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Laser et Photovoltaïque

Contact : Thierry SARNET

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables, et du photovoltaïque en particulier, le LP3 mène des recherches sur plusieurs thématiques liées à la filière silicium ou de type CIS. En ce qui concerne le silicium, Il a été montré qu’un moyen simple d’améliorer le rendement des cellules solaires photovoltaïques actuelles pourrait être obtenu en irradiant la structure du silicium avec des impulsions laser femtoseconde. Cette irradiation entraîne la formation de micro-structures érigées (spikes) sur la surface du silicium qui devient ainsi fortement absorbant au rayonnement solaire (texturation de type black silicon). Ces études menées au laboratoire LP3 montrent que la morphologie de ces structures peut être contrôlée en jouant sur les conditions d’irradiation (durée femto/picoseconde, polarisation et mise en forme du faisceau, pression ambiante, paramètres de balayage, densité d’énergie, …). Des démonstrateurs ont été ainsi réalisés sur des cellules photovoltaïques en silicium mono et multicristallin de type N (matériau issu des rejets de la microélectronique). Des caractérisations électriques (I(V)) et LBIC permettent d’estimer l’efficacité de ces cellules, en fonction des paramètres d’irradiation laser, du dopage du matériau etc… Les meilleurs résultats obtenus à ce jour montrent que des améliorations de photocourant de plus de 50% (par rapport à une surface non texturée) peuvent être ainsi obtenues et que ce procédé peut être appliqué indifféremment à du silicium monocristallin ou multicristallin. D’autres caractérisations physiques photométriques et structurales (MEB, TEM) ainsi que de la modélisation (multi-échelle, FDTD…) permettent de mieux comprendre les mécanismes de formation de microstructures sur silicium en fonction des paramètres de l’interaction laser femtoseconde – silicium. Ce projet scientifique pourrait ainsi avoir un impact environnemental réel : les cellules photovoltaïques solaires actuelles ont encore, malgré une progression constante, des rendements encore faibles (20 % typiquement). Les premiers résultats obtenus par laser laissent espérer une meilleure absorption du rayonnement et une meilleure conversion photovoltaïque. Une autre application potentielle de cette étude concerne directement les micro et nanotechnologies, en particulier la réalisation directe par laser femtoseconde de micro-sources d’énergie (microélectronique, applications médicales, spatiales, automobiles…).

Dans le cadre de SOLASYS (projet Européen FP7-Energy) le LP3 participe activement aux tâches laser consacrées à la texturation, au micro-perçage, à l’ablation, au dopage sélectif et à la découpe sélective pour isolation de cellules PV. D’une manière générale toutes ces applications laser sont dédiées aux futures générations de cellules afin d’en diminuer les coûts en €/W, avec une forte implication de partenaires industriels (BP SOLAR, SOLLAND, TRUMPF, LASERLINE etc…) et d’autres laboratoires académiques (ILT, IMEC …).

Dans le cadre du projet B-CELL, le LP3 mène ses recherches en collaboration avec le Mazur Group de Harvard afin d’améliorer les performances du black silicon pour des cellules photovoltaiques à fort rendement.

Suite à des travaux réalisés précédemment avec EDF et l’ESPC, le laboratoire est impliqué dans un projet OSEO-ISI (SOLCIS) coordonné par la société NEXCIS sur le développement de cellules photovoltaïques de type CIS et CIGS en films minces. Nous développerons des procédés de gravure sélective par laser des différentes couches pour réaliser les étapes de modularisation.

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