Cellule solaire 1-Sun à haute efficacité –


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  • Des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL) du Département américain de l’énergie ont créé une cellule solaire avec une efficacité record de 39,5 % sous un éclairage global d’un soleil. Il s’agit de la cellule solaire la plus efficace de tous les types, mesurée dans des conditions standard d’un soleil.

    « La nouvelle cellule est plus efficace et a une conception plus simple qui peut être utile pour une variété de nouvelles applications, telles que des applications à zone très restreinte ou des applications spatiales à faible rayonnement », a déclaré Myles Steiner, scientifique principal au sein du NREL’s High-Efficiency Crystalline Photovoltaics (PV) Group et chercheur principal du projet. Il a travaillé aux côtés de ses collègues du NREL Ryan France, John Geisz, Tao Song, Waldo Olavarria, Michelle Young et Alan Kibbler.

    Les détails du développement sont décrits dans l’article « Cellules solaires à triple jonction avec 39,5% d’efficacité terrestre et 34,2% d’efficacité spatiale activées par des super-réseaux à puits quantiques épais », qui apparaît dans le numéro de mai de la revue Joule.

    Les scientifiques du NREL ont précédemment établi un record en 2020 avec une cellule solaire à six jonctions efficace à 39,2 % utilisant des matériaux III-V.

    Plusieurs des meilleures cellules solaires récentes sont basées sur l’architecture multijonction métamorphique inversée (IMM) qui a été inventée au NREL. Cette cellule solaire IMM à triple jonction nouvellement améliorée a maintenant été ajoutée au tableau d’efficacité des meilleures cellules de recherche. Le graphique, qui montre le succès des cellules solaires expérimentales, inclut le précédent record IMM à trois jonctions de 37,9 % établi en 2013 par Sharp Corporation du Japon.

    L’amélioration de l’efficacité a fait suite à la recherche sur les cellules solaires à « puits quantiques », qui utilisent de nombreuses couches très minces pour modifier les propriétés des cellules solaires. Les scientifiques ont développé une cellule solaire à puits quantique avec des performances sans précédent et l’ont implémentée dans un dispositif à trois jonctions avec des bandes interdites différentes, où chaque jonction est réglée pour capturer et utiliser une tranche différente du spectre solaire.

    Les matériaux III-V, ainsi nommés en raison de leur position dans le tableau périodique, couvrent une large gamme de bandes interdites d’énergie qui leur permettent de cibler différentes parties du spectre solaire. La jonction supérieure est constituée de phosphure de gallium-indium (GaInP), le milieu d’arséniure de gallium (GaAs) avec des puits quantiques et le bas d’arséniure de gallium-indium à réseau incompatible (GaInAs). Chaque matériau a été hautement optimisé au cours de décennies de recherche.

    « Un élément clé est que bien que GaAs soit un excellent matériau et généralement utilisé dans les cellules multijonctions III-V, il n’a pas tout à fait la bonne bande interdite pour une cellule à trois jonctions, ce qui signifie que l’équilibre des photocourants entre les trois cellules n’est pas optimal. « , a déclaré France, scientifique principal et concepteur de cellules. « Ici, nous avons modifié la bande interdite tout en maintenant une excellente qualité de matériau en utilisant des puits quantiques, ce qui permet cet appareil et potentiellement d’autres applications. »

    Les scientifiques ont utilisé des puits quantiques dans la couche intermédiaire pour étendre la bande interdite de la cellule GaAs et augmenter la quantité de lumière que la cellule peut absorber. Surtout, ils ont développé des dispositifs à puits quantiques optiquement épais sans perte de tension majeure. Ils ont également appris comment recuire la cellule supérieure de GaInP pendant le processus de croissance afin d’améliorer ses performances et comment minimiser la densité de dislocation de filetage dans les GaInA à réseau incompatible, discuté dans des publications séparées. Ensemble, ces trois matériaux informent la nouvelle conception de la cellule.

    Les cellules III-V sont connues pour leur haute efficacité, mais le processus de fabrication est traditionnellement coûteux. Jusqu’à présent, les cellules III-V ont été utilisées pour alimenter des applications telles que des satellites spatiaux, des véhicules aériens sans pilote et d’autres applications de niche. Les chercheurs du NREL ont travaillé à réduire considérablement le coût de fabrication des cellules III-V et à proposer des conceptions de cellules alternatives, ce qui rendra ces cellules économiques pour une variété de nouvelles applications.

    La nouvelle cellule III-V a également été testée pour son efficacité dans les applications spatiales, en particulier pour les satellites de communication, qui sont alimentés par des cellules solaires et pour lesquels une efficacité élevée de la cellule est cruciale, et a atteint 34,2 % pour un début de -mesure de la durée de vie. La conception actuelle de la cellule convient aux environnements à faible rayonnement, et des applications à rayonnement plus élevé peuvent être rendues possibles par un développement ultérieur de la structure de la cellule.

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