Dans le contexte de l'augmentation des besoins en énergie photovoltaïque dans l'espace et des pressions exercées pour réduire les coûts, les cellules solaires silicium suscitent un nouvel intérêt. C’est d'autant plus vrai si les technologies au silicium produites en masse peuvent être adaptées aux contraintes spécifiques de l'environnement spatial.

Quelles cellules solaires pour l'espace​ ?​

Dans l'espace, les cellules solaires silicium subissent des dommages induits par l'irradiation par des électrons et des protons. Il existe trois conditions préalables pour limiter ces dégradations : un substrat de type p, des émetteurs positionnés sur la face avant (face éclairée) de la cellule et des plaquettes minces. Outre l'amélioration de la résistance aux irradiations, les plaquettes minces offrent des valeurs ajoutées intéressantes, telles que des générateurs solaires plus légers et des systèmes photovoltaïques flexibles.  

Nous avons récemment présenté ces derniers développements sur les cellules hétérojonction (SHJ) pour les applications spatiales. Il est intéressant de noter que l'adaptation de la cellule SHJ aux principales conditions requises pour les missions spatiales est assez directe. Grâce à l'utilisation d'un substrat dopé au gallium (type p), la cellule dispose d'un émetteur situé en face avant. Son architecture (structure symétrique) et son processus de fabrication (basse température, plaquettes reposant sur des plateaux) sont compatibles avec des plaquettes très fines (~60 µm).

​​Le choix du dispositif TOPCon

L'adaptation des cellules TOPCon aux missions spatiales pose plus de défis : avec les plaquettes de type p, la cellule présente un émetteur arrière et son processus de fabrication est moins adapté aux plaquettes très fines (étapes à haute température, structure asymétrique). Dans le cadre du projet CARLAH, soutenu par l'Agence spatiale européenne, nous développons un dispositif TOPCon alternatif conforme aux conditions requises pour les missions spatiales. 

Ce dispositif TOPCon alternatif repose sur des structures double face en poly-silicium sur oxyde. Des couches de poly-silicium ultra-minces sont utilisées pour limiter les pertes optiques. Sur la face avant, ces couches sont de type n. Par conséquent, avec des substrats dopés au gallium, la cellule présente un émetteur localisé sur la face avant. Il est intéressant de noter que cette cellule solaire peut être obtenue par un procédé de fabrication très simplifié, bien adapté aux plaquettes minces. 

Nous avons réalisé avec succès des dispositifs TOPCon alternatifs de 60 µm d'épaisseur (taille M2), en utilisant des équipements représentatifs de l'industrie. Ces dispositifs ont été irradiés par des électrons et leurs performances ont été comparées à celles des cellules PERC de type p conventionnelles. Des résultats prometteurs ont été obtenus puisque des rendements de conversion post-irradiation similaires ont été atteints pour les deux technologies, avec un dispositif dont la masse est environ trois fois inférieure pour les cellules TOPCon flexibles alternatives.

Ces résultats ont été présentés lors de la 13e conférence européenne sur l'énergie spatiale. Plusieurs pistes ont été identifiées pour améliorer davantage leurs performances.