Cellules solaires tandem monolithiques Sélénium/Silicium : Première démonstration et analyse

1. Introduction & Aperçu

Le photovoltaïque au silicium domine le marché mais approche de sa limite de rendement en jonction unique (~26,8 %). Les cellules solaires tandem, empilant une cellule supérieure à large bande interdite sur une cellule inférieure en silicium, offrent une voie claire vers des rendements >30 %. Ce travail présente la première intégration monolithique d'une cellule supérieure en Sélénium (Se) avec une cellule inférieure en Silicium (Si). Le sélénium, avec une bande interdite directe de ~1,8-2,0 eV, un coefficient d'absorption élevé et une simplicité élémentaire, est un candidat prometteur mais historiquement stagnant, relancé pour les applications tandem.

2. Architecture & Fabrication du dispositif

2.1 Structure monolithique empilée

Le dispositif est fabriqué de manière monolithique, ce qui signifie que les cellules supérieure et inférieure sont connectées électriquement en série via une jonction tunnel ou une couche de recombination. L'empilement général des couches, de bas en haut, est :

• Cellule inférieure : Substrat de c-Si de type n avec des contacts sélectifs de porteurs en poly-Si dopé (n+ et p+), coiffé d'ITO.
• Interconnexion/Jonction tunnel : Critique pour une recombination des porteurs à faible résistance et optiquement transparente.
• Cellule supérieure : Absorbeur en Sélénium polycristallin (poly-Se) de type p.
• Contacts sélectifs de porteurs : Couche sélective d'électrons (ZnMgO ou TiO₂) et couche sélective de trous (MoO_x).
• Électrode avant : ITO avec une grille en Au pour la collecte du courant.

2.2 Sélection des matériaux & Traitement

Le point de fusion bas du sélénium (220°C) permet un traitement à basse température compatible avec la cellule en silicium sous-jacente. Le choix des contacts sélectifs de porteurs est crucial. Les premiers dispositifs utilisaient du ZnMgO, mais les simulations ont ensuite identifié le TiO₂ comme supérieur pour réduire les barrières de transport des électrons.

3. Analyse des performances & Résultats

3.1 Performances initiales du dispositif

Le premier tandem monolithique Se/Si a démontré une tension en circuit ouvert (V_oc) prometteuse de 1,68 V à partir de mesures suns-V_oc. Cette V_oc élevée est un indicateur fort d'une bonne qualité de matériau et d'un appariement efficace des bandes interdites, car elle s'approche de la somme des tensions des cellules individuelles.

3.2 Optimisation des contacts sélectifs de porteurs

Le remplacement du contact électronique initial en ZnMgO par du TiO₂ a conduit à une augmentation de la puissance de sortie par un facteur 10. Cette amélioration spectaculaire souligne le rôle crucial de l'ingénierie des interfaces dans les cellules tandem, où de petites barrières énergétiques peuvent causer de sévères goulots d'étranglement de courant.

3.3 Indicateurs de performance clés

• Tension en circuit ouvert (V_oc) : 1,68 V (suns-V_oc).
• Facteur de forme pseudo (pFF) : >80 %. Cette valeur élevée, dérivée des mesures de V_oc dépendantes du niveau d'injection, indique que les pertes principales sont dues à la résistance série parasite, et non à des pertes par recombination fondamentales dans l'absorbeur.
• Facteur limitant le rendement : Facteur de forme (FF) et densité de courant (J_sc) faibles en raison des barrières de transport identifiées.

4. Perspectives techniques & Défis

4.1 Barrières de transport & Mécanismes de perte

Le défi central est le transport non idéal des porteurs à travers les hétéro-interfaces. Les simulations SCAPS-1D ont révélé une barrière énergétique significative au niveau du contact sélectif d'électrons (interface ZnMgO/Se), bloquant l'extraction des électrons. Cela se manifeste par une résistance série élevée, limitant le FF et la J_sc.

4.2 Conception assistée par simulation (SCAPS-1D)

L'utilisation de SCAPS-1D, un simulateur de capacité de cellule solaire standard, a été déterminante pour diagnostiquer le problème. En modélisant le diagramme des bandes d'énergie, les chercheurs ont pu localiser précisément l'emplacement et la hauteur de la barrière de transport, conduisant au remplacement ciblé du ZnMgO par du TiO₂, dont l'alignement de la bande de conduction avec le Se est plus favorable.

