N° d‟ordre 2009ISAL0084 Ecole Doctorale Matériaux de Lyon, Année 2009
THÈSE
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir le grade de
Docteur en Science des Matériaux
Par
Thibaut DESRUES
Développement de cellules photovoltaïques
à hétérojonctions silicium et contacts
en face arrière
Soutenue le 30/11/2009 devant la Commission d‟examen constituée de :
MASSINES Françoise
ALCUBILLA Ramon
KLEIDER Jean-Paul
ROCA i CABARROCAS Pere
LEMITI Mustapha
RIBEYRON Pierre-Jean
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Examinateur
Directeur
Encadrant
Cette thèse a été préparée à l‟Institut National de l‟Énergie Solaire (INES), au sein du
Laboratoire des Composants Solaires (LCS / DTS / Liten / CEA Grenoble).
Adresse du laboratoire :
INES - DTS/LCS
50 Avenue du Lac Léman- BP 332
73370 Le Bourget du Lac
FRANCE
INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales
SIGLE
ECOLE DOCTORALE
NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE
CHIMIE
CHIMIE DE LYON
M. Jean Marc LANCELIN
Insa : R. GOURDON
M. Jean Marc LANCELIN
Université Claude Bernard Lyon 1 Bât CPE
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 Fax :
E.E.A.
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE
M. Alain NICOLAS
Insa : D. BARBIER Secrétariat : M. LABOUNE
M. Alain NICOLAS
Ecole Centrale de Lyon Bâtiment H9
36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17
E2M2
EVOLUTION, ECOSYSTEME,
MICROBIOLOGIE, MODELISATION
http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2
M. Jean-Pierre FLANDROIS Insa : H. CHARLES
M. Jean-Pierre FLANDROIS
CNRS UMR 5558
Université Claude Bernard Lyon 1 Bât G. Mendel
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.26 23 59 50 Fax 04 26 23 59 49 06 07 53 89 13
EDIIS
INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR
LA SOCIETE http://ediis.univ-lyon1.fr
M. Alain MILLE Secrétariat : I. BUISSON
M. Alain MILLE
Université Claude Bernard Lyon 1 LIRIS – EDIIS Bâtiment Nautibus
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72. 44 82 94 Fax 04 72 44 80 53 [email protected] - [email protected]
EDISS
INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE
Sec : Safia Boudjema
M. Didier REVEL Insa : M. LAGARDE
M. Didier REVEL Hôpital Cardiologique de Lyon – Bâtiment Central
28 Avenue Doyen Lépine 69500 BRON
Tél : 04.72.68 49 09 Fax : 04 72 35 49 16 [email protected]
Matériaux
MATERIAUX DE LYON
M. Jean Marc PELLETIER
Secrétariat : C. BERNAVON
M. Jean Marc PELLETIER
INSA de Lyon - MATEIS
Bâtiment Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex
Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28
Math IF
MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE
M. Pascal KOIRAN
Insa : G. BAYADA
M.Pascal KOIRAN Ecole Normale Supérieure de Lyon
46 allée d‟Italie 69364 LYON Cédex 07
Tél : 04.72.72 84 81 Fax : 04 72 72 89 69 [email protected]
Secrétariat : Fatine Latif - [email protected]
MEGA
MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE
CIVIL, ACOUSTIQUE
M. Jean Louis GUYADER
Secrétariat : M. LABOUNE
M. Jean Louis GUYADER
INSA de Lyon - Laboratoire de Vibrations et Acoustique
Bâtiment Antoine de Saint Exupéry
25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72.18.71.70 Fax : 04 72 18 87 12
ScSo
ScSo (Histoire, Geographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique,
Sociologie, Anthropologie)
M. BRAVARD Jean Paul
Insa : J.Y. TOUSSAINT
M. BRAVARD Jean Paul Université Lyon 2
86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07
Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48 [email protected]
Remerciements
Mustapha Lemiti me guide depuis 6 ans déjà dans le monde du photovoltaïque. Il a su
m‟accompagner, d‟abord durant mes années de formation, puis ensuite pour cette thèse qu‟il a
dirigée. Son appui a été important pour moi, particulièrement dans les périodes de doutes. Je
le remercie de m‟avoir donné le « virus » du photovoltaïque, dont je ne suis pas prêt de
guérir…
Cette thèse existe avant tout grâce à Pierre-Jean Ribeyron. Assez rapidement, il a su
me confier beaucoup de responsabilités dans l‟organisation et la présentation de mes travaux.
C‟est grâce à cette confiance que j‟ai pu, pendant ces trois années, m‟épanouir autant au
niveau professionnel. Je tiens également à le remercier pour avoir quelquefois partagé avec
moi sa vision du monde, empreinte d‟une certaine sagesse.
Jean-Paul Garandet, puis Dick Heslinga ont successivement dirigé le LCS, où se
déroulait la thèse. Merci à eux pour avoir encouragé mes travaux, et pour avoir suivi leur
avancement avec intérêt.
Merci à l‟ADEME pour avoir financé en partie cette thèse, ainsi qu‟à André Claverie
et Yvonnick DURAND qui ont accompagné son évolution.
Françoise Massines et Ramon Alcubilla me font l‟honneur d‟être membre du jury. Je
les remercie également pour leur travail de rapporteur.
J‟ai eu la chance de rencontrer Jean-paul Kleider et Pere Roca i Cabarrocas dans le
cadre de projets de recherche et de conférences. Chaque discussion avec eux se révèle
fructueuse. Je tiens à les remercier pour tous leurs conseils et pour avoir accepté d‟être
membre du jury.
Ma progression dans le monde du photovoltaïque est basée sur des relations
privilégiées avec mes différents « tuteurs » successifs. D‟abord Jean-François Lelièvre et
Erwann Fourmond de l‟INL, puis (surtout) Yannick Veschetti au LCS. Ce fut un réel plaisir
de travailler et apprendre autant avec eux. Je dois ajouter également Sébastien Dubois, qui,
bien que ne m‟ayant pas encadré, a su répondre à un grand nombre de mes questions. Merci
pour leur grande patience, leur disponibilité, et leur pédagogie.
Pendant ces trois années, j‟ai travaillé au sein d‟une équipe qui s‟est agrandie petit à
petit. Au sein de la HET-Team, je tiens à remercier tout particulièrement Aurélie
Vandenheynde, qui a consacré tout son temps et son énergie à faire avancer nos travaux
pendant les derniers mois de la thèse. Merci à Florent Souche, Anne-Sophie Ozanne et
Christine Denis, qui m‟ont également beaucoup aidés. Je n‟oublie pas Delfina Muðoz, ma
correctrice numéro un et néanmoins prof de yoga! Merci pour sa gentillesse et sa générosité.
Remerciements
Merci également à Anthony Favier, qui a tout tenté pour me faire reprendre le skateboard,
avec un succés limité jusqu‟à maintenant…
D‟autres collègues du labo ont fait avancer, de près ou de loin, ces travaux de thèse. Je
remercie Marc « Gyver » Pirot, Nicolas Enjalbert, Rémi Monna, Isabelle Chevalier, Armand
Bettinelli et Bruno Rémiat pour leurs nombreux coups de mains et conseils. Merci également
à Claude Jaussaud pour ses questions théoriques et Vincent Sanzone pour sa passion du débat.
Je tiens à remercier Djicknoum Diouf, Philippe Thony, Alexandre Ferron et Mathieu
Baudrit pour leur implication, à différents niveaux, dans nos études de simulation.
Au début de la thèse, une partie importante de la fabrication des cellules avait lieu au
LPICM. Merci à David Éon, puis Martin Labrune, pour leur collaboration et pour nous avoir
permis de commencer rapidement nos travaux.
Les quelques manips effectuées au CIME m‟ont permis d‟avancer rapidement de
manière autonome. Je tiens à remercier Delphine Constantin, pour m‟y avoir accueilli.
J‟ai eu souvent l‟occasion de collaborer avec l‟INL. Je remercie Anne Kaminski et
Caroline Boulord pour leur implication dans certains aspects de nos travaux. Merci également
à Barbara Bazer-Bachi, avec qui c‟est un plaisir de se poser des questions, puis d‟y répondre!
Je tiens particulièrement à remercier tous les « Précaires » avec qui j‟ai pu partager
mon bureau: Johann Jourdan, Hakim Marko, Mickaël Lozac‟h, Pierre Saint-Cast, Nicolas
Sassiat, Raphaël Cabal, Thomas Schütz-Kuschly, et Jordi Veirman. J‟ai apprécié discuter et
avancer avec eux, dans une ambiance de solidarité qu‟on aimerait retrouver partout.
Même si on passe une (trop) grande partie de sa vie au boulot, il reste encore beaucoup
de temps pour faire autre chose. À Grenoble, j‟ai eu la chance de cotoyer des personnes
extraordinaires: Lucile, Julien, Daphné, Jennifer, Christelle, Mamé, Cédric, Émilie et Jojo. Je
veux les remercier pour tous les bons moments qu‟on a passés ensemble. Merci tout
particulièrement à Jen pour sa douceur, sa patience et ses encouragements. J‟ai eu la chance
de retrouver des colocataires de luxe au Bourget : merci à Florian, Romain et Thomas de se
battre pour faire la vaisselle (et ce n‟est pas du second degré).
Je n‟oublie pas mes amis de Rouen, Lyon et Arêches, que je retrouve à chaque fois
avec joie. La place manquant ici pour tous les nommer, je leur adresse un grand merci
collectif pour les nombreux week end festifs et autres randonnées passés en leur compagnie.
Et pour finir, merci à mes parents, à mon frère et Manouche, ainsi qu‟à ma soeur pour leur
soutien inébranlable depuis toutes ces années. Déjà un quart de siècle qu‟ils me supportent…
dans tous les sens du terme!
- 1 -
TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION - 5 -
ETAT DE L’ART - 11 -
1. Bases sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques en silicium cristallin - 11 - 1.1 Nature du rayonnement solaire - 11 -
1.1.1 Spectre solaire - 11 - 1.1.2 Dualité de la lumière - 12 -
1.2 Effet photoélectrique et production d‟énergie - 13 - 1.2.1 L’effet photoélectrique - 13 - 1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque - 14 - 1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque - 16 -
1.3 Limites intrinsèques à la conversion photovoltaïque - 18 - 1.3.1 Absorption du rayonnement - 18 - 1.3.2 Recombinaisons intrinsèques (radiatives et Auger) - 19 - 1.3.3 Facteur de forme - 20 - 1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si - 20 -
1.4 Limites technologiques à la conversion photovoltaïque - 20 - 1.4.1 Pertes optiques et résistives - 21 - 1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH) - 21 - 1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact - 22 -
2. La cellule photovoltaïque standard en silicium cristallin - 25 - 2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard - 25 -
2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet - 26 - 2.1.2 Champ de Surface Arrière - 27 -
2.2 La cellule standard optimisée: structure PERL - 28 -
2.3 Cellule standard à émetteur inversé - 30 -
3. Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium cristallin à haut rendement - 31
- 3.1 Structures à contacts en face arrière - 31 -
3.2 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si - 34 - 3.2.1 Choix du type de substrat - 37 - 3.2.2 Nettoyage de surface - 39 - 3.2.3 Couches a-Si:H - 40 - 3.2.4 Oxyde Transparent Conducteur (OTC) et contacts - 42 - 3.2.5 Traitements thermiques - 43 - 3.2.6 Critères pour l’optimisation des cellules à hétérojonction silicium - 43 -
3.3 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si et contacts en face arrière - 44 -
Conclusions - 47 -
MATERIEL ET MÉTHODES EXPERIMENTALES - 49 -
1. Fabrication des cellules solaires à hétérojonctions silicium - 50 - 1.1 Dépôts de couches minces a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H - 50 -
1.2 Dépôts d‟ITO et contacts métalliques - 52 -
- 2 -
1.3 Grille de contact en face avant - 53 -
1.4 Découpe des cellules - 54 -
2. Méthodes de caractérisation - 55 - 2.1 Caractérisation des couches minces - 55 -
2.1.1 Propriétés de conduction - 55 - 2.1.2 Épaisseur: ellipsométrie - 56 - 2.1.3 Propriétés de passivation de surface: durée de vie effective - 58 - 2.1.4 Vitesse de recombinaison de surface, courant de saturation de l’émetteur - 60 - 2.1.5 Résistivité spécifique de contact (méthode TLM) - 62 - 2.1.6 Transmission, réflexion et absorption - 64 -
2.2 Caractérisation des cellules solaires - 65 - 2.2.1 Paramètres électriques de la cellule solaire - 65 - 2.2.2 Mesure SunsVoc - 67 - 2.2.3 Réponse spectrale et cartographie en photocourant - 67 -
3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions - 70 -
Conclusions - 72 -
CHAPITRE I : REALISATION ET OPTIMISATION DE L’EMETTEUR ET DES
CONTACTS OHMIQUES - 73 -
1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules à hétérojonctions silicium - 74 - 1.1 Films a-Si:H de type n - 76 -
1.1.1 Influence du flux de gaz dopant - 76 - 1.1.2 Influence de l’épaisseur - 77 -
1.2 Matériaux de contact électrique - 79 - 1.2.1 Mesure de la résistivité spécifique de contact - 79 - 1.2.2 Validation sur cellules à hétérojonction silicium standard - 80 -
2. Fabrication d’émetteurs pour cellules à hétérojonctions silicium - 83 - 2.1 Films a-Si:H de type p - 84 -
2.1.1 Influence du flux de gaz dopant - 84 - 2.1.2 Influence de l’épaisseur - 87 -
2.2 Matériaux de contact électrique - 88 - 2.2.1 Influence du travail de sortie - 88 - 2.2.2 Influence de l’épaisseur d’a-Si:H - 90 -
Conclusions du Chapitre I - 92 -
CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA FACE AVANT - 93 -
1. Simple couche anti-reflet - 94 - 1.1 Films de a-SiNx:H - 94 -
1.2 Films de a-SiCx:H - 96 -
1.3 Films d‟ITO - 97 -
1.4 Comparaison des différents matériaux - 98 -
2. Couche anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de passivation - 100 - 2.1 Couche de a-Si:H mince de passivation - 100 -
2.1.1 Étude du a-Si:H intrinsèque - 100 - 2.1.2 Comparaison entre le a-Si:H intrinsèque et le a-Si:H dopé (n) - 102 - 2.1.3 Étude de l’empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n) - 104 - 2.1.4 Choix de la couche mince de passivation - 105 -
TABLE DES MATIÈRES
- 3 -
2.2 Caractérisation des couches anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de
passivation - 107 - 2.2.1 Influence du dépôt de la couche de confinement optique - 107 - 2.2.2 Pertes optiques - 108 -
Conclusions du Chapitre II - 110 -
CHAPITRE III : DETERMINATION D’UN PROCEDE DE LOCALISATION DES
EMPILEMENTS EN FACE ARRIÈRE - 111 -
1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H - 112 - 1.1 Description de la couche sacrificielle - 112 -
1.2 Procédé « LASER » - 113 -
1.3 Procédé « sérigraphie » - 114 -
1.4 Procédé « masques métalliques » - 114 -
2. Étude de la tolérance sur les alignements et comparaison des procédés de
localisation des couches de a-Si:H - 116 - 2.1 Influence de la tolérance entre les alignements - 116 -
2.2 Procédé « LASER » - 117 -
2.3 Procédé « sérigraphie » - 118 -
2.4 Procédé « masques métalliques » - 120 -
2.5 Comparaison des procédés de localisation des couches a-Si:H - 122 -
3. Procédés de localisation des métallisations - 124 - 3.1 Procédé « sérigraphie » - 126 -
3.2 Procédé « masques métalliques » - 127 -
Conclusions du Chapitre III - 129 -
CHAPITRE IV : FABRICATION ET OPTIMISATION DE DISPOSITIFS À
HÉTÉROJONCTIONS SILICIUM ET CONTACTS EN FACE ARRIÈRE - 131 -
1. Fabrication de dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière - 132 - 1.1 Géométrie des dispositifs - 132 -
1.2 Procédé de fabrication - 135 -
1.3 Caractérisation des précurseurs de cellule - 136 - 1.3.1 Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection - 136 - 1.3.2 Cartographies en durée de vie effective - 138 -
1.4 Métallisation des précurseurs de cellule - 139 -
1.5 Caractérisation des premiers dispositifs - 141 - 1.5.1 Paramètres électriques sous éclairement AM1.5 - 142 - 1.5.2 Caractérisation des pertes résistives - 143 - 1.5.3 Caractérisation des pertes en courant - 144 -
2. Optimisation des dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière -
147 - 2.1 Modélisation des dispositifs - 147 -
2.1.1 Influence du dopage et de la largeur du contact sur le champ de surface arrière - 147 - 2.1.2 Influence du dopage et de la largeur du contact sur l’émetteur - 148 -
2.2 Fabrication de cellules à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière
optimisées - 154 -
TABLE DES MATIÈRES
- 4 -
Conclusions du Chapitre IV - 156 -
CHAPITRE V : DISCUSSION SUR LES PARAMÈTRES LIMITANTS - 157 -
1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium - 158 - 1.1 Couches a-Si:H - 158 -
1.2 Matériaux de contact - 159 -
2. Structure de la face avant - 161 - 2.1 Face avant réalisée à basse température (≤ 200°C) - 161 -
2.2 Face avant réalisée à haute température (≥ 200°C) - 162 -
3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication - 163 - 3.1 Contraintes expérimentales et optimisation de la géométrie - 163 -
3.2 Problématiques 3D - 165 - 3.2.1 Zones de busbar - 165 - 3.2.2 Recombinaisons sur les bords des cellules - 166 -
Conclusions du Chapitre V - 167 -
CONCLUSION GÉNÉRALE - 169 -
RÉFÉRENCES 173
PUBLICATIONS DE L’AUTEUR - 187 -
RESUME GENERAL 190
ABSTRACT 190
- 5 -
INTRODUCTION
Selon l‟Agence Internationale de l‟Énergie, entre 1973 et 2007, la consommation
énergétique mondiale a quasiment doublé, en passant de 5.4x104 à 9.6x10
4 TWh par an. Plus
de 15% de cette énergie est aujourd‟hui consommée sous forme d‟électricité, soit près de
1.6x104 TWh par an [IEA09]. L‟électricité est un vecteur d‟énergie invisible, inodore et
silencieux, mais qui se stocke difficilement. Son utilisation à grande échelle s‟est donc
développée sur un modèle centralisé, où les unités de productions sont reliées aux
consommateurs par un réseau. Au niveau mondial, plus de 80% de l‟électricité est produite à
partir de combustibles fossiles (67%) et fissiles (15%) non renouvelables. Au rythme de
consommation actuelle, les réserves prouvées de ces combustibles seront épuisées à l‟échelle
d‟une centaine d‟année [Jancovici08].
