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

Novembre 2023 - Novembre 2028

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU  (équipe MIOPS)

Coordinateur :
Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris - CentraleSupélec

Partenaires :
Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Mécanique, Surface, Matériaux et Procédés
Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique - LAboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation
Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides
Laboratoire de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement
Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux
Institut Lavoisier de Versailles
Institut de Recherche de Chimie Paris
Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON
Institut des Sciences Chimiques de Rennes
Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces
Laboratoire des Signaux et Systèmes
Laboratoire des Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé
CEA-LITEN
Laboratoire des Solides Irradiés
Synchrotron SOLEIL
Electricité de France

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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 en conditions 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 et d'expertises complémentaires, tant en caractérisations qu'en modélisations de diverses natures dans une approche 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 seront déployées 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. Nos efforts parallèles porteront sur 

- La mise au point de méthodes de vieillissement accéléré par contraintes imposées soit par la température, l'éclairement, l'environnement (ambiance pouvant varier en humidité, et en composition par introduction de gaz ou polluants), et des mesures in-situ 

- Le déploiement de mesures operando, c'est-à-dire dans des conditions représentatives du fonctionnement de l'objet d'étude, notamment par l'application de polarisation ou d'éclairement et 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 coupler plusieurs de ces mesures sur un même banc pour en assurer le suivi simultané. Les mesures operando seront 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 procurer des informations tant sur les compositions et environnements chimiques que sur la physique des dispositifs (e.g. alignement de bandes), les deuxièmes permettant de révéler les modifications d'ordre structural 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 le déploiement d'outils spécifiques pour l'analyse des dégradations de cellules tandem, notamment en lien avec 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.