Fraunhofer ISE rapporte une efficacité record de 68.9 % pour la cellule photovoltaïque à couche mince GaAs sous lumière laser

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29 Juin 2021

Outre les applications classiques des cellules solaires sur les toits et les espaces ouverts, les dispositifs photovoltaïques peuvent également être utilisés avec la lumière laser pour une transmission de puissance efficace. Lors de la 48e conférence des spécialistes du photovoltaïque de l'IEEE, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE de Fribourg, en Allemagne, ont présenté comment ils ont pu atteindre un rendement de conversion record de 68.9 % avec une cellule photovoltaïque sous lumière laser monochromatique. Pour cela, l'équipe a utilisé une cellule photovoltaïque très fine à base d'arséniure de gallium (GaAs) et appliqué un miroir conducteur hautement réfléchissant sur sa face arrière.

Photo : La nouvelle cellule photovoltaïque à couches minces à base de GaAs de Fraunhofer ISE. (©Fraunhofer ISE / photo : Henning Helmers).

L'effet photovoltaïque est particulièrement efficace lorsque l'énergie de la lumière incidente se situe légèrement au-dessus de l'énergie de la bande interdite du matériau semi-conducteur. Des rendements très élevés sont donc théoriquement possibles lorsqu'un laser monochromatique en tant que source lumineuse est associé à un matériau semi-conducteur composé approprié.

Dans ce transfert d'énergie « power by light », l'énergie laser est délivrée soit par voie aérienne, soit via une fibre optique à une cellule photovoltaïque dont les propriétés correspondent à la puissance et à la longueur d'onde de la lumière laser monochromatique. Par rapport à la transmission d'énergie conventionnelle via des fils de cuivre, les systèmes Power-by-Light sont particulièrement avantageux pour les applications qui nécessitent une alimentation isolée galvaniquement, une protection contre la foudre ou les explosions, une compatibilité électromagnétique ou une transmission d'énergie entièrement sans fil, par exemple.

Fraunhofer ISE a atteint un rendement de conversion record de 68.9 % pour une cellule photovoltaïque semi-conductrice III-V à base de GaAs exposée à une lumière laser d'une longueur d'onde de 858 nm. Il s'agit du rendement le plus élevé atteint à ce jour pour la conversion de la lumière en électricité.

Cela a été rendu possible grâce à la technologie des couches minces dans laquelle les couches de cellules solaires sont d'abord développées sur un substrat GaAs qui est ensuite retiré. Un miroir conducteur hautement réfléchissant est appliqué sur la surface arrière de la structure semi-conductrice restante, qui n'a que quelques microns d'épaisseur.

"Cette approche à couche mince présente deux avantages distincts pour l'efficacité", déclare le physicien Dr Henning Helmers, chef de l'équipe de recherche. « Tout d'abord, les photons sont piégés dans la cellule et l'absorption est maximisée pour les énergies photoniques proches de la bande interdite, ce qui minimise simultanément la thermalisation et les pertes de transmission, rendant la cellule plus efficace. Deuxièmement, les photons générés en plus en interne par recombinaison radiative sont piégés et efficacement recyclés. Cela prolonge la durée de vie effective des porteurs, augmentant ainsi la tension.

Le groupe de recherche a étudié des cellules photovoltaïques à couche mince avec des réflecteurs de surface arrière en or et une combinaison optiquement optimisée de céramique et d'argent, cette dernière montrant les meilleurs résultats. Une hétérostructure n-GaAs/p-AlGaAs a été développée comme absorbeur, qui présente des pertes de porteurs de charge particulièrement faibles dues à la recombinaison.

« Il s'agit d'un résultat impressionnant qui montre le potentiel du photovoltaïque pour les applications industrielles au-delà de la production d'énergie solaire », commente Andreas Bett, directeur du Fraunhofer ISE. La transmission de puissance optique a de multiples applications. Les exemples sont la surveillance structurelle des éoliennes; la surveillance des lignes à haute tension, des capteurs de carburant dans les réservoirs d'avions ou des réseaux optiques passifs ; la fourniture optique d'implants depuis l'extérieur du corps ; ou une alimentation sans fil pour les applications dans l'Internet des objets.

Mots clés: Fraunhofer ISE

Visite: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssr.202100113

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Source : http://www.semiconductor-today.com/news_items/2021/jun/fraunhofer-ise-290621.shtml