Au niveau environnemental, la production d‟électricité mondiale est responsable de
l‟émission de plus de 1x1010
tonnes de CO2 par an [Carma08] soit un tiers des émissions de
CO2 anthropogéniques [IEA09]. Or le CO2 est un gaz à effet de serre (GES) qui contribue
fortement au réchauffement climatique mondial, constaté depuis l‟ère industrielle.
L‟amenuisement des ressources non renouvelables, ainsi que l‟augmentation de la
température du globe, présentent de nombreux risques de tensions au niveau mondial. Afin de
faire face à ce problème, il est nécessaire d‟agir sur plusieurs points résumés par la démarche
Négawatt [Négawatt06]:
1. Favoriser la sobriété énergétique
2. Améliorer l‟efficacité énergétique
3. Développer les sources d‟énergies renouvelables.
Les énergies renouvelables (ENR) sont basées non plus sur l‟exploitation d‟un stock
(pétrole, gaz, charbon, uranium), mais sur celle d‟un flux (soleil, vent, eau). Parmi les
différentes ENR, l‟électricité photovoltaïque (PV) ne représente aujourd‟hui qu‟un infime
pourcentage de la production mondiale d‟électricité. Son potentiel est pourtant quasiment
infini au regard de l‟énergie envoyée annuellement par le soleil sur la Terre (7.5x108 TWh
[Lelièvre07]. A titre d‟exemple, il suffirait théoriquement d‟équiper tous les toits des USA de
modules PV pour fournir ¾ des besoins en électricité de ce pays [EF05].
Le principal frein au développement de l‟électricité photovoltaïque (PV) vient de son
coût encore trop élevé par rapport aux sources conventionnelles. Un kWh produit par un
système photovoltaïque coûte entre 20 et 40 centimes d‟euro, soit cinq à dix fois plus que son
équivalent non renouvelable [MEEDAT08]. En site isolé (non connecté à un réseau),
l‟électricité PV est en revanche compétitive et donc largement utilisée. De plus, le kWh
produit par un système PV génère 10 à 20 fois moins de GES que son équivalent produit à
l‟aide de charbon [Meier02] et ne génère pas de déchets radioactifs. C‟est pourquoi le PV fait
l‟objet d‟un soutien croissant de la part des pouvoirs publics de pays comme l‟Allemagne, le
INTRODUCTION
- 6 -
Japon et plus récemment l‟Espagne, les USA, et la France. Ces pays souhaitent voir une partie
grandissante de leur électricité produite par les ENR. Comme le montre la Figure 1, la
capacité de production d‟électricité par des modules PV a ainsi connu un très fort
développement depuis les années 2000.
Figure 1. Puissance photovoltaïque globale installée par région du monde [EPIA09]
Le mécanisme le plus utilisé pour soutenir la filière PV repose sur l‟obligation de
rachat de l‟électricité PV produite, à un prix fixé légalement. Les opérateurs énergétiques
doivent donc acheter l‟électricité PV à un tarif plus élevé que le tarif de vente. En général les
installations individuelles bénéficient d‟un tarif de rachat supérieur à celui des centrales
solaires de forte capacité, aussi appelées « fermes » solaires.
Un système photovoltaïque comprend en général plusieurs modules PV constitués de
cellules interconnectées, ainsi qu‟un onduleur chargé de transformer le courant continu en
courant alternatif. Globalement, le module doit remplir plusieurs fonctions : connecter les
cellules entre elles de manière à fournir la tension voulue, les protéger contre l‟environnement
(érosion, humidité, grêle, sel, UV, etc.), et les protéger d‟éventuels dysfonctionnements
(échauffement, ombrage) par des diodes bypass. L‟efficacité du module PV est d‟abord
caractérisée par son rendement, c'est-à-dire l‟énergie qu‟il produit par rapport à l‟énergie
lumineuse incidente. Plus ce rendement est élevé, plus la surface occupée par les modules
pour produire une quantité fixée d‟électricité peut être réduite. Pour un module intégré au bâti
(toiture, façade), ce critère peut devenir important dans la mesure où la surface disponible est
limitée. Les modules sont également évalués par le rapport entre leur coût et leur puissance
INTRODUCTION
- 7 -
maximale, exprimé en Euro par Watt-crête (Wc). Il existe de nombreuses technologies de
modules PV qui diffèrent par les matériaux utilisés dans la fabrication des cellules et par les
technologies d‟interconnexion de ces cellules entre elles. Le Tableau 1 résume les
performances moyennes des principales filières au niveau des modules.
Tableau 1. Rendement moyen des modules PV commercialisés pour les différentes
technologies dominantes [EPIA09]
Technologie
Couches minces Silicium cristallin
(c-Si)
Silicium
amorphe
(a-Si)
Tellure de
Cadmium
(CdTe)
CI(G)S
Tandem (a-Si /
silicium
microcristallin)
Mono
c-Si
Multi
c-Si
Rendement
AM1.5 (%) 5-7 8-11 7-11 8 13-15 12-14
Surface par
kWc (m2)
15 11 10 12 7 8
La technologie dominant actuellement est celle des cellules à base de silicium
cristallin (c-Si). Elle existe depuis environ 50 ans et constitue actuellement plus de 80% des
ventes au niveau mondial [EPIA08]. Les cellules c-Si permettent d‟obtenir les meilleures
performances au niveau du module avec 13 à 15% de rendement en moyenne. De plus, leur
fiabilité est démontrée par la longévité d‟installations fonctionnant depuis plusieurs dizaines
d‟années. Cette technologie bien établie au niveau industriel est toutefois limitée par son coût
élevé. La répartition des différentes sources de coûts de l‟électricité produite au niveau d‟un
module PV à base de c-Si est donnée dans la Figure 2.
Figure 2. Répartition des coûts dans la fabrication d’un module PV utilisant des cellules
en c-Si [delCanizo09]
INTRODUCTION
- 8 -
Parmi les différentes possibilités permettant de diminuer le coût de l‟électricité PV, au
niveau du module, deux solutions technologiques sont particulièrement intéressantes :
1/ La diminution du coût du substrat c-Si.
Cette solution passe d‟abord par l‟utilisation de substrats plus minces, de l‟ordre d‟une
centaine de microns, au lieu des 200 µm actuels. En effet la diminution de 25% de l‟épaisseur
de la cellule permet une réduction de 10% du coût du module [delCanizo09]. D‟autre part, il
existe différents types de c-Si de qualité et donc de prix variables. Le silicium multi-cristallin
(mc-Si) de qualité solaire est moins cher que le mono-cristallin, et son utilisation est
synonyme de réduction du coût du matériau. En revanche, le rendement maximal atteint par
des cellules mc-Si est inférieur à celui obtenu sur monocristal (20.1% contre 25.0%
[Green09]) à cause de la qualité inférieure du substrat. Des solutions alternatives telles que le
transfert de couches [Kraiem06], ou la croissance de rubans [Schmidt02] permettraient
également de diminuer le coût du c-Si en limitant les pertes dues au sciage des lingots.
2/ L’augmentation du rendement des cellules
Le fait d‟utiliser des cellules plus efficaces dans les modules PV permet de diminuer le
coût du système complet. En effet, pour une même puissance produite, les frais de mise en
module et d‟installation sont alors réduits. Ainsi, une augmentation de 10% relatifs du
rendement des cellules entraîne 10% d‟économies sur le module [delCanizo09] et diminue
également le coût du système complet. De nombreuses recherches ont été menées depuis les
années 1980 pour améliorer le rendement des cellules PV c-Si vers leur limite théorique de
29% [Kerr02b]. Trois structures de cellule ont démontré leur potentiel pour atteindre les très
hauts rendements sur du c-Si monocristallin de bonne qualité :
La structure PERL (Passivated Emitter Rear Locally Diffused) a été
développée par l‟UNSW (University of New South Wales, Australie) sur le modèle de la
cellule standard à base de c-Si type p. Un rendement expérimental de 24.7% sur une cellule de
4 cm2 a pu être démontré en 1999 [Zhao99] (25.0% avec la nouvelle norme sur l‟éclairement
standard [Green09]). Cependant, la complexité du procédé de fabrication, avec plusieurs
étapes d‟alignement par photolithographie empêche son industrialisation. L‟entreprise
Suntech travaille en collaboration avec l‟UNSW afin d‟industrialiser des cellules s‟inspirant
de la structure PERL. Ces cellules, nommées PLUTO, atteignent des rendements proches de
19% [Shi09] sur leur ligne de production.
La structure à contacts interdigités en face arrière IBC (Interdigitated Back
Contacts) a d‟abord été développée à l‟échelle du laboratoire et sur surface réduite par
l‟Université de Stanford [Swanson85]. Cette structure utilise la technologie de contacts
localisés (Point-Contact) et nécessite plusieurs étapes d‟alignements par photolithographie.
SunPower Corp. a pu diminuer le nombre d‟alignements en simplifiant la structure puis
industrialiser sa production sur c-Si de type n sans étape de photolithographie [Mulligan04].
Des cellules de 148 cm2 avec un rendement moyen de 22.4% (max 23.4%) sont fabriquées sur
INTRODUCTION
- 9 -
leur ligne de production industrielle [DeCeuster07]. Ces excellents résultats ont été obtenus
grâce aux très faibles pertes optiques et résistives de cette structure. Ils sont toutefois encore
limités par des recombinaisons aux contacts et dans les zones dopées thermiquement
[Swanson05].
Un troisième type de cellules à haut rendement utilise l’hétérojonction
silicium (Si-HJ) entre le silicium amorphe hydrogéné a-Si:H et le silicium cristallin c-Si.
Cette structure, découverte par Fuhs et al en 1974 [Fuhs74], a été étudiée par Sanyo depuis les
années 1990. Son point fort réside dans l‟obtention de très faibles recombinaisons de surface
tout en utilisant un procédé entièrement à basse température (200°C). Au niveau R&D, le
meilleur rendement atteint est de 23.0% sur des cellules Sanyo de 100 cm2
[Sanyo09]. Les
cellules produites industriellement atteignent quant à elles quasiment 20% de rendement
[Taira07]. La structure des cellules HET implique cependant des pertes optiques limitant le
courant collecté. Ces pertes sont dues à l‟ombrage de la grille de contact ainsi qu‟à
l‟absorption d‟une partie du rayonnement dans les couches déposées.
La combinaison des deux dernières technologies a été évoquée pour la première fois
dans une demande de brevet d‟EBARA publiée en 2003 [Mishima03]. Cette structure à
hétérojonctions et contacts interdigités en face arrière (Si-HJ IBC) permettrait théoriquement
de réduire les pertes optiques et résistives dans la cellule, tout en limitant les recombinaisons
de surface. En 2005, R. M. Swanson de SunPower Corp a montré que le rendement potentiel
d‟une telle structure est supérieur à 25% [Swanson05]. De plus, l‟expérience de Sanyo et
Sunpower montre que ces deux technologies sont d‟ores et déjà validées séparément du point
de vue industriel.
Le fort potentiel des cellules Si-HJ IBC justifie notre étude visant à développer cette
structure sur c-Si de type n, principalement du point de vue expérimental mais également au
niveau de sa modélisation. Notre démarche consiste à séparer les différentes étapes de
fabrication en autant de sujets d‟étude.
Ainsi, ce travail commence par l‟étude d‟empilements (a-Si:H / matériau de contact)
permettant la réalisation d‟un champ arrière répulsif (Back Surface Field ou BSF) et d‟un
émetteur (Chapitre I). Pour cela, une évaluation des pertes résistives et des propriétés de
passivation des différents empilements a été menée, dans le but de les utiliser sur la structure
Si-HJ IBC.
La suite de l‟étude est consacrée à la détermination d‟une Couche Anti-Reflet (CAR)
adaptée à la face avant des cellules Si-HJ IBC (Chapitre II). Des objectifs en termes de
vitesse de recombinaison de surface et de transmission effective du rayonnement ont été
définis à cet effet. Un procédé de localisation des différents empilements est ensuite
sélectionné (Chapitre III), en évaluant sa rapidité d‟exécution et sa « propreté ». Ces
recherches ont mené au dépôt d‟une demande de brevet sur une technique de localisation par
masques métalliques [Bettinelli08].
INTRODUCTION
- 10 -
Le chapitre suivant aboutit à la fabrication et l‟optimisation de démonstrateurs de
cellules Si-HJ IBC sur une surface de 25 cm2
(Chapitre IV). Pour cela, nous avons utilisé les
empilements étudiés dans le chapitre I, la CAR déterminée dans le chapitre II et le procédé de
localisation sélectionné dans le Chapitre III. Ceci constitue une première mondiale et a fait
l‟objet d‟une publication à la 23e Conférence Européenne sur l‟Énergie Solaire
Photovoltaïque [Desrues08]. Le dernier chapitre permet une discussion sur les principales
limites théoriques et expérimentales des structures Si-HJ IBC (Chapitre V).
Les réalisations expérimentales ont été menées principalement au CEA (Commissariat
à l‟Énergie Atomique) de Grenoble puis au Bourget du Lac sur le site de l‟INES (Institut
National de l‟Énergie Solaire). Les modélisations ont été développées en collaboration avec le
LGEP (Laboratoire de Génie Électrique de Paris). La totalité de ce travail a été réalisé dans le
cadre du projet ANR QCPassi (Quantum Cutting and Passivation for Back-Contacted Hetero-
junction Solar Cells) et cofinancé par l‟ADEME (Agence de l‟Environnent et la Maîtrise de
l‟énergie) et le CEA.
- 11 -
ETAT DE L’ART
1. Bases sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques en
silicium cristallin
1.1 Nature du rayonnement solaire
1.1.1 Spectre solaire
Le soleil est constitué principalement de gaz, dont la fusion continue produit une
quantité d‟énergie phénoménale. La fusion des atomes d‟hydrogène en atomes d‟hélium
permet en effet d‟atteindre des températures de l‟ordre de 20 millions de degrés Kelvin
[Honsberg09]. Cette énergie se traduit par l‟émission d‟un rayonnement composé de
longueurs d‟ondes majoritairement comprises entre 0.2 μm et 3 μm. Hors atmosphère le
rayonnement émis par le soleil (AM0) est constitué de:
9% d’UV (0.1< λ <0,4 μm)
43% de visible (0.4< λ <0,75 μm)
48% d’infrarouges (0.75< λ <5 μm)
On représente le rayonnement par un spectre donnant l‟irradiance en fonction de la
longueur d‟onde (Figure 3). Pour le soleil, ce spectre est comparable à celui d‟un corps noir à
une température d‟environ 5800 K.
Figure 3. Spectre représentant l’irradiance solaire sur Terre (AM1.5G)
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 12 -
À la surface de la Terre, le spectre solaire n‟est plus le même que dans l‟espace, car il
est pondéré par l‟absorption des molécules présentes dans l‟atmosphère (O3, CO2, H2O, …).
Les conditions climatiques ainsi que la présence de particules influencent également la valeur
réelle du spectre. Pour pouvoir comparer les performances des cellules solaires et qualifier les
différents spectres solaires utilisés, la notion d‟Air-masse (AM), ou « masse atmosphérique »
a été créée. Sa valeur dépend de la pression, de l‟altitude et de l‟angle d‟incidence des rayons
lumineux. L‟intégration de l‟irradiance sur la totalité du spectre permet d‟obtenir la puissance
P (en W.m-2
) fournie par le rayonnement. Pour simplifier on utilise les notations suivantes :
AM0 : Hors atmosphère (applications spatiales). P ≈ 1.36 kW.m-2
AM1 : Le soleil est au zénith du lieu d‟observation (à l‟équateur).