5. Insight central de l'analyste : Déconstruction en quatre étapes

Insight central : Cet article ne traite pas d'un dispositif champion à haut rendement ; c'est une leçon magistrale en ingénierie diagnostique. Les auteurs ont pris un système de matériaux naissant à fort potentiel (Se/Si) et ont identifié chirurgicalement son point faible—le transport à l'interface—en utilisant une combinaison de métrologie intelligente et de simulation. La véritable histoire est la méthodologie, et non le chiffre de rendement mis en avant.

Enchaînement logique : La logique est impeccable : 1) Construire le premier dispositif monolithique (un exploit en soi). 2) Observer une V_oc prometteuse mais un FF médiocre. 3) Utiliser suns-V_oc pour isoler la résistance série comme coupable (un pFF >80 % est un point de données décisif). 4) Déployer SCAPS-1D pour visualiser la barrière énergétique problématique. 5) Changer de matériau (ZnMgO→TiO₂) et obtenir un gain d'un facteur 10. C'est de la résolution de problème exemplaire.

Forces & Faiblesses : La force est l'approche claire et basée sur la physique pour l'optimisation du dispositif. La faiblesse, que les auteurs admettent ouvertement, est que cela reste un dispositif à faible courant. La V_oc élevée est séduisante, mais sans résoudre les pertes optiques (probablement significatives dans les couches de poly-Se et d'ITO) et sans une ingénierie des contacts plus poussée, le plafond de rendement est bas. Comparée à l'optimisation empirique rapide observée dans les tandems pérovskite/Si, cette approche est plus lente mais potentiellement plus fondamentale.

Insights actionnables : Pour l'industrie, le message est double. Premièrement, Se/Si est une voie de recherche viable avec des avantages uniques de simplicité. Deuxièmement, la boîte à outils démontrée ici—suns-V_oc, analyse pFF, modélisation SCAPS—devrait être standard pour toute équipe développant de nouvelles architectures tandem. Les investisseurs doivent surveiller les travaux de suivi qui abordent la conception optique et démontrent une densité de courant >15 mA/cm². Jusque-là, il s'agit d'une plateforme prometteuse mais à un stade précoce.

6. Analyse originale : La renaissance du sélénium dans le PV

La résurgence du sélénium dans le photovoltaïque, telle que démontrée dans ce travail, est un cas fascinant de « vieux matériaux, nouvelles astuces ». Pendant des décennies, le sélénium a été relégué aux livres d'histoire comme le matériau des premières cellules solaires à l'état solide, éclipsé par la domination industrielle du silicium. Son récent regain d'intérêt est motivé par les exigences spécifiques du paradigme tandem sur silicium, où un partenaire stable, à large bande interdite et simple à traiter est le graal. Alors que les tandems pérovskite/silicium ont volé la vedette avec leur montée en rendement fulgurante, ils luttent avec des problèmes de stabilité et de teneur en plomb. Comme indiqué dans le tableau des meilleurs rendements de cellules de recherche du NREL 2023, les tandems pérovskite/Si mènent en rendement mais ont une colonne séparée pour le « PV émergent », soulignant les questions persistantes de fiabilité.

Ce travail positionne le sélénium comme une alternative convaincante, bien qu'outsider. Sa composition à élément unique est un avantage fondamental, éliminant les maux de tête stoechiométriques et de séparation de phase des semi-conducteurs composés comme le CIGS ou les pérovskites. La stabilité à l'air rapportée des films de sélénium est un autre différentiateur critique, pouvant réduire les coûts d'encapsulation. L'atteinte par les auteurs d'une V_oc de 1,68 V n'est pas anodine ; cela indique que la cellule supérieure en sélénium n'est pas un maillon faible en termes de tension. Cela correspond à la limite de bilan détaillé de Shockley-Queisser, qui montre que la bande interdite optimale de la cellule supérieure pour une cellule inférieure en Si est d'environ 1,7-1,9 eV—pile dans la zone de confort du sélénium.

