MINOTAURE: Approche Multimodale : caractérisations IN-situ, Operando et ex-siTu et simulAtions pour de noUvelles généRations de cEllules photovoltaïques fiables

Contexte

Les nouvelles technologies de cellules solaires doivent pouvoir s’appuyer sur des diagnostics et études de fiabilité afin d’atteindre l’industrialisation. Si le suivi des performances de cellules ou de modules enconditions réelles sur site (outdoor), est évidemment pertinent, celui-ci doit malheureusement être effectué sur de longues périodes. Ceci rend indispensable le développement de méthodologies et d’outils permettant de déclencher des dégradations de manière accélérée, de les repérer à un stade précoce et d’évaluer leur cinétique. Il s’agit alors d’en comprendre les mécanismes pour espérer supprimer les dégradations en suggérant des modifications des procédés technologiques à différents niveaux :constitution ou structure de matériaux, ingénierie d’interfaces, design de la cellule.

Répondant à ce défi et aux objectifs de l’appel, MINOTAURE réunit un vaste ensemble de compétences etd’expertises complémentaires, tant en caractérisations qu’en modélisations de diverses natures dans uneapproche de réponse globale et cohérente.

Nous proposons un ensemble complet de caractérisations permettant l’analyse des propriétés chimiques,physico-chimiques, structurales et mécaniques, optiques et optoélectroniques, et électriques. Elles serontdéployées sur des briques de base de cellules, ou des cellules complètes, fabriquées au sein du consortium, ou provenant du projet IOTA de ce même PEPR.

Objectifs

Nos efforts parallèles porteront sur :

• la mise au point de méthodes de vieillissement accéléré par contraintes imposées soit par latempérature, l’éclairement, l’environnement (ambiance pouvant varier en humidité, et encomposition par introduction de gaz ou polluants), et des mesures in-situ ;
• le déploiement de mesures operando, c’est-à-dire dans des conditions représentatives dufonctionnement de l’objet d’étude, notamment par l’application de polarisation ou d’éclairementet le passage de courant électrique ;
• le développement de mesures ex-situ.

Les vieillissements accélérés seront suivis in-situ par des mesures complémentaires : mesures de courant,de tension, de spectroscopie d’impédance, de rendement quantique interne, de spectroscopie de luminescence en régime continu ou modulé, de spectrométrie Raman. Nous nous attacherons à couplerplusieurs de ces mesures sur un même banc pour en assurer le suivi simultané. Les mesures operandoseront effectuées notamment par spectroscopie de photoémission et par diffraction de rayons X. Les premières sont particulièrement adaptées à l’étude de systèmes complexes par leur capacité à procurerdes informations tant sur les compositions et environnements chimiques que sur la physique desdispositifs (e.g. alignement de bandes), les deuxièmes permettant de révéler les modifications d’ordrestructural et mécanique. Dans les mesures ex-situ, nous chercherons à coupler les résultats de caractérisations complémentaires et à en faire une analyse corrélative. Un volet concernera ledéploiement d’outils spécifiques pour l’analyse des dégradations de cellules tandem, notamment en lienavec le projet IOTA développant des cellules tandem innovantes de type couches minces sur silicium.

Le consortium regroupe aussi des experts en modélisation à différents niveaux : calculs ab initio à l’échelle atomique, simulations à l’échelle macroscopique de type éléments finis, analyse des données par différents outils y compris des outils d’intelligence artificielle. Ce pôle de modélisations viendra naturellement en complément du bloc expérimental, permettant une analyse approfondie et fiable des résultats issus des caractérisations.

Ce regroupement cohérent permettra de réaliser une analyse quantitative des mécanismes de dégradation, de la chimie transitoire dans les matériaux et aux interfaces et de l’impact des évolutions mises en évidence sur les propriétés optoélectroniques et électriques et donc sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques.

Partenaires

CentraleSupélec, Institut FOTON

Coordinateur

Jean-Paul KLEIDER (CentraleSupélec)

Coordinateur iFOTON: Olivier DURAND (FOTON-OHM)

Financement

ANR (?? k€)