Ag/Au sont ensuite déposées sur la face arrière de la cellule arrière par évaporation après une désoxydation par HF pour former le contact arrière 3a. Une bi-couche de 65nm de Ta2O5 et 110nm de MgF2 peut être déposée sur la face avant pour former une couche anti-reflet.The seventh step 107 concerns the finishing of the tandem cell. In this step 107, the GaAs substrate of the front cell 7 is removed using a solution of 28% NH3 and 30% H2O2 (with a volume ratio of 1:4). The chemical etching stops selectively at the GaInP stop layer. The latter is removed using 37% hydrochloric acid (HCl) which gives access to the n+ GaAs contact layer. The contact 3b on the front face is then formed by a series of steps of lithography, evaporation and lift-off of a metal stack Ni/Au/Ge/Au/Ni/Au with a total thickness of 1200 nm. The n+ GaAs contact between the grid patterns is selectively etched in a solution of citric acid (1g/mL), H2O2 with a volume ratio (5:1). The process continues with the mesa etching of the III-V material using a solution of H3PO4:H2O2:H2O (3:1:40 v/v), the reaction stops at the ITO layer. The etching of the intermediate layers (ITO, TiO2, PEDOT:PSS and of the rear cell is carried out by dry etching, up to 400nm in the silicon substrate to separate the adjacent solar cells. Ti/Ag/Au layers are then deposited on the rear face of the rear cell by evaporation after deoxidation by HF to form the rear contact 3a. A bi-layer of 65 nm of Ta2O5 and 110 nm of MgF2 can be deposited on the front face to form an anti-reflection layer.
e) Procédé de fabrication associé au deuxième mode de réalisatione) Manufacturing process associated with the second embodiment
La
Les étapes 201 à 203 sont identiques aux étapes 101 à 103 du procédé de fabrication associé au premier mode de réalisation décrit à partir de la
La quatrième étape 204 concerne la formation d’une première 13a et d’une deuxième 13b couches du deuxième type (destinées à former une unique couche 13). La quatrième étape 204 comprend le nettoyage de la face arrière de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 203 associé à la cellule avant 7 et la face avant de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 203 associé la cellule arrière 5 avec de l’eau déminéralisée et l’activation de ces surfaces à l’aide de plasma d’air pendant 2 minutes.The fourth step 204 relates to the formation of a first 13a and a second 13b layers of the second type (intended to form a single layer 13). The fourth step 204 includes cleaning the rear face of the sample obtained at the end of step 203 associated with the front cell 7 and the front face of the sample obtained at the end of step 203 associated the rear cell 5 with demineralized water and the activation of these surfaces using air plasma for 2 minutes.
Dans ce mode de réalisation, les couches 13a, 13b du deuxième type sont formées par une couche d’oxyde d’étain (SnOx) mésoporeux fabriqué par voie sol-gel et déposée à la tournette (« spin-coating » en anglais) sur les surfaces activées. La solution sol-gel peut être préparée a partir de chlorure d'étain (II) dihydraté et chlorure d'étain (V) pentahydraté et la mésoporosité peut être obtenue à l'aide d'un agent structurant tel que le tensioactif non ionique hydrophile Pluronic® F-127. L’épaisseur des couches 13a, 13b du deuxième type est par exemple d’environ 300nm.In this embodiment, the layers 13a, 13b of the second type are formed by a layer of mesoporous tin oxide (SnOx) produced by the sol-gel route and deposited with a spinner ("spin-coating" in English) on activated surfaces. The sol-gel solution can be prepared from tin (II) chloride dihydrate and tin (V) chloride pentahydrate and mesoporosity can be obtained using a structuring agent such as hydrophilic nonionic surfactant Pluronic® F-127. The thickness of layers 13a, 13b of the second type is for example around 300 nm.
La quatrième étape 204 comprend également l’activation des surfaces de couches 13a, 13b du deuxième type par procédé plasma.The fourth step 204 also includes the activation of the surfaces of layers 13a, 13b of the second type by plasma process.
Les étapes 205 et 206 sont identiques aux étapes 106 et 107 du procédé de fabrication associé au premier mode de réalisation décrit à partir de la
f) Procédé de fabrication associé au troisième mode de réalisationf) Manufacturing process associated with the third embodiment
La
Les étapes 301 à 303 sont identiques aux étapes 101 à 103 du procédé de fabrication associé au premier mode de réalisation décrit à partir de la
La quatrième étape 304 concerne la formation d’une couche 15 du troisième type. La quatrième étape 304 comprend le nettoyage de la face arrière de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 303 associé à la cellule avant 7 et la face avant de l’échantillon obtenu à l’issue de l’étape 303 associé la cellule arrière 5 avec de l’eau déminéralisée et l’activation de ces surfaces à l’aide de plasma d’air pendant 2 minutes.The fourth step 304 concerns the formation of a layer 15 of the third type. The fourth step 304 includes cleaning the rear face of the sample obtained at the end of step 303 associated with the front cell 7 and the front face of the sample obtained at the end of step 303 associated the rear cell 5 with demineralized water and the activation of these surfaces using air plasma for 2 minutes.
