Publié le 1 août 2019
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Low temperature deposition of Cu(In,Ga)Se2 solar cells on polymer substrates

Lors du congrès IUPAC 2019 à Paris, Daniel Lincot, chercheur à l’Institut photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF) sur le campus Paris-Saclay, a présenté les travaux réalisés en collaboration avec l’Institut Lavoisier de Versailles (ILV - CNRS/UVSQ) sur le dépôt de cellules photovoltaïques CIGS sur des polymères.

Composées d’un empilement de matériaux semi-conducteurs, les cellules photovoltaïques sont capables d’absorber l’énergie lumineuse (les photons) pour la transformer en énergie électrique par création d’un courant d’électrons et d’un potentiel entre les bornes positive et négative de la cellule. L’efficacité de cette conversion varie selon le type de cellules solaires utilisé.

Alors que les cellules au silicium cristallin sont très majoritaires sur le marché, les cellules CIGS - un sandwich de couches minces, de quelques microns d’épaisseur de cuivre - font partie des technologies photovoltaïques les plus prometteuses. Leur développement a débuté il y a plus de trente ans et s’est surtout centré sur le dépôt des métaux en couches minces sur un support en verre. Les rendements de conversion obtenus avec ce type de cellule figurent parmi les plus élevés des cellules à base de couche mince (plus de 20 %).

Le verre comporte plusieurs avantages : il contient des ions sodium qui, par effet de diffusion, se mélangent avec les autres métaux de la cellule photovoltaïque, ce qui augmente nettement son efficacité. Par ailleurs, il résiste aux importantes températures auxquelles a lieu le dépôt des matériaux (environ 550 °C).

Toutefois, il comporte également certains inconvénients assez contraignants pour des applications à plus large échelle : son poids (7.22 kg/m² pour des plaques de 3 mm d’épaisseur) et sa rigidité, qui limitent la production de formes complexes et flexibles.

Depuis quelques années, les efforts de recherche se portent sur des cellules CIGS utilisant d’autres substrats, plus souples et légers, compatibles avec des techniques de dépôt de type imprimerie (rouleau à rouleau) et offrant de nouvelles possibilités d'application. Les polymères, comme les polyimides, sont une des pistes poursuivies : une fois déposées sur ce support, les modules CIGS deviennent beaucoup moins lourds (0.06 kg/m²) et se déforment à volonté.

L’équipe de l’Institut photovoltaïque d'Île-de-France Paris-Saclay, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Lavoisier de Versailles (ILV - CNRS/UVSQ), s’intéressent à la fabrication de ces nouvelles cellules CIGS déposées sur des polymères, pour des applications photovoltaïques. Ils ont montré que, malgré les problèmes liés à la stabilité des polymères à haute température, le dépôt de cellules CIGS y est possible, avec des efficacités proches de celles déposées sur verre (environ 19 % de rendement de conversion).

Aujourd’hui, les perspectives qu’offrent les polymères sont nombreuses et variées. Comme l’optimisation des cellules CIGS a majoritairement été réalisée sur du verre, une révision complète de leur architecture et du procédé de dépôt des métaux est à prévoir pour rendre ces cellules plus performantes sur ces nouveaux substrats. L’IPVF s’est associé au centre de recherche ZSW à Stuttgart pour amorcer le développement industriel de la filière CIGS sur polymère.

 

Publication :

M. Balestrieri et al., Improving VocWith Indium and Alkali Fluorides in Cu(In,Ga)Se2Solar Cells Deposited at Low Temperature on Polyimide. IEEE Journal of Photovoltaics, Vol.8, Issue 5, p. 1343 – 1348 (2018).