AM1.5G : Spectre standard, le soleil est à 45°. P ≈ 1 kW.m-2
1.1.2 Dualité de la lumière
La lumière peut être considérée sous forme d‟ondes électromagnétiques de longueur
d‟onde λ ou sous forme de photons, corpuscules possédant une énergie E liée à λ par la
relation (1).
hchE (1)
Avec : h : Constante de Planck (J.s)
c : Vitesse de la lumière dans le vide (m.s-1
)
ν : Fréquence (s-1
)
λ : Longueur d‟onde (m)
La notion de dualité onde/corpuscule est importante pour comprendre les phénomènes
d‟interaction entre un rayonnement et un matériau. L‟absorption d‟un rayonnement dans un
matériau s‟explique en effet simplement par l‟échange d‟énergie entre les atomes du matériau
et les corpuscules de la lumière. Le coefficient d‟absorption (en m-1
) dépend de la longueur
d‟onde des photons incidents, ainsi que du coefficient d‟extinction k, selon la relation (2).
k4 (2)
En général les faibles longueurs d‟ondes (très énergétiques) sont donc plus facilement
absorbées. Cependant, le coefficient d‟extinction d‟un matériau varie également avec la
longueur d‟onde, ce qui peut faire varier cette tendance. Le phénomène d‟absorption est décrit
par la loi de Beer-Lambert (3).
)xexp(II 0 (3)
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 13 -
Avec : I0 : Intensité de la lumière incidente (W)
I : Intensité de la lumière sortante (W)
x : Longueur du trajet optique (m)
Les photons les plus énergétiques sont donc absorbés en quasi-totalité à proximité
immédiate de la surface éclairée. En revanche, une partie des photons moins énergétiques peut
traverser une partie du matériau, voire sa totalité, sans être absorbée.
1.2 Effet photoélectrique et production d’énergie
1.2.1 L’effet photoélectrique
Découvert par Becquerel en 1839, puis expliqué par Einstein au début du XXe siècle,
l‟effet photoélectrique (ou photovoltaïque) provoque, sur certains matériaux, l‟émission d‟une
petite quantité d‟électricité lorsqu‟ils sont exposés à la lumière. Pour cela, il faut d‟abord que
l‟énergie des photons incidents soit transmise à des porteurs de charge (électrons ou trous)
dans le matériau. L‟absorption des photons dans un matériau conducteur ou semi-conducteur
permet en effet la libération d‟une certaine quantité de porteurs libres. Ce mécanisme de
photogénération peut être représenté à l‟aide des états énergétiques des bandes de valence et
de conduction, séparées par un gap d‟énergies interdites (EG).
Dans les matériaux conducteurs, les charges libérées se recombinent quasi-
instantanément et peuvent difficilement être collectées. L‟usage de certains matériaux semi-
conducteurs permet la réduction de ces recombinaisons et l‟application de l‟effet
photovoltaïque à la production d‟électricité.
Un matériau semi-conducteur se caractérise par son énergie de gap EG entre la bande
de valence (BV) et la bande de conduction (BC). A l‟équilibre, les électrons possèdent une
énergie correspondant à des états situés dans la BV et sont dits « liés ». Un photon incident,
dont l‟énergie h est supérieure à l‟énergie de gap EG du matériau, peut permettre le passage
d‟un électron de la bande de valence à la bande de conduction. On considère alors que
l‟électron ayant rejoint la bande de conduction est excité, et qu‟il laisse un trou (équivalent à
une charge positive) dans la bande de valence. La paire électron/trou (e/h) créée forme un
exciton. Le transfert d‟énergie entre le photon incident et l‟électron de la BV respecte les lois
de conservation de l‟énergie et de la quantité de mouvement. Le vecteur d‟onde k des photons
a cependant une valeur beaucoup plus faible que celui des électrons. Les transitions
énergétiques de ceux-ci se font alors sans changement de vecteur d‟onde mais verticalement
dans l‟espace des k (Figure 4).
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 14 -
Figure 4. Transitions électroniques pour un gap direct et un gap indirect
Lorsque dans l‟espace des k, le minimum de la bande de conduction correspond au
maximum de la bande de valence, on parle de gap direct. Dans le cas du silicium cristallin (c-
Si) les photons très énergétiques (E ≥ 1.8eV) voient un gap direct. Pour des énergies plus
faibles, le gap est indirect car les transitions radiatives entre les extrema des bandes ne
peuvent se faire qu‟avec la participation d‟un phonon. Les phonons sont des vibrations du
réseau apportant ou absorbant la quantité de mouvement nécessaire. Les transitions faisant
appel aux phonons (gap indirect) sont donc moins probables que dans le cas d‟un gap direct.
L‟effet photoélectrique est donc plus ou moins important en fonction du matériau semi-
conducteur utilisé. De plus, pour extraire véritablement l‟énergie transmise du rayonnement à
la matière, un dispositif de collecte des charges photogénérées est nécessaire.
1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque
La séparation des paires e-/h+ et la collecte des charges libres sont facilitées par la
présence d‟un champ électrique au sein du matériau. Les chercheurs des laboratoires Bell ont
utilisé pour la première fois en 1954 le champ électrique d‟une jonction (ou diode) n+/p dans
une cellule solaire [Chapin54]. Cette structure simple est constituée d‟une base en c-Si de
type p dopée n+ localement pour former l‟émetteur. La différence de concentration d‟électrons
entre la zone dopée n+ et celle de type p entraîne une tension de diffusion VD à la jonction des
deux zones de conductivité opposée. La tension de diffusion provoque un champ électrique
intrinsèque à la jonction, dans une zone appelée ZCE (Zone de Charge d‟Espace). À
l‟équilibre, cette zone désertée de porteurs libres est présente essentiellement dans la région la
moins dopée. Sa largeur varie en moyenne entre 0.1 et 1 micron en fonction du profil et du
niveau de dopage. On distingue alors, dans la diode p/n, deux zones : les zones neutres
(émetteur et base) où il ne règne aucun champ électrique, et la ZCE. À la jonction, le champ
électrique intrinsèque permet l‟accélération des porteurs minoritaires vers la zone où ils sont
majoritaires. Ainsi, les électrons de la base de type p sont accélérés vers la zone d‟émetteur
dopée n+.
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 15 -
Lorsque la base et l‟émetteur de la diode sont réalisés dans un seul matériau (même
EG), on parle d‟une homojonction p/n. La valeur de la tension de diffusion VD peut s‟exprimer
en fonction des densités de dopants dans l‟émetteur et la base du matériau semi-conducteur
par la relation (4). Si les densités de dopages étaient égales aux densités d‟états du matériau,
la tension de diffusion de la jonction serait égale à EG/q. Ce cas est limité par les
recombinaisons de porteurs et la diminution de la valeur de EG pour les matériaux très dopés
(Band Gap Narrowing ou BGN) [Sze81].
)NN
NNln(
q
E)
n
NNkTln(qV
VC
DAG
2
i
DAD
(4)
Avec : EG : Énergie de gap du matériau semi-conducteur (eV)
ND : Densité d‟impuretés de type donneur (cm-3
)
NA : Densité d‟impuretés de type accepteur (cm-3
)
NC : Densité d‟états dans la bande de conduction (cm-3
)
NV : Densité d‟états dans la bande de valence (cm-3
)
ni2 : Concentration de porteurs intrinsèques (cm
-6)
L‟équation (5) permet de modéliser la densité de courant fournie par une diode idéale
soumise à une rampe de tension. Cette caractéristique courant-tension (I-V, ou J-V pour la
densité de courant) est en effet particulièrement représentative de la qualité du dispositif. Ce
modèle utilise un facteur d‟idéalité (n) ainsi qu‟une densité de courant de saturation (J0) pour
décrire son fonctionnement.
)1)nkT
qV(exp(JJ 0obsc (5)
Avec : q : Charge élémentaire (C)
V : Tension aux bornes de la jonction (V)
k : Constante de Boltzmann (J.K-1
)
T : Température (K)
I0 : Courant de saturation de la diode (A)
n : Facteur d‟idéalité de la diode
La densité de courant de saturation de la diode (J0) représente le courant de fuite
franchissant la barrière VD. Il est d‟autant plus fort que les recombinaisons dans le matériau
et/ou en surface sont élevées. Le courant de saturation est dû aux différents phénomènes de
recombinaisons en surface et en volume du dispositif. Dans le cas où les défauts dans la base
de type p dominent, son expression analytique (6) dépend des mécanismes de recombinaisons
prépondérants.
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 16 -
n
n0
L
nqDJ (6)
La longueur de diffusion des porteurs minoritaires Ln dans la base de type p donne une
indication sur la qualité de celle-ci. Moins le matériau montre de défauts, plus la longueur de
diffusion est grande, et plus le J0 est faible. Le courant de saturation J0 dépend également de la
diffusivité Dn (cm2.s
-1) et de la densité n de porteurs minoritaires dans la base.
La qualité d‟un matériau peut également être exprimée par la durée de vie des porteurs
minoritaires (τ en s). En effet τ et la longueur de diffusion des porteurs minoritaires dans le
matériau sont liés par l‟équation (7).
2/1nn )D(L (7)
Un J0 de la diode élevé entraîne une augmentation plus rapide du courant direct avec la
tension. Une limite inférieure à la valeur de J0 (0.27 fA.cm-2
) peut être calculée en considérant
uniquement les recombinaisons radiatives intrinsèques au matériau. Cependant au niveau
expérimental des valeurs 100 à 1000 fois supérieures sont obtenues [Swanson05].
1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque
L‟éclairement d‟une diode provoque l‟apparition d‟un courant de photogénération
dans le dispositif. Ce flux lumineux rompt l‟équilibre thermodynamique en changeant les
populations d‟électrons et de trous. A titre d‟exemple, un éclairement AM1.5 libère environ
1x1015
cm-3
porteurs de charge dans le silicium cristallin. En général l‟éclairement impacte
peu la densité de porteurs majoritaires, dans la mesure où celle-ci est supérieure à 1x1015
cm-3
dans un semi-conducteur dopé. En revanche, la population de porteurs minoritaires augmente
sensiblement avec l‟éclairement, provoquant ainsi l‟apparition d‟un courant inverse
proportionnel à l‟éclairement. Une diode sous éclairement voit ainsi sa caractéristique J-V
décalée par l‟apparition d‟une densité de courant inverse JPh dû aux porteurs photogénérés.
L‟équation de la diode sous éclairement (8) montre la compétition entre JPh (proportionnel à
l‟intensité du flux lumineux) et la densité de courant direct Jobsc qui dépend de la tension
appliquée et de la qualité du dispositif.
Phobsctéclairemen JJJ (8)
La caractéristique J-V d‟une diode sous éclairement (Figure 5) permet la
détermination des paramètres suivants :
Jcc : Densité de courant de court-circuit
Vco : Tension de circuit ouvert
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 17 -
Pmax : Puissance maximale débitée par la photodiode
Jmax : Densité de courant au point de puissance maximale
Vmax : Tension au point de puissance maximale
La puissance électrique produite par une diode sous éclairement est égale au produit
de l‟intensité délivrée et de la tension à ses bornes. Il faut ainsi adapter la charge aux bornes
du dispositif afin de le faire fonctionner au point de puissance maximale Pmax (Vmax, Imax).
Figure 5. Caractéristiques J-V et P-V sous éclairement
Le facteur de forme (FF) de la courbe J-V exprime la différence entre la puissance
réelle débitée par la cellule et sa puissance idéale égale au produit JccxVoc. Le FF est limité
dans la plupart des cas par des résistances parasites et son expression est donnée par la
relation (9).
ccco
maxmax
JV
JVFF (9)
On appelle rendement de conversion η le rapport de la puissance fournie par la cellule
sur la puissance incidente (l‟éclairement). Il s‟exprime selon l‟équation (10) en fonction des
paramètres extraits de la courbe J-V sous éclairement.
incidente
ccco
incidente
maxmax
incidente
max
P
FFJV
P
JV
P
P (10)
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 18 -
Les trois paramètres principaux caractérisant un dispositif PV sont donc sa Jcc, sa Vco
et son FF. La valeur de Jcc est influencée par la longueur de diffusion des porteurs mais
également par des facteurs optiques tels que l‟absorption et la réflexion du flux lumineux. Le
facteur de forme est limité dans la plupart des cas par des résistances et courts-circuits
parasites. La Vco est liée au rapport entre les densités de courant de court-circuit et de
saturation de la diode par la relation (11) [MacDonald01].
)J
Jln(
q
kTV
0
ccco (11)
1.3 Limites intrinsèques à la conversion photovoltaïque
1.3.1 Absorption du rayonnement
Le rayonnement solaire s‟étend sur un large spectre de longueurs d‟ondes (0.1 à 5 µm)
et une grande partie de son énergie n‟est pas exploitée par une cellule c-Si à simple jonction.
L‟énergie de gap EG du c-Si (1.12 eV) correspond à une longueur d‟onde de 1.1 µm. Si les
photons incidents ont une énergie inférieure à EG (longueur d‟onde supérieure à 1.1 µm), ils
ne peuvent pas générer de porteurs libres et traversent le matériau sans être absorbés. En
revanche, quand leur énergie est supérieure à EG, l‟excès d‟énergie est thermalisé et perdu
pour la conversion. La Figure 6 montre le spectre effectivement exploité par une cellule c-Si
par rapport au spectre solaire AM1.5. Avec un confinement optique idéal, la Jcc maximale
d‟une cellule c-Si peut atteindre 42.5 mA.cm-2
sous un éclairement AM1.5 [Swanson05].
Figure 6. Influence des différentes pertes dues aux mécanismes d’absorption dans le c-
Si. (1) Thermalisation des photons d’énergie supérieure à 1.12 eV; (2) Photons
d’énergie inférieure à 1.12 eV non absorbés [Lelièvre07]
1
2
1
2
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 19 -
1.3.2 Recombinaisons intrinsèques (radiatives et Auger)
Lorsqu‟un matériau semi-conducteur est soumis à une excitation (thermique,
lumineuse, …), son équilibre est rompu et des porteurs en excès apparaissent. Ces porteurs en
excès restent libres jusqu‟à ce qu‟ils perdent leur énergie, c'est-à-dire qu‟ils recombinent. La
durée de vie des porteurs (τ en s) dépend de la densité de porteurs en excès (Δn en cm-3
) et du
taux de recombinaison (U en s-1
.cm-3
) selon l‟équation (12).
U
n (12)
Différents phénomènes de recombinaison existent au sein d‟un semi-conducteur
comme le silicium cristallin. Certains comme les phénomènes Auger et radiatifs sont
intrinsèques au matériau, tandis que d‟autres dépendent plus de la qualité du matériau (voir
Etat de l‟art §1.4.2).
Dans un semi-conducteur à gap direct le mécanisme de recombinaison radiative
domine les autres phénomènes. C‟est l‟inverse de la création d‟une paire e/h par un photon :
un électron de la bande de conduction retourne dans la bande de valence en cédant de
l‟énergie sous forme lumineuse, en émettant un photon. L‟énergie du photon émis étant égale
ou proche de celle du gap, il pourra avec une faible probabilité être « recyclé » et créer une
nouvelle paire e/h. Pour un semi-conducteur à gap direct, les recombinaisons radiatives sont
importantes car elles se font sans la participation de phonons. En revanche pour un gap
indirect comme le c-Si, les recombinaisons radiatives sont peu probables. Dans ce cas
l‟électron doit émettre simultanément un photon et un phonon pour changer d‟état. Selon la
relation (13), le taux de recombinaisons radiatif (Urad) dépend d‟une constante B
caractéristique du matériau et sa valeur est faible pour le c-Si (1x10-14
cm3.s
-1)
[Schlangenotto74].
)nNn(BU Arad (13)
Le processus de recombinaison Auger (UAuger) est non radiatif et implique
l‟interaction de trois particules. L‟énergie libérée par la recombinaison d‟un électron de la
bande de conduction et un trou de la bande de valence est ici transférée à un autre porteur
libre (électron ou trou). Ce porteur thermalise ensuite cette énergie en revenant à un état
énergétique inférieur proche de la limite de bande. Ce mécanisme de recombinaison (plus
compliqué en réalité) est dominant à fort taux d‟injection et pour de fortes densités de dopants
[Dubois07]. Il peut être décrit par la relation (14) pour des faibles injections et dépend d‟un
coefficient Auger (CA en cm-6
.s-1
) différent selon le type de matériau considéré
[MacDonald01].