Dans ce mode de réalisation, la couche 15 du troisième type est formée d’un mélange de PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate), d’éthanol et de PEGDE (poly(éthylene glycol) diglycidyl ether).In this embodiment, the layer 15 of the third type is formed of a mixture of PEDOT:PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate), ethanol and PEGDE (poly (ethylene glycol) diglycidyl ether) .
Deux couches 15 du troisième type (destinées à former une couche 15 du troisième type après collage) sont déposées sur les surfaces activées à l’aide d’une tournette.Two layers 15 of the third type (intended to form a layer 15 of the third type after bonding) are deposited on the activated surfaces using a spinner.
La quatrième étape 304 comprend également le séchage des couches 15 du troisième type sur une plaque chauffante à 130°C pendant 2 minutes. Les couches 15 du troisième type ont par exemple chacune une épaisseur d’environ 300nm.The fourth step 304 also includes drying the layers of the third type on a hot plate at 130°C for 2 minutes. The layers 15 of the third type each have, for example, a thickness of about 300 nm.
Les étapes 305 et 306 sont identiques aux étapes 106 et 107 du procédé de fabrication associé au premier mode de réalisation décrit à partir de la
Les différents mode de réalisation d’une cellule photovoltaïque tandem 1 à deux terminaux comprenant au moins une cellule avant 7, au moins une cellule arrière 5 et une pluralité de couches transparentes conductrices 10 dont les propriétés mécaniques permettent d’obtenir un collage efficace sans nécessiter de préparation des surfaces des cellules arrière 5 et avant 7 ni d’atmosphère contrôlée pendant le collage. Les procédés de fabrication associés sont donc simples à mettre en œuvre et permettent d’obtenir des cellules tandem à deux terminaux ayant une grande efficacité pour un coût de revient limité. De plus, ces couches transparentes conductrices, de part leur propriétés optiques, peuvent permettre de réaliser un piégeage de la lumière et ainsi améliorer l’efficacité de la cellule photovoltaïque tandem.
The various embodiments of a tandem photovoltaic cell 1 with two terminals comprising at least one front cell 7, at least one rear cell 5 and a plurality of transparent conductive layers 10 whose mechanical properties make it possible to obtain effective bonding without requiring preparation of the surfaces of the rear 5 and front 7 cells nor of controlled atmosphere during bonding. The associated manufacturing methods are therefore simple to implement and make it possible to obtain two-terminal tandem cells with high efficiency for a limited cost price. In addition, these transparent conductive layers, due to their optical properties, can make it possible to trap light and thus improve the efficiency of the tandem photovoltaic cell.
Claims (16)
- au moins une cellule arrière (5) ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant (7) ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type,
- une pluralité de couches transparentes conductrices (10) assurant le collage entre la cellule avant (7) et la cellule arrière (5) comprenant:
- une première (11a) et une deuxième (11b) couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm et configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule arrière (5) et la cellule avant (7),
- une première (13a) et une deuxième (13b) couche d’un deuxième type à base d’un matériau transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm et dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7, lesdites première et deuxième couches du deuxième type étant configurées pour être disposée respectivement en contact avec la première (11a) et la deuxième (11b) couches du premier type.
- une couche d’un troisième type (15) à base d’un matériau transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7 et disposée entre la première (13a) et la deuxième (13b) couches du deuxième type et configurée pour permettre l’adhésion entre la première (13a) et la deuxième (13b) couches du deuxième type.Tandem photovoltaic cell (1) comprising
- at least one rear cell (5) having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell (7) having a second light absorption spectrum associated with a second type of photons whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of transparent conductive layers (10) providing bonding between the front cell (7) and the rear cell (5) comprising:
- a first (11a) and a second (11b) layers of a first type whose optical index of refraction is greater than 1.8, the thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150nm and 250nm and configured to be arranged respectively in contact with the rear cell (5) and the front cell (7),
- a first (13a) and a second (13b) layer of a second type based on a transparent mesoporous conductive material whose pore diameter is less than 100 nm and whose optical refractive index is less than 1.7 , said first and second layers of the second type being configured to be disposed respectively in contact with the first (11a) and the second (11b) layers of the first type.
- a layer of a third type (15) based on a transparent conductive material whose optical index of refraction is less than 1.7 and placed between the first (13a) and the second (13b) layers of the second type and configured to allow adhesion between the first (13a) and the second (13b) layers of the second type.