Cependant, la voie à suivre est ardue. L'écart de rendement avec les tandems à base de pérovskite est considérable. Le National Renewable Energy Laboratory (NREL) suit un record de rendement pour un tandem pérovskite/Si de plus de 33 %, tandis que ce dispositif Se/Si en est à sa phase de première démonstration. Le défi principal, comme les auteurs le diagnostiquent avec expertise, est la physique du transport aux hétéro-interfaces. C'est un thème récurrent dans les nouveaux matériaux PV, rappelant les premières recherches sur les cellules solaires organiques où l'ingénierie des contacts était primordiale. L'avenir des tandems Se/Si dépend du développement d'une bibliothèque de matériaux de contact passivant les défauts et alignant les bandes—un défi de science des matériaux similaire à celui auquel la communauté des pérovskites a été confrontée et partiellement résolu avec des composés comme le Spiro-OMeTAD et le SnO₂. Si le sélénium peut tirer parti des leçons d'ingénierie des interfaces apprises dans d'autres domaines du PV émergent, sa stabilité inhérente et sa simplicité pourraient en faire un outsider dans la course aux tandems.

7. Détails techniques & Formalisme mathématique

L'analyse repose sur des équations photovoltaïques clés et des paramètres de simulation :

1. Méthode Suns-V_oc : Cette technique mesure la V_oc en fonction de l'intensité lumineuse, découplant les effets de résistance série des caractéristiques de la diode. La relation est :
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
où $S$ est l'intensité en soleils, $n$ est le facteur d'idéalité, $k$ est la constante de Boltzmann, $T$ est la température et $q$ est la charge élémentaire. Un ajustement linéaire révèle le facteur d'idéalité.

2. Facteur de forme pseudo (pFF) : Dérivé des données suns-V_oc, il représente le FF maximum possible en l'absence de résistance série ($R_s$) et de pertes de shunt ($R_{sh}$). Il est calculé en intégrant la caractéristique courant-tension de diode extraite ($J_d-V$) :
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
Un pFF > 80 % indique que la qualité de la jonction en volume est élevée et que les pertes sont principalement résistives.

3. Paramètres de simulation SCAPS-1D : Les entrées clés pour la modélisation du tandem Se/Si incluent :
- Sélénium : Bande interdite $E_g = 1,9$ eV, affinité électronique $χ = 4,0$ eV, constante diélectrique $ε_r ≈ 6$.
- Interfaces : Densité de défauts ($N_t$), sections efficaces de capture ($σ_n, σ_p$) aux hétérojonctions.
- Contacts : Le travail de sortie du ZnMgO (~4,0 eV) par rapport au TiO₂ (~4,2 eV) affecte de manière critique le décalage de la bande de conduction ($ΔE_c$) avec le Se.

8. Résultats expérimentaux & Description des graphiques

Description de la figure (basée sur le texte) : L'article contient probablement deux figures conceptuelles clés.

Figure 1 : Schéma de l'architecture du dispositif. Un diagramme en coupe montrant l'empilement monolithique : « Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [Jonction tunnel] / ZnMgO ou TiO₂ (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Grille Au ». Ceci illustre la connexion en série et l'empilement complexe de matériaux requis pour l'intégration monolithique.

Figure 2 : Diagrammes des bandes d'énergie issus de SCAPS-1D. C'est la figure de diagnostic critique. Elle montrerait deux diagrammes côte à côte :
a) Avec ZnMgO : Un « pic » ou une barrière prononcée dans la bande de conduction à l'interface ZnMgO/Se, bloquant le flux d'électrons de l'absorbeur Se vers le contact.
b) Avec TiO₂ : Un alignement plus favorable en « falaise » ou avec un petit pic, facilitant l'émission thermoionique et réduisant la barrière de transport des électrons. L'abaissement de cette barrière explique directement l'amélioration des performances par un facteur 10.

Courbes courant-tension (J-V) sous-entendues : Le texte suggère que le dispositif initial montrerait une caractéristique J-V en « forme de S » ou sévèrement incurvée en raison de la résistance série élevée. Après remplacement du ZnMgO par du TiO₂, la courbe deviendrait plus carrée, avec un facteur de forme et une densité de courant améliorés, bien que toujours limités par rapport aux cellules championnes.