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 20 -
2AAAuger NnCU (14)
La tension de circuit ouvert maximale d‟un dispositif PV est en réalité limitée par les
mécanismes de recombinaison évoqués ci-dessus. Si l‟on considère que les surfaces de la
cellule ne provoquent aucun phénomène de recombinaison (cas idéal), la principale limitation
de la Vco provient du volume. La valeur maximale que l‟on pourrait atteindre dépend donc de
l‟épaisseur de la cellule, elle est de l‟ordre de 770 mV pour une cellule d‟une épaisseur de 100
µm [Tiedje84] et pourrait atteindre 800 mV en réduisant l‟épaisseur du substrat à 20 µm
[Green84].
1.3.3 Facteur de forme
Dans le cas idéal, la courbe J-V est rectangulaire. La puissance maximale produite par
la cellule sous éclairement est alors égale au produit Icc x Vco. En réalité, les caractéristiques
courant-tension suivent une forme exponentielle (équation de Boltzmann), ce qui limite la
puissance maximale au produit Im x Vm. Sous un soleil, le facteur de forme maximal théorique
d‟une cellule solaire en silicium cristallin à haut rendement est de 89% [Szlufcik97].
1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si
Le rendement de conversion maximal théorique des cellules photovoltaïques peut être
déterminé par une approche thermodynamique tenant compte des différentes limitations
intrinsèques au dispositif. Schockley et Queisser ont ainsi calculé en 1961 le rendement
maximal théorique pour une cellule à simple jonction (EG = 1.1 eV), en considérant
uniquement les recombinaisons radiatives. Sous un éclairement AM1.5, ce rendement atteint
la valeur de 33% [Schockley61]. Tiedje et al ont ensuite amélioré le modèle en introduisant
une connexion entre l‟analyse thermodynamique et la modélisation du dispositif lui-même
(cellule en silicium cristallin). En tenant compte de l‟effet de l‟épaisseur du substrat et des
recombinaisons non radiatives (Auger), le rendement maximal est alors de 29.8% [Tiedge84].
En 2002, Kerr et al ont apporté des modifications à ce calcul en améliorant la modélisation
des phénomènes de recombinaisons Auger et en introduisant le « recyclage des photons »
pour les recombinaisons radiatives. À l‟aide de ces améliorations, un rendement maximal
théorique de 29.05% a été calculé pour une épaisseur de substrat optimale de 90 µm
[Kerr02b].
1.4 Limites technologiques à la conversion photovoltaïque
On a vu dans la partie précédente que le rendement maximal théorique pour une
cellule en silicium cristallin peut atteindre des valeurs supérieures à 29%. La différence entre
ce rendement et ceux obtenus expérimentalement est due à des pertes technologiques, c'est-à-
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 21 -
dire qui sont potentiellement évitables par l‟utilisation de technologies adaptées. Une cellule
photovoltaïque doit être conçue de manière à limiter ces pertes technologiques à l‟aide de
procédés peu coûteux. Les pertes les plus importantes proviennent de facteurs optiques et
résistifs, mais aussi des recombinaisons volumiques et surfaciques.
1.4.1 Pertes optiques et résistives
Les pertes optiques d‟une cellule solaire provoquent une chute de la densité de courant
produite par le dispositif. En effet, le courant fourni dépend directement de la quantité de
lumière absorbée dans la cellule. La première source de perte optique est due aux phénomènes
de réflexion du rayonnement incident sur la face avant. En effet, pour un substrat c-Si poli,
plus de 30 % de la lumière est réfléchie en face avant, provoquant une chute du même ordre
du courant photogénéré [Lelièvre07]. Dans le cas de substrats minces (inférieurs à 200 µm),
une partie du rayonnement infrarouge peut traverser la base sans être absorbée. La réflectivité
interne au niveau de la face arrière joue dans ce cas également un rôle particulièrement
important [Kray08]. Une réflectivité effective de 2% en face avant alliée à une réflectivité
interne de 90% en face arrière permet théoriquement d‟obtenir une densité de courant de
court-circuit de 41.1 mA/cm-2
[Swanson05]. Un autre facteur de pertes optiques est provoqué
par le contact sur l‟émetteur, réalisé en face avant sur la plupart des structures de cellules
photovoltaïques. Ces métallisations de contact sont opaques et provoquent un ombrage du
rayonnement incident, proportionnel à la surface de l‟électrode.
En ce qui concerne les pertes résistives, les possibilités d‟améliorations dépendent
fortement de la structure de cellule utilisée. Des phénomènes de résistance série peuvent
provenir de conductivités insuffisantes dans le c-Si [Granek07], dans les métallisations, ainsi
qu‟au contact métal / c-Si [Schröder84]. Un second type de pertes résistives provient de
courts-circuits (ou shunts) entre les électrodes positives et négatives de la cellule. Ces
différentes pertes résistives influencent fortement la valeur du facteur de forme des cellules
PV.
1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH)
Ce mécanisme de recombinaisons n‟est pas intrinsèque au silicium cristallin, au
contraire des phénomènes Auger et radiatifs. Les recombinaisons SRH sont dues aux
impuretés et défauts présents dans le c-Si qui provoquent l‟apparition de niveaux d‟énergie
discrets dans la bande interdite [Schockley54]. L‟émission thermique de porteurs à partir de
ces niveaux est improbable lorsqu‟ils sont suffisamment éloignés du bord des bandes de
valence et de conduction. On parle alors de niveaux « profonds » qui augmentent la
probabilité que les porteurs libres recombinent. Par exemple, un électron libre peut être piégé
dans un niveau profond où il se recombinera ensuite plus facilement avec un trou de la bande
de valence. Ces niveaux sont d‟abord caractérisés par leur densité NT ainsi que leur position
en énergie ET dans la bande interdite. Leurs sections efficaces de capture σn et σp permettent
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 22 -
de représenter leur aptitude à capturer respectivement des électrons et des trous. Dans le cas
du silicium de type p, et pour une densité NT du niveau d‟énergie très inférieure au dopage
NA, la durée de vie τSRH est définie par l‟équation (15) [MacDonald01].
nN
)npN()nn(
A
1A0n10p
SRH (15)
Les paramètres τp0 et τn0 dépendent des sections efficaces de capture respectivement
des trous et des électrons selon l‟équation (16), tandis que n1 et n2 sont liés au niveau
d‟énergie ET du piège par la relation (17).
thTp
0pvN
1
thTn
0nvN
1 (16)
)kT
EEexp(Nn Tc
c1 )kT
EEexp(Np vT
v1 (17)
On définit n1 (et p1) comme la densité d‟électrons (de trous) dans la bande de
conduction Ec (de valence Ev) lorsque le niveau de Fermi EF coïncide avec le niveau piège ET.
vth représente la vitesse thermique des porteurs, Nc et Nv les densités effectives d‟états dans la
bande de conduction et la bande de valence. Plus les niveaux d‟énergie apparus sont proches
des bandes, moins ils vont agir dans le sens de la recombinaison des porteurs. En effet, il sera
plus probable que le porteur capturé par ce niveau d‟énergie soit réémis thermiquement plutôt
qu‟il ne recombine. C‟est pourquoi les niveaux situés vers la moitié du gap provoquent les
plus forts taux de recombinaison. Les défauts et impuretés présents dans le c-Si modifient
donc fortement ses propriétés électriques en favorisant les recombinaisons de porteurs. Il est
en général nécessaire de limiter le nombre de défauts ainsi que la densité d‟impuretés afin de
garder des valeurs élevées de durée de vie des porteurs.
Il faut noter que la valeur de la Jcc n‟est plus limitée par la durée de vie volumique des
porteurs lorsque la longueur de diffusion devient très supérieure à l‟épaisseur de la cellule.
Elle est alors uniquement limitée par les recombinaisons de surface et les facteurs optiques
évoqués précédemment. En revanche, la valeur de Vco est dans la plupart des cas strictement
limitée par les phénomènes de recombinaison et ce, quel que soit leur niveau.
1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact
La surface d‟un substrat de c-Si représente une rupture brutale dans la continuité du
réseau cristallographique. Ceci entraîne la présence de liaisons non saturée ou liaisons
pendantes (« dangling bonds »). Les atomes de silicium auxquels il manque une liaison
covalente ne sont donc pas dans une configuration électronique stable. Ces défauts
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 23 -
structuraux introduisent des niveaux énergétiques dans le gap du silicium qui vont assister les
phénomènes de recombinaison. Les liaisons pendantes peuvent être saturées par le dépôt
d‟une couche de matériau à la surface. On parle alors de passivation des défauts de surface.
L‟oxyde natif, de mauvaise qualité, n‟apporte aucune passivation, il est donc nécessaire
d‟apporter un traitement adapté à la surface afin de réduire son influence sur les
recombinaisons. La notion de densité d‟états d‟interface Dit(E) exprimée en cm-2
.eV-1
est
utilisée pour caractériser les niveaux d‟énergie introduits par les défauts de surface. Le taux de
recombinaison surfacique s‟exprime par l‟équation (18) en fonction des concentrations
d‟électrons (ns) et de trous (ps) en surface, de la densité d‟états d‟interface, ainsi que des
paramètres définis précédemment pour les recombinaisons SRH [Eades85].
dE)E(D
)E(
pp
)E(
nn
)npn(vU it
E
E
n
1s
p
1s
2
issth
S
C
V
(18)
Afin de représenter les phénomènes de recombinaison surfacique, on utilise la notion
de vitesse de recombinaison de surface. Ce paramètre, noté S, s‟exprime en cm.s-1
. Il dépend
du taux de recombinaison et de la densité de porteurs en excès à la surface selon la relation
(19).
s
S
n
US (19)
Les techniques de passivation s‟appuient sur deux leviers différents. Le premier repose
sur la réduction de la Dit. Le second consiste à diminuer, par effet de champ, la densité de
porteurs susceptible de recombiner à la surface. La croissance d‟un oxyde thermique à haute
température (1000°C) permet de réduire la densité d‟états de surface à des valeurs très basses
(1x109cm
-2eV
-1), à comparer avec les 6.8x10
14 at.cm
-2 d‟une surface orientée (100) [Damon-
Lacoste07]. Certains matériaux hydrogénés réalisés par CVD (a-SiNx:H, a-Si:H, a-SiC:H)
contiennent une certaine quantité d‟hydrogène qui peut passiver les liaisons pendantes.
Cependant, les valeurs de Dit obtenues avec ces matériaux sont en général supérieures d‟au
moins une décade à celles du SiO2 thermique. Pour atteindre d‟excellentes propriétés
passivantes, les matériaux déposés à basse température utilisent donc également le mécanisme
d‟effet de champ. Un type de porteurs est alors éloigné de l‟interface, ce qui réduit le taux de
recombinaisons. Cet effet de champ peut être provoqué par les discontinuités de bande
(énergie de gap différente entre les matériaux), par la présence de charges à proximité de la
surface (charges positives fixes pour le nitrure de silicium) ou encore par un léger dopage
thermique (jonction p/n ou high/low) [Aberle01]. La Figure 7 montre les processus de
recombinaisons dans le cas particulier de l‟interface a-Si:H (n) / c-Si (p). Dans ce cas, les
porteurs peuvent recombiner à l‟interface mais également dans le matériau a-Si:H (n). Dans la
plupart des cas, la passivation de surface est effectuée par un matériau non conducteur. Les
recombinaisons se produisent alors principalement à l‟interface entre les deux matériaux.
ÉTAT DE L’ART 1. Bases sur le fonctionnement des cellules PV en silicium cristallin
- 24 -
Figure 7. Schéma de bandes à l’interface a-Si:H (n) / c-Si (p). Les niveaux d’énergie dus
aux défauts sont indiqués par des traits, et les processus de recombinaisons par des
flèches. EC, EV, EF et eΦ représentent respectivement l’énergie de la bande de
conduction, de celle de valence, l’énergie du niveau de Fermi et la courbure de bande
dans le c-Si. [Korte07]
Il est difficile d‟obtenir directement une mesure de vitesse de recombinaison de
surface. Le paramètre le plus accessible reste la durée de vie effective (τeff) du substrat c-Si,
qui prend en compte à la fois les recombinaisons volumiques et surfaciques. La formule (20)
permet d‟exprimer τeff en fonction des différentes contributions des recombinaisons radiatives
(τrad), Auger (τAuger), SRH (τSRH) et surfaciques (S). Dans ce cas, la même vitesse de
recombinaison de surface est considérée sur chaque face du substrat d‟épaisseur W (cm).
W
S21111
SRHAugerradeff
(20)
Pour un matériau multicristallin, les recombinaisons en volume peuvent dominer et
ainsi limiter la durée de vie effective des porteurs minoritaires. En revanche, dans le cas d‟un
substrat silicium FZ ou CZ (monocristallin), il est plus probable que le rôle de la surface soit
prépondérant, et ce d‟autant plus que l‟épaisseur du substrat est faible. Avec un substrat de
très haute durée de vie, un rendement de cellule supérieur à 27% peut théoriquement être
obtenu si les recombinaisons de surface sont suffisamment faibles [Swanson05].
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
- 25 -
2. La cellule photovoltaïque standard en silicium cristallin
2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard
Les premières cellules solaires c-Si réalisées dans les années 1950 utilisaient des
substrats de type n (dopés Phosphore). À cette époque, leur première application n‟était pas
terrestre, mais spatiale, pour l‟alimentation de satellites. Les substrats de type p se révélant
plus résistants aux radiations, les cellules PV ont ensuite été développées sur du c-Si dopé
Bore [Green09]. Ces premières cellules étaient seulement constituées d‟une jonction diffusée
(émetteur) et d‟un contact ohmique. Par rapport à ces simples photodiodes, l‟architecture des
cellules PV a ensuite rapidement évolué, et abouti à une architecture dite « standard »
schématisée sur la Figure 8.
c-Si type p
BSF Al
Contact Al
Couche Anti-
Reflet
Émetteur
(dopage n+)
Contact AgTexturation
c-Si type p
BSF Al
Contact Al
Couche Anti-
Reflet
Émetteur
(dopage n+)
Contact AgTexturation
Figure 8. Structure standard. Gauche: Photographie de la face avant (wafer pseudo-
carré 150 cm2); Droite: Schéma vue de coupe
A la différence des dispositifs réalisés pour la microélectronique, la totalité du substrat
de silicium cristallin est utilisé. Ces substrats (wafers) sont découpés à la scie à fil dans des
lingots cristallisés selon différents procédés (CZ, FZ, Block-cast). Une épaisseur de 80 μm
suffit théoriquement pour que la quasi-totalité des photons soit absorbée. Cependant les
techniques actuelles de découpe de wafers ne permettent pas d‟atteindre des épaisseurs
inférieures à 100 µm. De plus, la réduction des épaisseurs fragilise les plaques et augmente le
taux de casse tout au long du procédé de fabrication (cellules et modules). Les substrats
multicristallins les plus utilisés au niveau industriel ont une forme carrée
d‟approximativement 15 cm de côté, alors que pour le monocristallin c‟est la forme pseudo-
carrée de 12.5 cm de côté qui est la plus répandue. Trois grandes avancées technologiques,
montrées sur la Figure 8, ont permis l‟augmentation du rendement des cellules PV. Il s‟agit de
la texturation de surface, de l‟usage d‟une couche anti-reflet ainsi que celle d‟un champ de
surface arrière (Back Surface Field BSF).
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
- 26 -
2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet
L‟utilisation d‟une structuration de la surface avant (texturation), alliée à une couche
anti-reflet (CAR), permet de réduire drastiquement la réflexion du rayonnement incident. Le
procédé de texturation consiste à créer un relief micrométrique à la surface du wafer de
silicium [Haynos74]. La forme généralement pyramidale du relief multiplie les réflexions et
donc les chances pour la lumière de pénétrer dans le matériau. En effet, le rayonnement
incident est constitué de longueurs d‟onde inférieures aux dimensions des structures réalisées
(quelques m). Dans le cas d‟une double réflexion (Figure 9), le coefficient de réflexion total
devient R2, ce qui entraîne une baisse de la réflexion totale de cette surface. Les techniques
industrielles de texturation se font le plus souvent par voie chimique alcaline (KOH, NaOH,
TMAH). Cependant, les voies acide et sèche font l‟objet d‟un intérêt croissant en particulier
pour les matériaux multi-cristallins.
Figure 9. Schéma de principe des réflexions lumineuses sur une surface texturée. R est le
coefficient de réflexion, T le coefficient de transmission et T+R=1 (l’absorption est
négligée).
Une couche anti-reflet déposée sur la face avant des cellules aide à améliorer le
confinement optique. La CAR permet d‟adapter l‟indice optique entre le milieu extérieur et le
silicium, et ainsi minimiser les réflexions. Pour cela, il est nécessaire que cette couche
possède un indice de réfraction (nCAR) ainsi qu‟une épaisseur (eCAR) adaptés au milieu
extérieur d‟indice next. Les relations (21) et (22) permettent de déterminer les valeurs de eCAR
et nCAR en fonction du milieu extérieur et du silicium (nSi). Le minimum de réflexion peut être
atteint pour des valeurs périodiques de eCAR dépendant de l‟entier m. Il est en général
préférable de prendre m = 1 afin de limiter l‟épaisseur de la CAR.