- au moins une cellule arrière (5) ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant (7) ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type,
- une pluralité de couches transparentes conductrices (10) assurant le collage entre la cellule avant (7) et la cellule arrière (5) comprenant:
- une première (11a) et une deuxième (11b) couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm et configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule arrière (5) et la cellule avant (7),
- une couche d’un deuxième type (13) à base d’un matériau transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm et dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7, ladite couche du deuxième type (13) étant configurée pour permettre l’adhésion entre la première (11a) et la deuxième (11b) couches du premier type.Tandem photovoltaic cell (1) with two terminals (3a, 3b) comprising:
- at least one rear cell (5) having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell (7) having a second light absorption spectrum associated with a second type of photons whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of transparent conductive layers (10) providing bonding between the front cell (7) and the rear cell (5) comprising:
- a first (11a) and a second (11b) layers of a first type whose optical index of refraction is greater than 1.8, the thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150nm and 250nm and configured to be arranged respectively in contact with the rear cell (5) and the front cell (7),
- a layer of a second type (13) based on a transparent mesoporous conductive material whose pore diameter is less than 100 nm and whose optical index of refraction is less than 1.7, said layer of the second type ( 13) being configured to allow adhesion between the first (11a) and the second (11b) layers of the first type.
- au moins une cellule arrière (5) ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant (7) ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type,
- une pluralité de couches transparentes conductrices (10) assurant le collage entre la cellule avant (7) et la cellule arrière (5) comprenant:
- une première (11a) et une deuxième (11b) couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm et configurées pour être disposées respectivement en contact avec la cellule arrière (5) et la cellule avant (7),
- une couche d’un troisième type (15) à base d’un matériau transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7 et disposée entre la première (11a) et la deuxième (11b) couches du premier type et configurée pour permettre l’adhésion entre la première (11a) et la deuxième (11b) couches du premier type.Tandem photovoltaic cell (1) with two terminals (3a, 3b) comprising:
- at least one rear cell (5) having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell (7) having a second light absorption spectrum associated with a second type of photons whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of transparent conductive layers (10) providing bonding between the front cell (7) and the rear cell (5) comprising:
- a first (11a) and a second (11b) layers of a first type whose optical index of refraction is greater than 1.8, the thickness is such that the product of the thickness by the optical index is between 150nm and 250nm and configured to be arranged respectively in contact with the rear cell (5) and the front cell (7),
- a layer of a third type (15) based on a transparent conductive material whose optical index of refraction is less than 1.7 and placed between the first (11a) and the second (11b) layers of the first type and configured to allow adhesion between the first (11a) and the second (11b) layers of the first type.
- au moins une cellule arrière ayant un premier spectre d’absorption lumineuse associé à un premier type de photons,
- au moins une cellule avant ayant un deuxième spectre d’absorption lumineuse associé à un deuxième type de photons dont le niveau d’énergie est supérieur aux photons du premier type ,
- une pluralité de couches transparentes conductrices assurant le collage entre la cellule avant et la cellule arrière comprenant:
- une première et une deuxième couches d’un premier type dont l’indice optique de réfraction est supérieur à 1,8, dont l’épaisseur est telle que le produit de l’épaisseur par l’indice optique est compris entre 150nm et 250nm,
- une première et une deuxième couches d’un deuxième type à base d’un matériau transparent conducteur mésoporeux dont le diamètre des pores est inférieur à 100nm et dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7,
- une couche d’un troisième type comprenant un matériau transparent conducteur dont l’indice optique de réfraction est inférieur à 1,7 et une fine couche d’un métal dont l’oxyde est un oxyde conducteur transparent,
le procédé de fabrication comprenant la diffusion et l’oxydation du métal de la couche du troisième type dans les couches du deuxième type.Method of manufacturing a tandem photovoltaic cell (1) with two terminals (3a, 3b) comprising:
- at least one rear cell having a first light absorption spectrum associated with a first type of photon,
- at least one front cell having a second light absorption spectrum associated with a second type of photon whose energy level is higher than the photons of the first type,
- a plurality of conductive transparent layers providing bonding between the front cell and the rear cell comprising:
- a first and a second layer of a first type, the refractive optical index of which is greater than 1.8, the thickness of which is such that the product of the thickness and the optical index is between 150 nm and 250 nm ,
- a first and a second layer of a second type based on a transparent mesoporous conductive material whose pore diameter is less than 100 nm and whose optical index of refraction is less than 1.7,
- a layer of a third type comprising a transparent conductive material whose refractive optical index is less than 1.7 and a thin layer of a metal whose oxide is a transparent conductive oxide,
the manufacturing process comprising the diffusion and oxidation of the metal of the layer of the third type in the layers of the second type.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| FR2014115A FR3118531B1 (en) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | Two-terminal tandem photovoltaic cell and associated method of manufacture |
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| FR2014115A FR3118531B1 (en) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | Two-terminal tandem photovoltaic cell and associated method of manufacture |
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| HASUMI MASAHIKO ET AL: "Reduction in connecting resistivity and optical reflection loss at intermediate layer for mechanically stacked multijunction solar cells", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 57, no. 10, 5 September 2018 (2018-09-05), JP, pages 102301, XP055833770, ISSN: 0021-4922, DOI: 10.7567/JJAP.57.102301 * |
| KRC J ET AL: "Optical simulation of the role of reflecting interlayers in tandem micromorph silicon solar cells", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 86, no. 4, 1 April 2005 (2005-04-01), pages 537 - 550, XP027815204, ISSN: 0927-0248, [retrieved on 20050401] * |
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