Near 13% efficient semitransparent Cu(In,Ga)S2 solar cells with band gap of 1.6 eV on transparent back contact

Des cellules solaires semi-transparentes en Cu(In,Ga)S₂ avec une bande interdite de 1,6 eV et un contact arrière transparent en ITO ont atteint un rendement de 12,7 % grâce à une diffusion de sodium depuis le verre et à une croissance à haute température, démontrant l'efficacité de la co-évaporation de NaF pour supprimer les défauts profonds tout en soulignant l'impact de l'épaisseur de l'ITO sur la formation de la couche passivante GaOx et les effets de blocage de courant.

L'essentiel

🌞 Le Grand Défi : Faire travailler deux soleils en équipe

Imaginez que vous voulez construire une maison très efficace pour capter l'énergie du soleil. Le problème, c'est que le soleil envoie une lumière très variée : des rayons très énergétiques (bleus) et des rayons plus doux et chauds (rouges).

Une seule cellule solaire, c'est comme un seul ouvrier qui ne sait attraper que les rayons rouges. Il laisse passer les bleus, qui sont pourtant très puissants !

La solution ? Créer une cellule solaire en tandem (une super-cellule à deux étages) :

1. L'étage du haut (la cellule supérieure) : Il doit attraper les rayons bleus et énergétiques, mais surtout, il doit être transparent pour laisser passer les rayons rouges vers l'étage du bas.
2. L'étage du bas (souvent du silicium) : Il attrape les rayons rouges qui ont traversé le premier étage.

🧱 Le Problème de la "Fenêtre" Transparente

Pour que l'étage du haut fonctionne, il faut un matériau spécial qui peut être transparent. Les chercheurs ont utilisé un matériau appelé Cu(In,Ga)S2 (une sorte de cristal de cuivre, indium, gallium et soufre).

Le défi, c'est que pour rendre ce matériau capable d'attraper les rayons bleus, il faut le chauffer très fort (comme un four à pizza à 630°C). Mais à cette température, deux choses fâcheuses arrivent :

1. Le matériau devient "cassant" et moins efficace.
2. Il commence à réagir avec le verre transparent situé en dessous, créant une sorte de rouille invisible (une couche d'oxyde de gallium, ou GaOx) qui bloque le passage des électrons, un peu comme un bouchon dans une bouteille.

🧪 L'Expérience : Jouer avec le Sel et l'Épaisseur

Les chercheurs de l'Université du Luxembourg ont voulu résoudre ces problèmes en jouant sur deux leviers principaux : la chaleur et le Sodium (le sel, chimiquement parlant).

Imaginez que le matériau solaire est une pâte à gâteau :

• La Chaleur (Le Four) : Ils ont chauffé la pâte très fort (630°C). Résultat ? Les grains de la pâte ont grossi et se sont bien liés, comme une bonne pâte bien cuite. C'est beaucoup plus solide et efficace que si on la cuvait à basse température.
• Le Sodium (Le Sel) : Le sodium est essentiel pour que la pâte lève bien. Ils ont testé deux façons de l'ajouter :
  1. En saupoudrant du sel directement sur la pâte pendant la cuisson (évaporation de NaF).
  2. En laissant le sel s'infiltrer tout seul depuis le plat de cuisson (le verre) à travers la couche transparente.

🔍 Les Découvertes Surprenantes

Voici ce qu'ils ont découvert en goûtant leurs "gâteaux" :

1. Le Sel est un Super-Héros : Ajouter du sodium (même juste un peu) aide à réparer les défauts internes du matériau. C'est comme si le sel comblait les trous dans la pâte, permettant aux électrons de circuler librement sans se perdre. Cela augmente considérablement la qualité de la lumière émise par le matériau (ce qu'on appelle la "luminescence").
2. Le Bouchon de Rouille (GaOx) : À haute température, une couche d'oxyde se forme entre le matériau et le verre.
   • Si la couche transparente (ITO) est épaisse, il y a beaucoup d'oxygène disponible, et la "rouille" devient très épaisse. Elle bloque le courant électrique (comme un bouchon trop gros).
   • Si la couche transparente est fine, la "rouille" reste mince. Parfois, le sodium s'y infiltre et aide même à la rendre plus perméable !
3. Le Secret du Verre : Même sans ajouter de sel directement, si la couche transparente est fine, le sel contenu naturellement dans le verre de cuisson suffit à faire un excellent travail. C'est une économie d'énergie et de matériaux !