SiextCAR nnn (21)
CARCAR
n4
)1m2(e (22)
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
- 27 -
Pour un milieu extérieur constitué d‟air, la valeur de nCAR doit être proche de 2, et
celle de eCAR de l‟ordre de 75 nm. Si l‟on considère les cellules encapsulées dans un module,
ces valeurs varient légèrement avec nCAR ≈ 2.3 et eCAR ≈ 65 nm [Lelièvre07]. La CAR la plus
répandue pour les cellules PV standard est constituée de nitrure de silicium hydrogéné (a-
SiNx:H). En effet, ce matériau peut combiner à la fois des propriétés optiques excellentes et
un niveau élevé de passivation de surface. Cette couche de a-SiNx:H est en général déposée
par PECVD, à des températures proches de 450°C [Aberle01]. Il a également été montré que
l‟hydrogène présent dans cette couche peut diffuser lors de recuits et ainsi passiver des
défauts volumiques en plus des défauts de surface [Duerinckx02].
2.1.2 Champ de Surface Arrière
En face arrière des cellules c-Si standard, il est nécessaire de contacter la base à l‟aide
d‟un contact métallique. Au contact, la vitesse de recombinaison de surface atteint des valeurs
très élevées qui diminuent le rendement des dispositifs. Pour réduire le taux de recombinaison
sur cette face arrière, il est possible de diminuer les défauts d‟interface ou d‟éloigner un des
types de porteurs. L‟efficacité d‟un champ répulsif en face arrière a été d‟abord démontrée par
la réalisation d‟un gradient de dopage [Mandelkorn72]. La jonction high / low ainsi formée
éloigne les porteurs minoritaires de la face arrière, et diminue les recombinaisons au contact.
Dans le cas des cellules standard sur c-Si de type p, la technique la plus répandue au
niveau industrielle utilise une couche d‟Aluminium déposée sur la face arrière. Lors d‟un
traitement thermique adapté (≈ 600°C), un eutectique AlSi est formé, qui en refroidissant
donne naissance à une zone c-Si dopée Al. La profondeur de ce BSF Al peut atteindre
plusieurs microns avec des dopages de l‟ordre de 1x1018
à 1x1019
at.cm-3
[Narasimha99].
Pendant la réalisation du BSF Aluminium, des phénomènes de passivation des défauts
volumiques (gettering) peuvent également apparaître [Dubois07]. Cette étape technologique
agit donc doublement sur la longueur de diffusion des porteurs, en diminuant à la fois les
recombinaisons volumiques et surfaciques.
Les meilleurs rendements atteints par les cellules standard fabriquées industriellement
sont de l‟ordre de 15 à 16% aussi bien sur c-Si monocristallin que multicristallin. Les modules
fabriqués à l‟aide de ces cellules montrent donc des performances légèrement inférieures à ces
valeurs, de l‟ordre de 14% en moyenne. Le Tableau 2 résume les différentes étapes de
fabrication des cellules standard.
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
- 28 -
Tableau 2. Exemple de procédé de fabrication des cellules standard
Étape Procédé de fabrication Dimension standard (μm)
Substrat Sciage d‟un lingot 150-300 (épaisseur)
Texturation Voie chimique (KOH) 5-15 (taille des pyramides)
Émetteur Diffusion gazeuse (POCl3) 0.5 (profondeur de jonction)
Couche anti-reflet a-SiNx:H par PECVD 0.08 (épaisseur)
Contact pleine plaque face
arrière Aluminium sérigraphié 15-30 (épaisseur)
Grille de contact face
avant Argent sérigraphié 15-30 (épaisseur)
Prise de contact FAV
+ formation du BSF Recuit rapide 1-5 (profondeur BSF)
Ouverture de jonction LASER -
2.2 La cellule standard optimisée: structure PERL
L‟architecture standard des cellules photovoltaïques est issue d‟un compromis entre
l‟obtention d‟un rendement élevé et le maintien d‟un procédé de fabrication peu coûteux. Les
recherches menées depuis le début des années 80, en particulier par l‟équipe de l‟UNSW
(University of New South Wales), avaient pour but d‟améliorer « à tout prix » le rendement
des cellules PV en c-Si. Cette amélioration repose principalement sur une optimisation
continue de la structure des cellules, permettant un meilleur confinement optique ainsi qu‟une
diminution des recombinaisons volumiques et surfaciques, le tout sans provoquer de pertes
résistives. Différentes structures sont successivement apparues : PESC (Passivated Emitter
Solar Cell [Blakers86]), PERT (Passivated Emitter Rear Totally diffused) et enfin PERL
(Passivated Emitter Rear Locally diffused [Zhao99]). Cette dernière détient le record de
rendement sous AM1.5, pour une cellule en silicium cristallin, avec une valeur de 25 %
[Green09]. Ces structures de 4 cm2, schématisées sur la Figure 10, sont fabriquées à l‟aide de
procédés issus de la microélectronique (photolithographie, oxyde thermique) sur un substrat
c-Si FZ de type p (1 Ω.cm et 450 µm d‟épaisseur). Plusieurs technologies avancées sont
nécessaires pour réduire les pertes de ce type de cellule:
Texturation en «pyramides inversées»
Double couche anti-reflet
Grille de contacts à surface réduite
Émetteur « sélectif »
Passivation de surface par oxyde thermique
BSF localisé
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
- 29 -
Parmi ces technologies d‟augmentation du rendement, les plus reprises dans les
laboratoires et les industries sont l‟émetteur sélectif et le BSF localisé. En effet, la structure
standard utilise des dopages uniformes sur toute la surface de la cellule afin de réaliser
l‟émetteur et le BSF. Pour supporter la prise d‟un contact par les électrodes métalliques, ces
zones sont très dopées, et donc très recombinantes. La technologie des émetteurs sélectifs
repose sur la réalisation d‟un dopage élevé uniquement sous les contacts et d‟un dopage plus
faible ailleurs. Ceci permet de diminuer les recombinaisons dans l‟émetteur, mais également à
sa surface. Il est en effet plus facile de passiver une zone faiblement dopée qu‟une zone
fortement dopée. Pour le BSF localisé, la démarche est la même sauf qu‟il n‟est pas
nécessaire de réaliser un dopage léger hors des contacts. Un oxyde thermique permet en effet
de passiver la surface arrière encore plus efficacement qu‟un léger dopage Bore.
La réalisation de grilles de contact à surface réduite fait également l‟objet de
nombreuses recherches. L‟aspect des lignes peut être caractérisé par un rapport d‟aspect
(« aspect ratio ») égal au rapport de l‟épaisseur et de la largeur des lignes. Il est intéressant de
limiter la valeur de ce paramètre afin de diminuer l‟ombrage occasionné par la grille de
contact. Avec la technique de sérigraphie il est difficile d‟atteindre à la fois des lignes étroites
et épaisses. Parmi les technologies les plus intéressantes pour remplacer la sérigraphie et
former des lignes fines, on peut citer les contacts enterrés ou « buried contacts » [Wenham93]
ainsi que le dépôt induit par illumination « Light induced Plating » (LIP) [Mette06]. En
revanche, ces métallisations fines doivent être plus épaisses afin de limiter les pertes
résistives.
Figure 10. Schéma de la structure PERL [Zhao99]
En raison de trop nombreuses étapes de procédé, la structure PERL ne peut pas être
fabriquée industriellement en l‟état. De nombreuses techniques ont été étudiées afin de
simplifier son procédé de fabrication. Parmi celles-ci, l‟utilisation du LASER semble
particulièrement adaptée, aussi bien pour former des contacts localisés que pour structurer des
couches diélectriques à des vitesses élevées. La firme Suntech, qui collabore activement avec
l‟UNSW, a ainsi récemment annoncé avoir fabriqué des cellules inspirées de la structure
PERL sur ses lignes de production. Un rendement proche de 19% a été atteint, ce qui semble
valider cette approche pour la fabrication de cellules standard à haut rendement [Shi09].
ÉTAT DE L’ART 2. La cellule PV standard en silicium cristallin
- 30 -
2.3 Cellule standard à émetteur inversé
Les cellules standard à émetteur inversé sont fabriquées à l‟aide des mêmes procédés
que les cellules standard mais sur un substrat de type n. Ainsi, comme indiqué sur la Figure
11, l‟émetteur est réalisé sur la face arrière et le BSF devient FSF (Front Surface Field). Les
rendements obtenus sur cette structure sont plus élevés que sur des cellules type n à émetteur
en face avant [Zhao06]. En effet, l‟émetteur p+
semble provoquer plus de recombinaisons
lorsqu‟il est situé en face avant qu‟en face arrière. Un rendement maximal de 22.7% a ainsi pu
être obtenu avec une structure PERT à émetteur inversé sur un substrat de type n (FZ). Avec
les mêmes substrats, la structure à émetteur en face avant atteint « seulement » 21.9%.
Figure 11. Cellule PV à émetteur inversé sur c-Si de type n
Des variantes industrielles de cette structure existent également, avec l‟émetteur formé
par le recuit d‟une couche d‟Aluminium en face arrière. Des rendements de l‟ordre de 17%
ont ainsi pu être obtenus [Schmiga06] [Mihailetchi08]. Ces variantes industrielles utilisent des
dopages élevés afin de faciliter la prise de contact. Le fait de diminuer le dopage de la face
avant permet à la fois de diminuer les recombinaisons dans le volume de l‟émetteur et à sa
surface. Comme il a été montré dans [Mai09] à l‟aide d‟un procédé basé sur le LASER, un
dopage plus léger du FSF améliore considérablement le courant fourni par la cellule à
émetteur inversé. Un rendement de 18.2% est ainsi atteint sur des substrats CZ de grande
taille (148.6 cm2). Toutefois, cette structure nécessite des substrats de bonne qualité ainsi que
des vitesses de recombinaisons en face avant les plus faibles possibles [Mihailetchi06].
Il existe plusieurs avantages à l‟utilisation de c-Si de type n pour la fabrication de
cellules solaires. Il a en effet été démontré que ses qualités électriques sont supérieures à
celles du c-Si de type p. Le c-Si de type n possède plus facilement des hautes valeurs de
durées de vie, particulièrement grâce à sa moindre sensibilité aux défauts chimiques et
cristallographiques [Cotter06]. De plus, les matériaux CZ et multicristallins de type n sont
beaucoup moins sujets à la dégradation sous éclairement (« Light induced degradation » LID)
que les matériaux de type p (dopés Bore) [Cuevas02]. Les phénomènes de LID sont en effet
liés aux paires B-O qui se forment sous éclairement, et agissent alors comme des centres
recombinants. Ces différents avantages justifient en partie l‟utilisation de c-Si de type n pour
la fabrication de cellules industrielles à haut rendement.
SiNx:H
FSF n+
hContact Ag
c-Si type n
Émetteur p+
Contact Al
SiNx:H
FSF n+
hContact Ag
c-Si type n
Émetteur p+
Contact Al
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 31 -
3. Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium
cristallin à haut rendement
3.1 Structures à contacts en face arrière
Les cellules à contacts en face arrière (« Rear Contact Cells » RCC) représentent un
terrain d‟investigation idéal pour atteindre de hauts rendements. Sur ces structures, les zones
d‟émetteur et de BSF sont localisées sur la face arrière. Ceci permet d‟éviter l‟ombrage des
métallisations en face avant. Cette géométrie est également intéressante pour sa mise en
module facilitée par l‟interconnexion co-planaire des cellules. Les RCC à hauts rendements
développées jusqu‟à maintenant ont une technologie de contacts arrières interdigités
(Interdigitated Back Contact IBC). D‟autres structures, telles que les EWT (Emitter Wrap
Through), MWT (Metallization Wrap Through), et MWA (Metallization Wrap Around),
conservent un émetteur en face avant, tout en ayant les bus de collecte en face arrière. Ceci
permet l‟utilisation de substrats de moins bonne qualité par rapport aux cellules IBC. Cet état
de l‟art est focalisé sur les cellules IBC, cependant un aperçu exhaustif de toutes les
technologies RCC existe dans la littérature [VanKerchaver06].
L‟architecture IBC a été présentée pour la première fois en 1975 par Schwartz pour
une utilisation sous concentration [Schwartz75]. Sur les structures IBC, la jonction p-n et le
BSF, ainsi que leurs métallisations, sont localisés sur la face arrière sous forme de peignes
interdigités. On évite ainsi le compromis inévitable sur les cellules standard entre le taux
d‟ombrage (nécessité de métallisations fines) et les pertes résistives des contacts (nécessité de
métallisations larges). La Figure 12 montre que cette structure possède également un avantage
esthétique dans la mesure où sa face avant est libre de toute métallisation.
Figure 12. Structure IBC. Gauche : Vue de la face avant (pas de métallisations); Droite :
Schéma d’une coupe de la structure
Dans une cellule solaire sous éclairement, la majorité des porteurs sont photogénérés à
proximité de la face avant. Ceci implique deux caractéristiques importantes pour l„obtention
de hauts rendements sur les structures IBC [Nichiporuk05] :
- +C-Si (p)
Émetteur (n+) BSF (p+)
hν
Ag Al
-- ++C-Si (p)
Émetteur (n+) BSF (p+)
hν
Ag Al
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 32 -
La passivation de la face avant doit être extrêmement bonne, afin de limiter le
mécanisme de recombinaison surfacique des porteurs [Sinton87]. Malgré ses excellentes
propriétés de passivation de surface, le SiO2 thermique n‟est pas stable sous illumination
[Swanson85]. Il convient de passiver la surface avec une couche de SiO2, puis de déposer une
couche de a-SiNx:H pour ses propriétés anti-réflectives et sa stabilité sous éclairement
[Swanson85] [Engelhart06]. Une légère diffusion Phosphore permet la création d‟un champ
de surface avant (FSF) qui diminue les recombinaisons de surface et augmente la stabilité de
la passivation [Gruenbaum88]. Ce FSF limite les pertes électriques, notamment en termes de
Vco et de FF comparé aux surfaces uniquement passivées par un oxyde [King88]. Cependant,
un dopage thermique peut introduire des défauts, ou une couche morte (surconcentration de
dopants) à la surface. Ceci réduit fortement la durée de vie des porteurs. Pour éviter cela, le
FSF peut aussi être simplement induit par des charges fixes présentes dans la couche
diélectrique de passivation [Schwartz78].
La longueur de diffusion des porteurs doit être assez élevée pour permettre leur
collecte par la jonction en face arrière. Plusieurs études ont souligné l‟influence de la durée de
vie, et par conséquent de la qualité initiale du substrat, sur les paramètres électriques des
cellules IBC [Nichiporuk05] [Dicker00] [Macintosh03]. Les paramètres géométriques de la
cellule doivent satisfaire la condition suivante: la distance parcourue par les porteurs
minoritaires entre leur génération et leur collecte doit être plus petite que la longueur de
diffusion des porteurs (directement reliée à leur durée de vie).
D‟autres paramètres sont à considérer dans l‟optimisation des cellules IBC :
La résistivité du substrat et la géométrie de la face arrière sont à optimiser
simultanément pour atteindre d‟excellents FF (≥ 80%). L‟épaisseur et la résistivité du
substrat, la géométrie et le dopage des zones actives, ainsi que les métallisations, apparaissent
en effet comme les principaux paramètres influençant les pertes résistives des cellules IBC
[Verlinden97]. Pour la fabrication des cellules industrielles, les substrats utilisés sont fins
(150 à 200 µm) et les zones localisés assez larges (1 mm) du fait des procédés de fabrication à
bas coût [DeCeuster07]. Les porteurs de charge ont alors une longueur importante à parcourir
latéralement dans le substrat de section réduite. Ceci peut entraîner des pertes résistives non
négligeables. L‟utilisation d‟un Front Surface Field (FSF) permet d‟augmenter la conductivité
de la base, et donc de relâcher les contraintes sur la résistivité du substrat et la géométrie de la
cellule [Granek08a].
La passivation de la face arrière est également capitale pour réduire le courant de
saturation des cellules. Sous les contacts métalliques, la vitesse de recombinaison est très
élevée, c‟est pourquoi Swanson a développé la technologie de « point contact » qui limite la
surface des zones de contact. Ceci permet une très bonne passivation d‟une grande partie de la
face arrière de la cellule [Swanson85]. Un oxyde thermique représente une excellente couche
de passivation pour la face arrière lorsque des régions de polarité différentes sont présentes
[Smith00].
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 33 -
La surface d’émetteur doit être suffisamment importante pour permettre la collecte des
porteurs. Ce paramètre dépend cependant de la qualité du substrat et de la passivation de
surface dans les zones autres que l‟émetteur. Cependant, sur la plupart des cellules IBC, les
métallisations des zones de l‟émetteur et du BSF ont les mêmes proportions que les zones
elles-mêmes. Une asymétrie trop importante entre ces zones peut provoquer des pertes
résistives dans la métallisation du BSF. La structure IBC à émetteur enterré, proposée
récemment, permet de découpler la largeur zones dopées de celle de leurs métallisations
[Harder08].
Le Tableau 3 contient les performances les plus marquantes atteintes par les cellules
IBC pour des applications sous un éclairement AM1.5.
