Le domaine photovoltaïque ne cesse de s'élargir et la diversité des cellules solaires n'a jamais été aussi grande : des cellules à colorant aux cellules organiques en passant par les couches minces et les mutli-jonctions, les matériaux photovoltaïques ont vu leur efficacité augmenter considérablement avec ces dernières années. Les cellules solaires à base de perovskite atteignent désormais près de 20% d'efficacité [1], approchant celle du silicium monocristallin [2]. Malgré les progrès importants dans ce domaine, la commercialisation à grande échelle de la plupart des nouveaux venus s'avère difficile. Cela peut être en partie attribuée à des défauts dans les matériaux et aux difficultés de produire des cellules rentables à grande échelle. Afin de mettre sur le marché les prochaines générations de cellules solaires, les chercheurs ont besoin de systèmes de caractérisation performants et spécialisés.
Les chercheurs doivent être en mesure de d'étudier globalement leur échantillons et donc d'analyser la distribution spatiale des propriétés de leurs matériaux. Pour répondre à ce besoin, Photon etc. a développé une plate-forme d'imagerie hyperspectrale (IMA™) pour l'analyse des cellules solaires en collaboration avec l'IRDEP (Institut de Recherche et Développement sur l'Énergie Photovoltaïque, France). Cette plate-forme fournit rapidement des cartes détaillées d'électroluminescence (EL) et de photoluminescence (PL) permettant l’étude de la distribution spatiale des défauts, des contraintes et des propriétés optoélectroniques. Ce système a été comparé à un microscope confocal classique, montrant des gains importants en temps d'acquisition.
L'imagerie en photoluminescence et en électroluminescence permettent de rapidement contrôler la qualité en plus de fournir de l’information importante sur les propriétés fondamentales des films ou des dispositifs photovoltaïques. Ces techniques ont déjà été utilisées avec succès pour caractériser les inhomogénéités dans les cellules à base de CIS et de pérovskite et afin d'obtenir la distribution spatiale de la séparation de quasi-niveau de Fermi (Δμeff) et l'efficacité quantique externe (EQE) de cellules solaires de CIGS [3] et de GaAs [4]. Pour obtenir ces propriétés, une méthode de calibration absolue spectrale et photométrique a été développé et brevetée par l’IRDEP.
Pour plus de détails et de résultats de nos collaborateurs, voir les différentes notes d'application ci-dessous.
RÉFÉRENCES
[1] Zhou HP, Chen Q, Li G, Luo S, Song TB, Duan HS, Hong ZR, You JB, Liu YS and Yang Y, Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells, Science, 345(6196), (2014).
[2] Zhao J et al., 19.8 % efficient ‘honeycomb’ textured multicrystalline and 24.4 % monocrystalline silicon solar cells, Applied Physics Letters, 73, (1998).
[3] Delamarre A. , Paire M., Guillemoles J.-F. and Lombez L., Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells, Progress in Photovoltaics, (2014).
[4] A. Delamarre et al., Contactless mapping of saturation currents of solar cells by photoluminescence, Applied Physics Letters, 100, (2012).
La plupart, si ce n’est pas l’ensemble des techniques de caractérisation en luminescence produisent des données en unités arbitraires. Une interprétation profonde de ces résultats est souvent limitée par ce manque d'information. C’est dans cet esprit que des chercheurs de l’IRDEP ont développé une méthode puissante pour la calibration spectrale et photométrique. Avec cette technique, ils sont en mesure de déterminer le nombre absolu de photons d'une énergie donnée émis en chacun des points de la surface de leur échantillon. En effectuant cette calibration, ils peuvent étudier en profondeur la loi de Planck et les relations de réciprocité entre l’efficacité quantique externe (EQE) d’une cellule solaire et son émission EL à une tension donnée [1]. Ainsi, la calibration absolue des données hyperspectrales fournit un moyen direct pour extraire les variations spatiales de plusieurs propriétés telles que la tension en circuit ouvert (Voc), les courants de saturation et l’EQE.
Pour effectuer une calibration absolue et mesurer le nombre de photons émis, deux étapes sont nécessaires [2]. Tout d'abord, pour chaque longueur d'onde de la région spectrale d'intérêt, une calibration relative est réalisée sur une aire donnée en couplant une lampe halogène calibrée à une sphère intégrante. Cette configuration procure une sortie spatialement et spectralement homogène connue qui permet la correction des fluctuation du système. Ensuite, une calibration absolue est effectuée pour une longueur d'onde donnée sur un point de l'échantillon. Pour ce faire, la sortie d’un laser fibré est imagée et comparée avec l'intensité mesurée avec un puissance mètre. Enfin, en combinant la calibration relative sur l’ensemble de l'échantillon et de la plage spectrale avec la calibration absolue à une longueur d'onde et en un point donné, on peut obtenir la calibration absolue sur la totalité de l'échantillon en faisant une extrapolation pour chaque longueur d'onde.
[1] Rau, U., Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cells, Physical Review B 76, (2007).
[2] Delamarre A. , Paire M., Guillemoles J.-F. and Lombez L., Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells, Progress in Photovoltaics, (2014).
Caractérisation hyperspectrale de la prochaine génération des cellules solaires et DEL
Cette vidéo montre comment des cartes de PL et d’EL résolues spectralement et spatialement peuvent aider à identifier des défauts, des pertes et l’uniformité dans des matériaux avancés. Nous y menons une démonstration d’analyse hyperspectrale en photoluminescence sur des cristaux de pérovskite à gros grains.