🏆 Le Résultat Final

En combinant une cuisson à haute température, une couche transparente fine et un peu de sodium (venant du verre ou ajouté), ils ont réussi à créer une cellule solaire semi-transparente avec un rendement de 12,7 %.

C'est un record pour ce type de matériau spécifique (à large bande interdite) utilisé comme "étage supérieur". C'est comme si on avait réussi à faire travailler un ouvrier très spécialisé (qui ne voit que les rayons bleus) avec une efficacité incroyable, tout en lui laissant la porte ouverte pour que ses collègues du bas puissent aussi travailler.

💡 En Résumé pour le Grand Public

Cette recherche nous dit que pour construire les panneaux solaires du futur (les "tandem"), il ne faut pas avoir peur de chauffer fort nos matériaux. Au contraire, si on gère bien la quantité de "sel" (sodium) et l'épaisseur de la "fenêtre" transparente, on peut créer des cellules solaires très performantes, capables de capter plus d'énergie et de mieux partager le travail avec les cellules du dessous. C'est une étape cruciale vers des panneaux solaires ultra-efficaces pour nos toits et nos bâtiments.

Résumé technique

Titre : Cellules solaires semi-transparentes Cu(In,Ga)S2 à haut rendement (~13 %) avec une bande interdite de 1,6 eV sur un contact arrière transparent

1. Problématique et Contexte

Les cellules solaires à base de chalcopyrite (CIGS) ont atteint des rendements records de 23,6 % pour les cellules à base de sélénium (CIGSe) avec une bande interdite de 1,1 eV. Cependant, pour les applications en cellules tandem (empilement de deux cellules), une cellule supérieure ("top cell") avec une bande interdite large (≥ 1,6 eV) est nécessaire pour transmettre la lumière proche infrarouge (NIR) vers la cellule inférieure (généralement du silicium).

Les défis majeurs pour les cellules à base de sulfure Cu(In,Ga)S2 (CIGS) avec une large bande interdite sont :

• La nécessité d'un contact arrière transparent (TBC) (au lieu du molybdène opaque classique) pour permettre le passage de la lumière.
• La dégradation de la qualité du matériau absorbant lorsque la teneur en Gallium (Ga) augmente (réduction de la longueur de diffusion des porteurs).
• La formation d'une couche interfaciale d'oxyde de gallium (GaOx) entre l'absorbeur et le contact transparent (souvent ITO), qui peut créer une barrière à l'extraction des porteurs de charge, réduisant le facteur de remplissage (FF).
• Le rôle crucial du Sodium (Na) dans la passivation des défauts et la croissance des grains, dont l'interaction avec la formation de GaOx sur des contacts ITO à haute température n'est pas entièrement comprise.

2. Méthodologie

Les auteurs ont fabriqué et caractérisé des cellules solaires CIGS semi-transparentes sur des substrats de verre sodocalcique recouverts d'ITO (Indium Tin Oxide).

• Variation des paramètres expérimentaux :
  • Température de croissance : Comparaison entre une température basse (575 °C) et une température élevée (630 °C).
  • Épaisseur de l'ITO : Utilisation de deux épaisseurs d'ITO : 250 nm (épais) et 100 nm (fin).
  • Apport de Sodium (Na) : Trois configurations pour l'apport de Na :
    1. Diffusion uniquement depuis le verre (sans apport externe).
    2. Apport supplémentaire par co-évaporation de NaF pendant la croissance (durées de 7 et 18 minutes).
• Techniques de caractérisation :
  • Microscopie électronique à balayage (SEM) et DRX : Pour analyser la morphologie des grains et la structure cristalline.
  • GDOES et ToF-SIMS : Pour profiler la composition chimique en profondeur (Ga, Na) et détecter la formation de la couche GaOx à l'interface.
  • Photoluminescence (PL) absolue : Pour évaluer la qualité optique, le rendement quantique de photoluminescence ($Y_{PL}$) et le fractionnement du niveau de Fermi quasi-équilibré (QFLS), indicateur des pertes non radiatives.
  • Mesures J-V et EQE : Pour évaluer les performances photovoltaïques (rendement, $V_{OC}$, $J_{SC}$, FF).