9. Cadre d'analyse : Une étude de cas sans code

Étude de cas : Diagnostic des pertes dans une nouvelle cellule tandem

Scénario : Un groupe de recherche a fabriqué une nouvelle cellule tandem monolithique (Matériau X sur Silicium). Elle montre une V_oc élevée mais un rendement décevamment bas.

Application du cadre (inspirée par cet article) :

1. Étape 1 - Isoler le type de perte : Effectuer une mesure suns-V_oc. Résultat : pFF élevé (>75 %). Conclusion : La jonction photovoltaïque elle-même est correcte ; les pertes ne proviennent pas principalement de la recombination en volume ou à l'interface.
2. Étape 2 - Quantifier la perte résistive : La différence entre la puissance idéale du pFF et la puissance mesurée donne la perte de puissance résistive. Un grand écart indique une résistance série élevée.
3. Étape 3 - Localiser la barrière : Utiliser un logiciel de simulation de dispositif (ex. : SCAPS-1D, SETFOS). Construire un modèle de l'empilement. Faire varier systématiquement l'affinité électronique/le travail de sortie des couches de contact sélectives de porteurs. Identifier quelle interface crée une grande barrière énergétique dans le diagramme des bandes en conditions de fonctionnement.
4. Étape 4 - Hypothèse & Test : Hypothèse : « Le contact électronique Matériau Y a un décalage de bande de conduction de +0,3 eV avec le Matériau X, causant une barrière bloquante. » Test : Remplacer le Matériau Y par le Matériau Z, prédit pour avoir un décalage proche de zéro ou négatif (falaise).
5. Étape 5 - Itérer : Mesurer le nouveau dispositif. Si le FF et la J_sc s'améliorent significativement, l'hypothèse était correcte. Passer ensuite à la perte suivante la plus importante (ex. : absorption optique, contact des trous).

Ce cadre structuré, basé sur la physique, va au-delà de l'essai-erreur et est directement applicable à toute technologie tandem émergente.

10. Applications futures & Feuille de route de développement

Court terme (1-3 ans) :

• Ingénierie des contacts : Découverte et optimisation de nouvelles couches de transport d'électrons/trous spécifiques au sélénium. Les oxydes métalliques dopés, les molécules organiques et les matériaux 2D doivent être criblés.
• Gestion optique : Intégrer des structures de piégeage de la lumière (texturation, réseaux) et optimiser les revêtements anti-reflet pour augmenter la densité de courant de la cellule supérieure en Se, probablement limitée par une absorption incomplète ou une absorption parasite dans les contacts.
• Ajustement de la bande interdite : Explorer les alliages sélénium-tellure (SeTe) pour affiner la bande interdite plus près de l'idéal de 1,7 eV pour les tandems sur Si, améliorant potentiellement l'appariement des courants.

Moyen terme (3-7 ans) :

• Dépôt évolutif : Passer de l'évaporation thermique à l'échelle du laboratoire à des techniques évolutives comme le dépôt par transport en phase vapeur ou la pulvérisation cathodique pour le sélénium.
• Optimisation de la jonction tunnel : Développer une couche d'interconnexion hautement transparente, à faible résistance et robuste pouvant résister au traitement de la cellule supérieure.
• Premier jalon de rendement : Démontrer un rendement certifié de cellule tandem Se/Si >15 %, prouvant que le concept peut dépasser le stade de la preuve de principe.

Long terme & Perspectives d'application :

• Bifacial & Agri-PV : Tirer parti du potentiel de semi-transparence du sélénium (par amincissement) dans les modules bifaciaux ou les systèmes agrivoltaïques où une transmission partielle de la lumière est souhaitée.
• Photovoltaïque spatial : La dureté aux radiations et la stabilité rapportées du sélénium pourraient rendre les tandems Se/Si intéressants pour les applications spatiales, où le rendement et le poids sont primordiaux.
• Niche à bas coût : Si la fabricabilité et un rendement (>20 %) peuvent être prouvés, les tandems Se/Si pourraient cibler des segments de marché où la stabilité extrême et la chaîne d'approvisionnement simple l'emportent sur le rendement ultime détenu par d'autres technologies.

11. Références

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3. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), 510-519.
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