Tableau 3. Principales performances des cellules IBC
Structure/
c-Si
Surface
(cm2)
Vco
(mV)
Jcc
(mA/cm2)
FF
(%)
η
(%) Qui ?
A300/ type n 149 678 39.5 80.3 21.5 SunPower (Production)
[Mulligan04]
IBC/ type n 21.15 681 40.0 83.3 22.7 SunPower (Production)
[Verlinden97]
IBC/ type n 90.25 651 39.5 79.6 20.5 Sharp (R&D)
[Nakamura05]
IBBC/ type n 8 664 37.9 76.5 19.2 UNSW (R&D)
[Guo05]
IBC/ type p 1 698 39.8 79.4 22.1 Fraunhofer ISE (R&D)
[Dicker02]
RISE/ type p 4 662 41.7 79.9 22.0 ISFH (R&D)
[Engelhart06]
Cette structure présente donc beaucoup d‟avantages par rapport aux cellules
conventionnelles, et permet d‟atteindre des très hauts rendements sur de grandes surfaces (150
cm2). Les procédés de localisation doivent cependant être assez fiables et précis pour éviter
tout court-circuit entre les zones de polarité différente. Les principales techniques de
localisation, dans le domaine du photovoltaïque, utilisent la photolithographie, la sérigraphie
et le LASER.
La photolithographie est largement utilisée dans les laboratoires de R&D car elle
permet d‟obtenir une très grande précision d‟alignement [Verlinden97] [Nakamura97]
[Dicker00]. Cependant son coût représente un obstacle à son utilisation au niveau industriel
aujourd‟hui.
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 34 -
La sérigraphie de pâtes dopantes, gravantes ou masquantes [Kuebelbeck04] s‟est
beaucoup développée depuis quelques années pour la réalisation de structures localisées.
L‟amélioration des techniques de sérigraphie permet des alignements plus précis, et la
manipulation de substrats de plus en plus fins, tout en conservant des cadences de production
intéressantes.
La technologie LASER (contacts enterrés [Guo06], contacts classiques [Huljic06],
technologie RISE [Engelhart06]) peut apporter une précision suffisante, avec des cadences
élevées. Cette méthode se fait sans contact sur le substrat et permet donc l‟utilisation de
plaques minces. Cependant, la gravure LASER doit la plupart du temps être suivie d‟un
nettoyage chimique, et son application industrielle n‟a pas encore été prouvée pour les IBC.
SunPower Corp a d‟abord lancé, en 1993, l‟industrialisation à grande échelle des
cellules IBC avec le procédé de photolithographie et l‟utilisation de cinq masques différents
[Sinton93]. Ce procédé a depuis été adapté à des méthodes bas-coût avec la sérigraphie. Un
rendement moyen de 22.4% est atteint sur leur dernière ligne de production (33MW) située
aux Philippines [DeCeuster06]. Les meilleures cellules fabriquées dépassent même 23% de
rendement. Cependant ces structures restent limitées par des recombinaisons au contact et
dans les zones dopées thermiquement [Swanson05]. L‟utilisation de contacts moins
recombinants (hétérojonctions polymère [Cousins07b], poly-Si [Swanson08], a-Si:H
[Cousins07a]) permettrait donc théoriquement d‟améliorer encore les rendements des cellules
IBC au-delà de 25%.
3.2 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si
Les cellules PV à hétérojonctions (HJ) sont obtenues par la mise en contact de
matériaux d‟énergie de gap (EG) différente. L‟hétérojonction silicium (Si-HJ) consiste à
mettre en contact le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) avec le silicium cristallin (c-Si).
L‟énergie de gap du a-Si:H (1.5 eV ≤ EG ≤ 1.9 eV) est en effet plus élevée que celle du c-Si
(1.12 eV). À la différence des cellules à homojonctions classiques, les zones dopées et la
passivation de surface sont ici réalisées par un unique dépôt de silicium amorphe hydrogéné.
Celui-ci possède en effet de bonnes qualités de passivation de surface, et l‟on peut changer ses
propriétés électriques par l‟insertion d‟impuretés dopantes. En général, les couches a-Si:H
d‟une épaisseur de quelques nm sont déposées grâce à la technique de CVD assistée par
plasma ou par filament chaud (Plasma Enhanced CVD et Hot Wire CVD).
La conductivité du a-Si:H est très inférieure à celle du c-Si, il faut donc ajouter une
couche conductrice sur toute sa surface afin de pouvoir collecter le courant. Sur la face
illuminée de la cellule, cette couche conductrice est constituée d‟un oxyde transparent
conducteur (OTC) qui collecte le courant. Cet OTC assure également un bon contact avec les
électrodes métalliques, tout en jouant le rôle de couche anti-reflet (Figure 13). Si l‟on
n‟éclaire pas la face arrière des cellules, un simple métal peut y être déposé sur la couche
amorphe, plutôt qu‟un OTC.
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 35 -
Substrat c-Si (n)
BSF a-Si:H (n) ou (i / n)
émetteur a-Si:H (p) ou (i / p)
Ag
Contact BSF (Al ou ITO / Al)
Oxyde Transparent Conducteur
Ag
Substrat c-Si (n)
BSF a-Si:H (n) ou (i / n)
émetteur a-Si:H (p) ou (i / p)
Ag
Contact BSF (Al ou ITO / Al)
Oxyde Transparent Conducteur
Ag
Figure 13. Structure schématique et évolution du rendement de cellules à hétérojonctions
a-Si:H / c-Si [Korte07]
Fuhs et al ont été les premiers à démontrer qu‟un photocourant pouvait être généré par
une structure a-Si:H/c-Si en 1974 [Fuhs74], mais la première véritable cellule est due à Okuda
et al en 1983 avec un rendement de 12.4% [Okuda93]. La firme Sanyo a ensuite apporté une
avancée fondamentale à la structure en 1991 en insérant un film a-Si:H non dopé (intrinsèque)
entre le substrat et la couche a-Si:H dopée [Tanaka92]. Cette technologie HITtm
(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) permet d‟améliorer considérablement la passivation
de surface, et donc la Vco des cellules. Ce film mince (≤ 5 nm) de a-Si:H intrinsèque (couche
« tampon ») permet en effet de garder un champ électrique élevé tout en diminuant la densité
de défauts à l‟interface.
Les premiers développements des cellules Si-HJ ont été réalisés sur des structures où
l‟émetteur seulement était constitué d‟un film de a-Si:H. Pour ces cellules à simple
hétérojonction, les meilleurs rendements sont de l‟ordre de 17%, limités par la qualité
moyenne du BSF. C‟est pourquoi la majorité des recherches se fait aujourd‟hui sur des
cellules Si-HJ à double hétérojonction avec à la fois l‟émetteur et le BSF réalisés en a-Si:H.
Depuis 15 ans, les performances des cellules Si-HJ se sont considérablement améliorées
(Figure 13) pour atteindre des rendements de 23% en laboratoire [Sanyo09] et de 19.5% en
production sur des cellules de 100 cm2 [Ide08]. Le Tableau 4 présente un état de l‟art des
performances des cellules Si-HJ.
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 36 -
Tableau 4. Résultats marquants des cellules Si-HJ
Surf.
(cm2)
Substrat
c-Si
Face
avant
Face
arrière
VCO
(V)
JCC
(mA/
cm2)
FF
(%)
Rdt
(%) Qui ?
100.4
Text.
Type n
CZ
OTC /
a-Si:H (p)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (n)
/TCO
729 39.5 80.0 23.0 Sanyo
[Sanyo09]
100.5
Text.
Type n
CZ
70 µm
TCO /
a-Si:H (p)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (n)
/TCO
739 37.3 77.6 21.4 Sanyo
[Ide08]
1.0
Text.
1-2
Ω.cm
Type n
FZ
ZnO:Al /
a-Si:H (p)
a-Si:H (n)
/Al 639 39.3 78.9 19.8
HMI
[Korte07]
1.0
Text.
1-2
Ω.cm
Type p
FZ
ZnO:Al /
a-Si:H (n)
a-Si:H (p)
/Al 634 36.8 79.1 18.5
HMI
[Korte07]
0.2
1 Ω.cm
Type n
FZ
ITO/
a-Si:H (p)
a-Si:H (n)
/ITO/Al
682 34.0 82.0 19.1 IMT
[Fesquet07] 713 32.0 74.0 16.9
?
Text.
1 Ω.cm
Type n
CZ
(MgF2)/
ITO/
a-Si:H (p)
a-Si:H (n)
/Al 694 36.4 74.4 18.8
IEC
[Das07]
1.0
Text.
2-4
Ω.cm
Type p
FZ
ITO /
a-Si:H (n)
/ a-Si:H
(i)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (p)
/Al
678 35.9 78.6 19.1 NREL
[Wang08]
1.0
Text.
2-4
Ω.cm
Type n
FZ
ITO /
a-Si:H (p)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (i)/
a-Si:H (n)
/ITO/Al
664 35.3 74.5 17.2 NREL
[Wang08]
?
1 Ω.cm
Type n
FZ
ITO /
a-Si:H(p)/
SiOx:H(i)
aSiOx:H
(i) /a-
Si:H(n+)
695 32.4 79.0 17.7 Uni Hagen
[Mueller08]
25.0
Text.
14-22
Ω.cm
Type p
FZ
ITO /
a-Si:H (n)/
pm-Si:H
(i)
aSiC:H(p)
/a-Si:H
(p) /Al
630 34.5 76.2 16.6 CEA+CNRS
[Ribeyron06]
4.0
1 Ω.cm
Type n
mc
ITO /
a-Si:H (n)/
a-Si:H (i)
a-Si:H (i)/
a-Si:H (p)
ITO/Al
600 34.6 73.0 15.1 ENEA
[Tucci06]
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 37 -
La réussite industrielle des cellules HITtm
a validé les multiples avantages des
hétérojonctions a-Si:H/c-Si :
La tension de circuit ouvert peut atteindre des valeurs extrêmement élevées grâce aux
excellentes passivations de surface obtenues par l‟hétérojonction a-Si:H / c-Si. Les Vco des
cellules HIT sont d‟ailleurs plus élevées sur des substrats de 85 µm (739 mV [Ide08]) que sur
des substrats plus épais (729 mV [Sanyo09]). Ceci prouve que ces cellules sont désormais
davantage limitées par les recombinaisons dans le matériau plutôt qu‟en surface.
Les étapes de fabrication de la cellule se font à des températures inférieures à 250°C, ce
qui diminue fortement le budget thermique du procédé de fabrication. En plus d‟économiser
de l‟énergie, cet aspect peut être positif pour des matériaux sensibles aux étapes à haute
température (mc-Si de type n, substrats minces).
Par rapport aux cellules à homojonction, le rendement des cellules Si-HJ se dégrade
moins avec la température. En effet, les performances des cellules solaires c-Si chutent
légèrement avec la température, du fait principalement d‟une chute de la Vco. La baisse de
puissance produite en fonction de la température se traduit par un coefficient de température
qui s‟exprime en %.K-1
. Les cellules Si-HJ peuvent atteindre des coefficients de 0.3 %.K-1
alors qu‟ils sont en général supérieurs à 0.4 %.K-1
pour les cellules standard [Ide08]. Une
installation PV fonctionnant en moyenne à 70-80°C, un module HITtm
produit donc dans la
journée plus d‟électricité qu‟un module classique de même puissance [Sakata00].
Les cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si sont au cœur des recherches de
multiples instituts, et l‟on peut extraire plusieurs problématiques spécifiques parmi les
différents travaux publiés. Le choix du type de substrat cristallin et son état de surface
semblent tout d‟abord être primordiaux pour l‟obtention de très hauts rendements. Le
développement de couches a-Si:H, d‟OTC ainsi que de contacts métalliques optimisés est
également critique, tout comme l‟influence des traitements thermiques post-dépôt.
3.2.1 Choix du type de substrat
La plupart des laboratoires travaillent sur les deux types de substrat et des rendements
supérieurs à 19% ont été obtenus sur type n et sur type p. Au niveau théorique, il est possible
de déterminer quel type de substrat est préférable. La Figure 14 montre le diagramme de
bande de l‟hétérojonction a-Si:H (n) / c-Si (p).
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 38 -
Figure 14. Diagramme de bande schématique pour une hétérojonction c-Si (p) / a-Si:H
(n). n et p correspondent aux énergies d’activation dans les matériaux de type n et p,
χ1 et χ2 à leur affinité électronique, EVAC à l’énergie du vide.
La différence d‟énergie de gap entre le c-Si (EG1) et le a-Si:H (EG2) entraîne des
discontinuités (« Band Offsets ») au niveau de la bande de valence (ΔEV) et de conduction
(ΔEC). Ces discontinuités ont une influence sur les barrières de potentiel (Vbn) et (Vbp) de part
et d‟autre de la jonction. Elles permettent donc théoriquement d‟augmenter le potentiel de
diffusion (VD) de la jonction a-Si:H / c-Si par rapport à une homojonction classique.
Cependant, elles imposent également certaines limitations à la collection des porteurs en
fonction de la distribution des discontinuités [Fantoni01].
La règle d‟Anderson permet de relier le potentiel interne de la jonction, les
discontinuités de bandes, les niveaux de dopage et l‟énergie de gap du c-Si. L‟équation (23)
donne l‟expression du potentiel de diffusion pour une hétérojonction a-Si:H (n) / c-Si (p), et
l‟équation (24) pour le cas a-Si:H (p) / c-Si (n).
Cpn1GD E)(EV (23)
Vpn1GD E)(EV (24)
Les valeurs de la littérature indiquent en moyenne des valeurs de ΔEV nettement
supérieures à celles de ΔEC (~0.45 eV contre ~0.15 eV). Un potentiel de diffusion plus élevé
peut donc théoriquement être atteint pour une hétérojonction a-Si:H (p) / c-Si (n). Ce potentiel
plus élevé permet l‟augmentation de la Vco, mais également une moindre sensibilité aux
défauts d‟interface [Jensen02]. Ceci confirmerait le potentiel de rendement plus élevé des
c-Si (p) a-Si:H (n)
Dit
EF
EC
EV
ΔEV
ΔEC
EG1
EG2
δp
δn
EVAC
Χ1
Χ2
q.Vbp
q.Vbn
q.Vbn
q.Vbp q.VD
c-Si (p) a-Si:H (n)
Dit
EF
EC
EV
ΔEV
ΔEC
EG1
EG2
δp
δn
EVAC
Χ1
Χ2
q.Vbp
q.Vbn
q.Vbn
q.Vbp q.VD
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 39 -
cellules Si-HJ sur c-Si type n [Froitzheim02]. En conclusion, l‟usage de c-Si de type n semble
plus intéressant au niveau théorique, ce qui est confirmé expérimentalement par l‟obtention
des meilleurs rendements sur ce type de substrats. Cependant d‟autres auteurs estiment qu‟au
niveau pratique, il est possible d‟obtenir quasiment le même rendement sur les deux types de
substrats (0.5% de différence [Korte07]). Enfin, la répartition des discontinuités dépendant
fortement de la densité de charges fixes et d‟atomes d‟hydrogène à l‟interface
[VanDeWalle95], on peut imaginer jouer sur ces paramètres afin d‟adapter ΔEV et ΔEC en
fonction du substrat utilisé.
3.2.2 Nettoyage de surface
Un grand nombre d‟études mettent en évidence la relation directe entre le nettoyage de
la surface du c-Si avant dépôt et les performances des cellules Si-HJ [Page06] [Taira07]
[Angermann08]. En effet la présence de défauts trop nombreux à l‟interface va non seulement
engendrer des niveaux de pièges à l‟interface, mais également détériorer la qualité des
premiers nm de a-Si:H déposés. Si les porteurs libres arrivent à surmonter la barrière présente
à l‟interface a-Si:H / c-Si, ils peuvent également recombiner dans les défauts volumiques du
a-Si:H [Korte07].
La notion d‟interface effective permet de considérer à la fois les défauts à l‟interface et
dans les premières couches atomiques du a-Si:H [Wang05]. Les nettoyages par voie chimique
sont les plus utilisés, cependant des études ont été menées sur la voie sèche (gravure plasma).
Avant dépôt a-Si:H, la littérature s‟accorde sur l‟importance de faire subir au moins une
trempe aux substrats c-Si, généralement dans de l‟acide fluorhydrique, afin d‟enlever l‟oxyde
natif. Selon le Tableau 5, des nettoyages plus poussés sont toutefois nécessaires pour
améliorer la Vco des cellules Si-HJ.
Tableau 5. Évolution de la Vco d’une cellule Si-HJ en fonction du nettoyage de
surface avant dépôt a-Si:H [Page06]
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 40 -
Le nettoyage de la surface avant le dépôt est donc d‟une importance extrême et les
paramètres des cellules solaires en dépendent crucialement. Après texturation, la surface du c-
Si présente un aspect rugueux ainsi qu‟un relief net qu‟il convient d‟adoucir par différents
nettoyages [Angermann08]. L‟adoucissement des reliefs, visible sur la Figure 15, permet en
effet d‟éviter les phénomènes d‟épitaxie localisés (lors du dépôt de a-Si:H) qui nuisent à la
passivation de surface [Olibet07]. La qualité d‟une texturation et du nettoyage peut être
évaluée par la réflectivité effective de la surface ainsi que par la durée de vie effective des
substrats passivés.