3. Contributions Clés et Résultats

A. Impact de la température et de la morphologie

• La croissance à haute température (630 °C) a permis d'obtenir des grains colonnaires beaucoup plus grands et une densité réduite de joints de grains par rapport à 575 °C.
• Cela a entraîné une amélioration significative de la qualité optique : le rendement quantique de photoluminescence ($Y_{PL}$) a augmenté de deux ordres de grandeur (passant de $10^{-7}$ à $1,5 \times 10^{-5}$), et le QFLS a atteint 1060 meV (contre 880 meV pour la basse température).

B. Rôle du Sodium (Na) et des défauts

• L'apport supplémentaire de Na (via NaF) a efficacement supprimé les émissions liées aux défauts profonds (D1 et D2) observées dans les échantillons sans Na, réduisant ainsi les recombinaisons non radiatives.
• De manière surprenante, les échantillons sans apport intentionnel de Na mais déposés sur un ITO fin (100 nm) à 630 °C ont montré une qualité optique comparable à ceux avec NaF. Cela suggère que la diffusion du Na depuis le verre à travers l'ITO fin est suffisante pour passiver les défauts à haute température.

C. Formation de la couche GaOx et transport de charge

• Une couche interfaciale de GaOx se forme systématiquement entre le CIGS et l'ITO à haute température.
• Épaisseur critique : L'épaisseur de GaOx dépend de la température, de l'épaisseur de l'ITO et de la quantité de Na.
  • Les échantillons avec ITO épais (250 nm) et forte teneur en Na (18 min) présentent une couche GaOx épaisse (~65 nm), créant une barrière d'extraction visible sous forme de distorsion en "S" dans les courbes J-V, ce qui réduit le FF.
  • Les échantillons avec ITO fin (100 nm) ou une quantité modérée de Na (7 min) présentent une couche GaOx plus mince (~14-33 nm). Dans ces cas, aucune barrière de courant n'est observée, permettant un transport efficace des porteurs.
• Le Na s'accumule à l'interface CIGS/ITO, modifiant probablement les propriétés électroniques de la couche GaOx.

D. Performances Photovoltaïques

• La cellule championne, déposée sur ITO fin (100 nm) sans apport supplémentaire de Na (diffusion depuis le verre uniquement), a atteint un rendement de 12,7 % avec une bande interdite de 1,6 eV.
• Cette cellule présente un facteur de remplissage (FF) élevé de 71,8 % et une tension en circuit ouvert ($V_{OC}$) de 900 mV.
• Une autre cellule avec apport de NaF (7 min) sur ITO épais a atteint 12,0 %.
• Ces résultats constituent le rendement le plus élevé jamais rapporté pour une cellule chalcopyrite à large bande interdite (>1,5 eV) sur un contact arrière transparent.

4. Signification et Conclusion

Cette étude démontre la viabilité des cellules solaires à base de sulfure Cu(In,Ga)S2 comme cellules supérieures pour les architectures tandem. Les points clés sont :

1. Optimisation de la température : La croissance à haute température (630 °C) est essentielle pour améliorer la qualité du matériau, malgré les risques d'interactions avec le contact arrière.
2. Gestion de l'interface : L'épaisseur du contact ITO est un paramètre critique. Un ITO plus fin permet de limiter l'épaisseur de la couche GaOx délétère tout en permettant une diffusion suffisante de Na pour la passivation, évitant ainsi les pertes par barrière de potentiel.
3. Potentiel pour le tandem : Avec une bande interdite de 1,6 eV et un rendement de 12,7 %, ces cellules répondent aux exigences théoriques pour s'empiler avec des cellules en silicium (1,1 eV), ouvrant la voie à des dispositifs tandem à haut rendement dépassant les limites des cellules simples.

En résumé, le travail prouve que la maîtrise de la diffusion du Na et de l'épaisseur du contact ITO permet de surmonter les problèmes d'interface (GaOx) et de réaliser des cellules à large bande interdite performantes, un prérequis indispensable pour l'avenir des technologies solaires tandem.