Figure 15. Images MEB d’un substrat texturé, avant (à gauche) et après (à droite)
nettoyage chimique [Angermann08].
3.2.3 Couches a-Si:H
Les couches a-Si:H développées pour la fabrication des cellules Si-HJ doivent
permettent à la fois de passiver la surface et de réaliser une jonction p/n ou high/low. Ces
couches de 5 à 30 nm d‟épaisseur en moyenne peuvent être constituées d‟un seul matériau ou
d‟un empilement de 2 à 3 matériaux différents. La transition entre ces matériaux peut se faire
soit de manière abrupte, soit par un gradient.
Le silicium amorphe hydrogéné peut être dopé par l‟insertion d‟impuretés telles que le
Phosphore, le Bore ou l‟Aluminium. La méthode la plus courante pour fabriquer des couches
a-Si:H dopées consiste à introduire des gaz précurseurs contenant les impuretés dopantes dans
le réacteur de dépôt. Une certaine fraction des atomes dopants est introduite dans la matrice
de a-Si:H et peut participer au transport des charges. L‟autre fraction (dopants inactifs) induit
une augmentation des défauts dans la couche et donc une densité d‟états accrue dans le gap.
La Figure 16 tirée de [Carlson90] donne un aperçu des valeurs de conductivité pouvant être
obtenues en dopant le a-Si:H.
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 41 -
Figure 16. Conductivité du a-Si:H en fonction du dopage [Carlson90]
L‟augmentation de la densité d‟impuretés dans le a-Si:H provoque la chute des
mobilités [Sze81] et de l‟efficacité de dopage (rapport des dopants actifs et des dopants
inactifs) [Street82]. C‟est pourquoi l‟augmentation du nombre d‟atomes dopants dans le a-
Si:H n‟est pas forcément corrélée à l‟augmentation de sa conductivité. L‟efficacité de dopage
du a-Si:H est très faible (< 30%) et peut même être inférieure à 1% pour le dopage Bore
[Searle98]. Il faut cependant préciser que des matériaux a-Si:H présentant une fraction
cristallisée permettent d‟atteindre des valeurs de conductivité plus élevées que les matériaux
purement amorphes (≥ 1 S.cm-1
) [Alpuim01]. Ces couches microcristallines dopées peuvent
être utilisées sous le contact afin d‟améliorer l‟effet tunnel par rapport aux couches purement
amorphes [Rostan06].
Le a-Si:H dopé possède une densité de défauts élevée favorisant les recombinaisons à
l‟interface a-Si:H / c-Si et à proximité de celle-ci. C‟est pourquoi la majorité des cellules Si-
HJ utilisent aujourd‟hui la technologie HIT, véritable clé pour atteindre les hauts rendements.
La difficulté principale de cette technologie est d‟optimiser les propriétés de la couche tampon
pour qu‟elle permette la diminution des recombinaisons à l‟interface tout en n‟altérant pas le
transport des charges. La couche tampon peut être optimisée au niveau de son énergie de gap,
de sa conductivité et de son épaisseur [Lu08] [Einsele07] afin d‟éviter les pertes résistives.
C‟est avec une couche tampon en a-Si:H que les cellules Si-HJ atteignent les meilleurs
rendements. En effet, ce matériau permet de passiver très efficacement la surface du c-Si
comme le montrent les vitesses de recombinaisons de surface inférieures à 5 cm.s-1
obtenues
[Olibet07].
1,E-13
1,E-11
1,E-09
1,E-07
1,E-05
1,E-03
1,E-01
1E+2
1
1E+2
0
1E+1
9
1E+1
8
1E+1
7
1E+1
6
1E+1
5
1E+1
5
1E+1
6
1E+1
7
1E+1
8
1E+1
9
1E+2
0
1E+2
1
Type n Type p
1x10-13
1x10-11
1x10-9
1x10-7
1x10-5
1x10-3
1x10-1
σ(O
hm
.cm
)-1
Dopage B (cm-3) Dopage P (cm-3)
1x10
21
1x10
20
1x10
19
1x10
18
1x10
17
1x10
16
1x10
21
1x10
15
1x10
20
1x10
19
1x10
18
1x10
17
1x10
21
1x10
15
1x10
16
1,E-13
1,E-11
1,E-09
1,E-07
1,E-05
1,E-03
1,E-01
1E+21
1E+20
1E+19
1E+18
1E+17
1E+16
1E+15
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
1E+19
1E+20
1E+21
Type n Type p
1,E-13
1,E-11
1,E-09
1,E-07
1,E-05
1,E-03
1,E-01
1E+21
1E+20
1E+19
1E+18
1E+17
1E+16
1E+15
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
1E+19
1E+20
1E+21
Type n Type p
1x10-13
1x10-11
1x10-9
1x10-7
1x10-5
1x10-3
1x10-1
σ(O
hm
.cm
)-1
Dopage B (cm-3) Dopage P (cm-3)
1x10
21
1x10
20
1x10
19
1x10
18
1x10
17
1x10
16
1x10
21
1x10
15
1x10
20
1x10
19
1x10
18
1x10
17
1x10
21
1x10
15
1x10
16
1,E-13
1,E-11
1,E-09
1,E-07
1,E-05
1,E-03
1,E-01
1E+21
1E+20
1E+19
1E+18
1E+17
1E+16
1E+15
1E+15
1E+16
1E+17
1E+18
1E+19
1E+20
1E+21
Type n Type p
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 42 -
Le a-SiOx:H est également envisageable comme couche tampon car il montre
d‟excellentes propriétés de passivation de surface [Mueller08]. Un autre avantage de ce
matériau est son grand gap qui permettrait de diminuer les pertes par absorption dans
l‟émetteur en face avant. En effet, les porteurs photogénérés dans l‟émetteur amorphe sont
directement recombinés par ses nombreux défauts, provoquant une chute du courant pour une
épaisseur de matériau croissante [Tanaka92] [Damon-Lacoste07]. Il est donc nécessaire de
réaliser des couches ultrafines pour éviter l‟absorption d‟une trop grande quantité du
rayonnement. Là encore, il s‟agit de trouver le bon compromis dans la mesure où la vitesse de
recombinaison de surface diminue en général avec l‟épaisseur de a-Si:H déposée.
En ce qui concerne les couches déposées sur la face arrière (BSF), l‟épaisseur n‟est
pas un paramètre aussi crucial que pour l‟émetteur en face avant [Stangl03]. Cependant une
vitesse de recombinaison faible (inférieure à 100 cm.s-1
[Sawada94]), ainsi qu‟une réflectivité
interne élevée, sont nécessaires en face arrière pour obtenir des valeurs élevées de Jcc
[Page06].
Lors du dépôt des couches a-Si:H, des phénomènes d‟épitaxie peuvent apparaître à
proximité de l‟interface [Wang05]. Ces portions cristallines dans le matériau amorphe
entraînent une diminution de la passivation de surface et donc des performances des cellules
Si-HJ. Les phénomènes d‟épitaxies semblent être liés à la température du dépôt et la
puissance du plasma [Fujiwara07a] mais également à l‟orientation cristalline du substrat
[Das07]. Afin d‟obtenir des couches de grande qualité, ne dégradant pas l‟interface, il semble
enfin nécessaire d‟utiliser un mode de dépôt « doux », soit par PECVD en réduisant la vitesse
de dépôt [Maruyama06], soit par HWCD où le substrat n‟est pas soumis au bombardement
ionique [Munoz08].
3.2.4 Oxyde Transparent Conducteur (OTC) et contacts
L‟OTC présent en face avant des cellules Si-HJ permet à la fois d‟acheminer les
charges jusqu‟à l‟électrode de collecte et de diminuer les réflexions (couche anti-reflet). C‟est
pourquoi il est caractérisé principalement par sa conductivité, son absorption et son indice de
réfraction. De son optimisation dépendent principalement les valeurs de Jcc (confinement
optique) et FF (résistance latérale et au contact). Ces valeurs peuvent également être impactée
par le travail de sortie du contact [Centurioni03], si la couche a-Si:H recouverte est trop fine
et/ou pas assez dopée [Froitzheim02]. C‟est l‟ITO (Indium Tin Oxyde) déposé par
pulvérisation qui est le plus répandu comme OTC sur les cellules Si-HJ, cependant le ZnO:Al
semble pouvoir rivaliser [Ribeyron08a]. Pour la face arrière des cellules Si-HJ, il est possible
de ne pas utiliser de TCO si l‟on ne souhaite pas réaliser des cellules bifaciales. Un TCO en
face arrière permet cependant d‟éviter la dégradation des couches a-Si:H induites par le dépôt
d‟un métal (Al ou Ti par exemple). De plus, un meilleur confinement optique peut être atteint
à l‟aide d‟un empilement TCO / Métal en face arrière [Page06]. Cependant, certaines des
meilleures cellules Si-HJ fabriquées utilisent une simple couche d‟Aluminium évaporé en
face arrière [Korte07].
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 43 -
3.2.5 Traitements thermiques
Les couches a-Si:H sont déposées en général à des températures inférieures à 250°C.
Le budget thermique apporté par les étapes de procédé ultérieures doit donc être maîtrisé. En
effet, des traitements thermiques même effectués à des températures inférieures à la
température de dépôt peuvent avoir un effet sur les propriétés de passivation de surface des
couches a-Si:H [Korte07]. L‟hydrogène atomique présent dans le a-Si:H et à l‟interface peut
en effet diffuser à basse température. Lors d‟un recuit, il est possible que l‟hydrogène
moléculaire présent dans les couches se dissocie en atomes H qui peuvent alors saturer les
liaisons pendantes. Cependant, l‟hydrogène atomique peut également effuser hors de la
couche et laisser des liaisons pendantes non satisfaites. Les traitements thermiques post-dépôt
semblent néfastes dans le cas où des phénomènes d‟épitaxie sont déjà présents [DeWolf07a]
ainsi que pour l‟empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (p) [DeWolf07b].
3.2.6 Critères pour l’optimisation des cellules à hétérojonction silicium
Il est possible de définir différents critères permettant la fabrication de cellules Si-HJ à
hauts rendements. Ces dispositifs doivent être optimisés en fonction de plusieurs exigences :
1/ Une densité d’états d’interface minimale est nécessaire. Pour cela, le nettoyage de
la surface est une étape cruciale afin d‟éviter toute contamination avant le dépôt des couches
a-Si:H.
2/ Le dopage des couches a-Si:H (n) et (p) doit être suffisant pour assurer un champ
électrique élevé ainsi qu‟un bon contact.
3/ Dans la mesure où les couches dopées sont très défectueuses, il est nécessaire
d‟insérer une couche de passivation à l’interface. Cette couche tampon ou « buffer » doit
permettre la diminution des recombinaisons de surface, tout en ne gênant pas la conduction
des charges.
4/ Les valeurs des discontinuités de bandes doivent être contrôlées dans la mesure
du possible pour trouver un compromis entre propriétés de passivation (forte discontinuité) et
de conduction (faible discontinuité).
5/ Les couches d‟OTC ainsi que les électrodes métalliques sont soumises à un
compromis entre propriétés optiques (réflectivité, absorption, ombrage) et propriétés
électriques (conductivité).
Pour conclure cette partie, il est important de souligner que l‟effet Staebler-Wronski
constaté sur les cellules p-i-n n‟est pas visible sur les cellules Si-HJ [Sawada94]. Les
performances de ces cellules sont en effet stables quel que soit le type de c-Si après exposition
à la lumière ainsi qu‟à des températures de fonctionnement réelles [Bowden08].
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 44 -
3.3 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si et contacts en face arrière
La structure Si-HJ à contacts en face arrière est évoquée pour la première fois dans
une demande de brevet de la firme EBARA en 2003 [Mishima03]. Ce type de cellules
permettrait théoriquement d‟atteindre des rendements supérieurs à 25% [Swanson05]. C‟est
pourquoi plusieurs laboratoires, dont le CEA-INES, ont commencé à l‟étudier depuis 2007.
Par rapport aux cellules Si-HJ classiques, cette structure représente une voie d‟amélioration
du rendement ainsi qu‟une possibilité de mise en module simplifiée. Elle doit néanmoins faire
face aux mêmes problématiques que les structures RCC classiques, à savoir la nécessité
d‟utiliser des substrats de bonne qualité électrique avec une passivation de surface excellente
en face avant. Le Tableau 6 rassemble les différentes géométries proposées pour les cellules
Si-HJ à contacts en face arrière. La majorité des cellules à hétérojonctions et contacts en face
arrière réalisées expérimentalement ont une structure interdigitée (IBC) à double
hétérojonction (émetteur et BSF).
Tableau 6. Structures de cellules Si-HJ à contacts en face arrière
Brevet EBARA [Mishima03]
IBC Si-HJ [Lu07b]
IBC Si-HJ avec couche (i) [Lu07b]
BEHIND [Tucci07]
RECASH [Stangl07]
PRECASH [Stangl08]
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 45 -
L‟usage de dépôts de a-Si:H plutôt que de dopages thermiques pour la réalisation de
cellules RCC peut permettre à la fois de simplifier les structures et leur procédé de fabrication
(localisation plus simple des couches a-Si:H) [Lu07b]. Au niveau expérimental, la première
réalisation de cellules IBC Si-HJ peut être attribuée à Lu et al qui ont obtenu en 2007 un
rendement de 11.8% sur c-Si de type n (1 cm2) en utilisant la technique de photolithographie
[Lu07a]. La Vco (602 mV) et le Jcc de cette structure (26.7 mAcm-2
) sont limités par les
recombinaisons entre les électrodes (gap). Les recombinaisons dans le gap ont en effet un
impact important sur les performances de ce type de cellules [Lu08]. Mais le procédé de
fabrication utilisé par Lu et al implique de laisser une zone large de 2 µm non passivée dans
ce gap.
La structure BEHIND (Back Enhanced Heterostructure with INterDigitated contact)
est réalisée à l‟aide d‟un procédé basé sur l‟utilisation de masques métalliques. Une étape de
gravure sèche à travers un masque est utilisée après le dépôt de l‟émetteur pour le localiser
[Tucci07]. Le dépôt du BSF peut ainsi s‟effectuer ensuite à travers le même masque. Les
cellules BEHIND ont été développées sur c-Si de type p et détiennent le record mondial avec
un rendement de 15% sur une surface de 6.25 cm2
[Tucci08].
Une structure originale appelée RECASH (Rear Contact Amorphous/Crystalline
Silicon Heterojunction) a été développée par le HZB [Stangl07]. La RECASH est réalisable
seulement sur un substrat de type p dans la mesure où le BSF est réalisé avec un contact
d‟aluminium, et seul l‟émetteur est en a-Si:H. Ce design ne nécessite théoriquement pas
d‟étapes de masquage particulières, car l‟isolation entre le BSF et l‟émetteur peut être obtenue
par croissance d‟un oxyde d‟aluminium sur la grille de contact. Un rendement proche de 14%
a été démontré sur c-Si de type p (1 cm2) en utilisant des étapes de photolithographie. Ces
performances sont limitées par une forte résistance au contact et une forte densité de défauts à
l‟interface c-Si / a-Si:H, induite par le procédé de fabrication. Le même laboratoire explore
également une voie différente avec la PRECASH (Planar Rear Emitter back Contact
Amorphous / Crystalline Silicon Heterojunction), qui a pour l‟instant donné des résultats
limités [Stangl08]. L‟avantage possible serait une augmentation du courant et de la tension
grâce à la structure de « point-contact » pour le BSF ici en a-Si:H.
D‟excellentes valeurs de Vco proches de 700 mV ont pu être obtenues avec l‟insertion
d‟un film a-Si:H intrinsèque pour la passivation de la face arrière [Tucci08] [Lu07b]. Les
cellules réalisées avec cette couche tampon souffrent cependant de problèmes de conduction
dans la couche intrinsèque, et leur facteur de forme reste inférieur à 60%. La comparaison
expérimentale avec une structure à émetteur en face avant a été réalisée avec les mêmes
empilements, cependant celle-ci ne souffre pas des problèmes de conduction à travers le
silicium amorphe intrinsèque [Lu08]. La variation de conduction du a-Si:H(i) en fonction de
l‟éclairement et/ou du taux d‟injection pourrait expliquer son comportement différent selon
qu‟il est situé sur la face avant (éclairée) ou sur la face arrière. Des résultats de simulation
montrent que la diminution de EG ou un léger dopage de la couche a-Si:H tampon permettrait
d‟obtenir de meilleurs facteurs de forme sur les cellules IBC Si-HJ [Lu08].
ÉTAT DE L’ART 3. Les cellules PV industrielles en silicium cristallin à haut rendement
- 46 -
Le Tableau 7 présente un état de l‟art des performances des cellules Si-HJ à contacts
en face arrière. Il s‟agit de dispositifs réalisés expérimentalement sur des surfaces réduites (≤
10 cm2).
Tableau 7. Résultats expérimentaux des cellules Si-HJ à contacts en face arrière
Substrat
c-Si
Face
avant
Face
arrière
(émetteur)
Face
arrière
(BSF)
Vco
(V)
Jcc
(mA/
cm2)
FF
(%)
Rdt
(%) Qui ?
FZ type n
1 cm2
a-Si:H(i) +
OTC
a-Si:H (p) /
Al
a-Si:H
(n) / Al 602 26.7 73 11.8
IEC
[Lu07b]
a-Si:H (i/p)
/ Al
a-Si:H
(i/n) /
Al
691 35.0 36 8.5 IEC
[Lu07b]
FZ type p
1 cm2
Texturé
a-SiNx:H
Haute T°
a-Si:H(n) +
Al Al-BSF 580 37.0 65 13.9
HZB
[Stangl07]
CZ type p
6.25 cm2
Texturé
a-Si:H(i) +
a-SiNx:H
Basse T°
a-Si:H (i/n)
/ CrSi / Al
a-Si:H
(i/p) /
CrSi /
Al
695 35.3 61 15.0
ENEA-
ECN
[Tucci07]
Pour la passivation de la face avant, une solution simple consiste à utiliser un
empilement de deux couches de caractéristiques distinctes [Lu07b][Tucci07]. Une première
couche d‟a-Si:H (i) permet de passiver la surface du substrat c-Si. La deuxième couche,
servant d‟anti-reflet, doit être déposée à basse température (SiNx:H, OTC). Cet empilement
n‟est pas idéal, dans la mesure où comme sur les cellules Si-HJ classiques, la couche a-Si:H
en face avant absorbe une partie du rayonnement incident. La structure RECASH utilise,
quant à elle, un unique dépôt de a-SiNx:H déposé au tout début du procédé de fabrication, à
une température élevée. Un Jcc de 37 mA.cm-2
est obtenu, ce qui montre que cette couche est
optimisée aussi bien du point de vue optique que pour la passivation de surface. En revanche,
comme elle est fabriquée à haute température, cette étape doit se dérouler au tout début du
procédé. Des problèmes de contamination peuvent alors apparaître lors des étapes de
nettoyage [Stangl07].
ÉTAT DE L’ART Conclusions
- 47 -
Conclusions
Cet état de l‟art nous a d‟abord permis de présenter les bases du fonctionnement des
cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Les notions d‟absorption du rayonnement et de
recombinaisons de porteurs, nécessaires à la compréhension de ces dispositifs, ont été
détaillées.
De nombreux paramètres, théoriques et technologiques, limitent le rendement des
cellules solaires en c-Si. Il existe différentes manières de surmonter ces limites
technologiques. Une première méthode, suivie par l‟UNSW, a consisté à optimiser le
dispositif à l‟aide de procédés issus de la micro-électroniques. Des rendements de 25% ont
ainsi été obtenus sur des cellules de 4 cm2.
Deux autres approches, plus industrielles, ont été développées par les firmes Sanyo et
SunPower Corp. La première utilise l‟hétérojonction a-Si:H / c-Si (Si-HJ), tandis que la
seconde réalise des structures à contacts en face arrière interdigités (IBC). Ces deux
approches, détaillées dans cet état de l‟art, permettent l‟obtention de rendements de
conversion de 23% sur des substrats de grande taille (≥ 100 cm2).
La combinaison de ces deux structures permet théoriquement d‟atteindre des
rendements supérieurs à 25 %, sur des substrats de grande taille. Seuls quelques laboratoires
ont commencé à s‟intéresser à ce sujet depuis l‟année 2007. La faisabilité expérimentale des
cellules Si-HJ IBC a été prouvée sur des substrats de taille réduite (≤ 10 cm2). Ces dispositifs
sont jusqu‟à maintenant limités par une valeur de FF faible, particulièrement dans le cas où
une couche tampon est utilisée en face arrière.
- 49 -
MATERIEL ET MÉTHODES EXPERIMENTALES
Ce chapitre concerne les différents équipements et méthodes utilisés pour la
fabrication, la caractérisation, et la modélisation des cellules solaires Si-HJ IBC. Le Tableau 8
résume les matériaux et paramètres caractérisés dans cette étude ainsi que les méthodes de
caractérisations associées. Seules les plus utilisées sont présentées dans ce chapitre. Des
informations complémentaires sur les mesures SIMS, AFM, MEB, FTIR et TIR peuvent être
trouvées respectivement dans les références [Bubert02], [Giessibl03], [Goldstein03],
[Griffiths07] et [Kaminski98].
Tableau 8. Matériaux et paramètres caractérisés pour cette étude
Matériaux /
Dispositifs Paramètres Caractérisation
Couches minces
(a-Si:H, a-SiNx:H,
a-SiCx:H, ITO,
métaux)
Conductivité Mesure de conductivité sur verre
Méthode 4 pointes
Composition Spectroscopie de masse d‟ions secondaires
(SIMS)
Liaisons Spectroscopie Infra-Rouge à Transformée de
Fourier (FTIR)
Transmission optique Spectrophotométrie
Couches minces
sur c-Si
Épaisseur Ellipsométrie
Passivation de surface Mesures de durée de vie effective
Métal / a-Si:H /
c-Si Résistivité de contact Mesure TLM
Dépôts localisés
sur c-Si
Conformité
Profilométrie, Microscope à Force Atomique
(AFM), Microscope Électronique à Balayage
(MEB)
Passivation de surface Cartographies en durée de vie effective
Cellules PV
Rendement J-V sous éclairement
Pertes résistives J-V sous obscurité, SunsVoc, Thermographie
Infra-Rouge (TIR)
Pertes optiques Réponse spectrale, cartographies en
photocourant
MATÉRIEL&MÉTHODES 1.Fabrication de cellules solaires à hétérojonctions silicium
- 50 -
1. Fabrication des cellules solaires à hétérojonctions silicium
1.1 Dépôts de couches minces a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H
Les couches minces (≥ 5 nm) a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H réalisées dans cette étude
sont fabriquées à l‟aide d‟un équipement de dépôt chimique en phase gazeuse (Chemical
Vapor Deposition ou CVD). Cette technique est très répandue pour déposer des films minces
à la surface d‟un substrat à partir de précurseurs gazeux. Ceux-ci interagissent dans une
enceinte de dépôt (Figure 17) et produisent des espèces réactives qui sont adsorbées sur le
substrat. Un dépôt de matière cristalline, poly-cristalline ou amorphe peut être réalisé en
fonction des conditions expérimentales utilisées, par exemple la pression et la température
dans l‟enceinte du dépôt.
Figure 17. Principe du dépôt chimique en phase vapeur.
L‟énergie nécessaire à l‟apparition des espèces réactives peut être fournie par un
filament chaud (Hot Wire CVD) ou par un Plasma (Plasma Enhanced CVD). C‟est avec cette
dernière technique que l‟on a réalisé les dépôts des couches a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H dans
cette étude. Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) est le
plus répandu pour la fabrication des cellules Si-HJ. Le principe de cette technique de dépôt
repose sur l‟apport d‟énergie électrique à un mélange gazeux par l‟intermédiaire de deux
électrodes. La dissociation des molécules de gaz est permise par l'application entre la cathode
et l'anode d'une tension, fournie par un générateur à puissance variable. Un plasma (mélange
de molécules ionisées ou non) est ainsi créé.
La tension appliquée peut être continue mais en général, et dans le cas de notre étude,
il s‟agit d‟une tension alternative radio-fréquence (13.56 MHz) ou basse fréquence (40 kHz).
L‟impédance du plasma est plutôt faible et surtout variable en fonction des conditions de
MATÉRIEL&MÉTHODES 1.Fabrication de cellules solaires à hétérojonctions silicium
- 51 -
dépôt. Afin de transférer au maximum la puissance du générateur au plasma, il est nécessaire
d‟adapter l‟impédance du plasma à celle du générateur. Ceci se fait par l‟intermédiaire d‟un
adaptateur d'impédance ou réseau d'accord. Un réacteur PECVD doit permettre de contrôler
les différents processus du dépôt :
Réactions des gaz précurseurs provoquant l‟apparition d‟espèces réactives
Transport des espèces réactives vers le substrat
Interaction des espèces réactives entre elles et avec le substrat (adsorption)
Croissance du film grâce aux espèces adsorbées
Arrangement de la couche et désorption des produits de la réaction
Les couches a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H utilisées dans le cadre de cette thèse sont
déposées dans un réacteur de type PLASMA Box développé par BALZERS. Ce système
breveté [Schmitt92] permet le confinement du plasma dans un réacteur placé à l'intérieur
d'une enceinte à vide. Pendant les dépôts, le réacteur est donc en surpression par rapport à
l‟enceinte. Ceci permet d'éviter les contaminations provenant du dégazage des parois froides
de l‟enceinte. De plus, la température dans le volume de la boîte à plasma est constante et
uniforme. Le plasma créé permet le dépôt de matériau sur un substrat recouvrant l‟anode (voir
Figure 18). Le réacteur "Plasma Box" est constitué des pièces suivantes :
Une enceinte reliée électriquement à la masse
La boîte à plasma et la bride de pompage reliés électriquement à la masse
Le porte-substrat, qui ferme la boîte à plasma, relié électriquement à la masse
La cathode
La douche d'injection des gaz au potentiel RF
Figure 18. Schéma d’un réacteur de type "Plasma Box"
Gaz RF
Pompage Plasma
Box
Pompage enceinte
Résistances chauffantes
Isolation
thermique Cathode
Substrat
Plasma Box
Enceinte
PLASMA PLASMA
MATÉRIEL&MÉTHODES 1.Fabrication de cellules solaires à hétérojonctions silicium
- 52 -
Afin d‟obtenir une surface du substrat libre de tout oxyde natif, les plaques de c-Si
subissent une trempe de 30 s dans un bain de BOE dilué à 7% (HF tamponné) avant
l‟introduction dans le réacteur. Le temps de transfert entre ce nettoyage et la mise sous vide de
l‟échantillon doit être réduit (quelques minutes au maximum) afin de prévenir toute nouvelle
formation d‟oxyde natif en surface. Pour obtenir des couches a-Si:H de type n ou p, on
introduit respectivement de la Phosphine (PH3) ou du TriMéthylBore (TMB). Dans cette
étude tous les dépôts a-Si:H sont réalisés dans la même chambre PECVD quel que soit leur
dopage. Afin d‟éviter les problèmes de contamination entre les différents types de dépôts
[Iencinella05], un nettoyage de la chambre est réalisé après chaque série de dépôt utilisant un
type de dopants. Un pré-dépôt de couche de a-Si:H non dopé est également effectuée avant
toute nouvelle série de dépôts. Les principaux mécanismes aboutissant au dépôt PECVD de
silicium amorphe hydrogéné sont rassemblés sur la Figure 19.
Figure 19. Principaux mécanismes physico-chimiques dans un plasma de Silane pour le
dépôt de a-Si:H [Roca i Cabarrocas88]
1.2 Dépôts d’ITO et contacts métalliques
Dans notre étude, des couches conductrices de différents matériaux (ITO, Al, Ti, Pd)
ont été déposées par pulvérisation cathodique radio-fréquence. Cette technique est très
répandue car elle permet un dépôt de matière rapide et peu coûteux. La forte énergie des ions
pulvérisés entraîne également une meilleure adhésion des couches par rapport à la méthode
d‟évaporation. Son principe consiste à bombarder une cible solide avec un plasma d‟ions
argon. Les atomes éjectés de la cible réagissent éventuellement avec des réactifs présents dans
Réacteur
• Pression
• Température
• Géométrie
• Puissance
Injection
des gaz
Pompage
PLASMA
Réactions primaires
Collisions e-/SiH4
Espèces chargées
(ions)
H+ ; H- ; H2+
Si+; Si-
SiH+; SiH-
SiH2+; SiH2-
SiH3+; SiH3-
Espèces neutres
(radicaux)
H
Si
SiH
SiH2
SiH3
Réactions
secondaires
SiH4
SiHnHm
Substrat
GAINE
Diffusion
Désorption (H2, SiH4…), gravure,
émission d’e- secondaires,…
Ionisation Dissociation
Dérive
Bombardement ionique
MATÉRIEL&MÉTHODES 1.Fabrication de cellules solaires à hétérojonctions silicium
- 53 -
l‟enceinte et se déposent ensuite sur le substrat. Les paramètres les plus influents sont donc la
composition de la cible ainsi que la puissance, la pression, la température et le flux de gaz
précurseurs pendant le dépôt.
Lors du dépôt d‟ITO, le flux d‟O2 ajouté est un paramètre particulièrement important.
En effet la concentration d‟atomes d‟Oxygène dans ce matériau influence fortement sa
conductivité et sa transparence. La pulvérisation de l‟ITO peut cependant endommager la
surface des couches sur lesquelles il est déposé [Damon-Lacoste07]. Dans le cas de couches
a-Si:H ultra-minces, il existe alors un risque de dégrader ou de court-circuiter ces couches.
L‟ITO utilisé dans notre étude est recuit à 200°C pendant 20 min afin d‟améliorer ses qualités
optiques et électriques.
Sur la face arrière des cellules Si-HJ standard, un dépôt de métal (Al) de 500 nm à 1
µm suffit généralement pour collecter les charges et confiner les rayons IR dans le substrat.
Dans le cas des structures à contacts en face arrière, les électrodes sont localisées donc leur
épaisseur doit être augmentée en fonction de la surface des cellules.
1.3 Grille de contact en face avant
La grille de contact en face avant des cellules photovoltaïques standard est réalisée par
un dépôt localisé de métal. Les cellules de laboratoire utilisent généralement un procédé
d‟évaporation à travers un masque métallique ou un masque de lift off. Au niveau industriel,
le procédé de sérigraphie est plus adapté, et c‟est celui que nous utilisons dans cette étude sur
les cellules Si-HJ standard et à émetteur inversé.
La méthode de sérigraphie consiste à déposer une encre localement (à travers un
écran) sur un substrat. L‟encre déposée, épaisse de 15 à 20 µm, reproduit le motif de l‟écran
(Figure 20). Les paramètres les plus importants concernant la conformité et l‟épaisseur du
dépôt sont la viscosité de l‟encre, la vitesse de la racle, la pression appliquée sur l‟écran ainsi
que la distance entre l‟écran et le substrat (« snap-off »).
Figure 20. Principe du dépôt d’encre par sérigraphie
Substrat
Vitesse
Pression
Snap Off
Émulsion
Encre
Substrat
Vitesse
Pression
Snap Off
Émulsion
Encre
SubstratSubstratSubstratSubstrat
Vitesse
Pression
Snap Off
Émulsion
Encre
Substrat
Vitesse
Pression
Snap Off
Émulsion
Encre
SubstratSubstratSubstrat
MATÉRIEL&MÉTHODES 1.Fabrication de cellules solaires à hétérojonctions silicium
- 54 -
Pour les cellules Si-HJ, l‟encre utilisée doit être recuite à basse température (≤ 200°C)
pour ne pas détériorer les couches amorphes. Cette encre « basse température » est moins
dense, et donc moins conductrice, que les encres recuites à haute température. Pour pallier à
ce problème, on peut déposer l‟encre plusieurs fois successivement au même endroit pour
augmenter l‟épaisseur totale de la grille. Un procédé d‟alignement optique est alors nécessaire
pour déposer le métal au même endroit à chaque impression.
Dans cette étude, nous utilisons un procédé de reconnaissance optique de mires
gravées au LASER. Pour nos cellules de 25 cm2, une épaisseur de 30 à 40 µm de métal
sérigraphié est nécessaire pour éviter les pertes par résistance série dans la grille. Trois
impressions successives sont utilisées pour atteindre ces épaisseurs. Après chaque impression
un recuit de quelques minutes en étuve à 150°C est nécessaire afin d‟évaporer les solvants et
densifier l‟encre.
1.4 Découpe des cellules
Les cellules solaires fabriquées dans le cadre de cette étude sont découpées à l‟aide
d‟un LASER, dans les substrats de diamètre 10 cm. La gravure LASER permet d‟entailler le
substrat selon un motif souhaité (ici un carré de 5 cm de côté) qu‟il faut alors cliver à la main.
L‟outil utilisé est un LASER de type YAG fonctionnant à la longueur d‟onde de 1064 nm.
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 55 -
2. Méthodes de caractérisation
2.1 Caractérisation des couches minces
2.1.1 Propriétés de conduction
La conductivité d‟un matériau est égale à l‟inverse de sa résistivité, et s‟exprime en
(Ohm.cm)-1
ou en S.cm-1
. Ce paramètre macroscopique dépend selon l‟équation (25) de la
mobilité et du nombre de porteurs libres. Ces deux grandeurs sont en compétition si l‟on
cherche à augmenter la conductivité à l‟aide d‟impuretés dopantes.
Nq (25)
Avec: σ: Conductivité (Ohm.cm)-1
N: Nombre de porteurs libres (cm-3
)
q: Charge élémentaire (C)
µ: Mobilité des porteurs majoritaires (cm² V-1
s-1
)
Pour des matériaux de conductivité faible (≤ 1x10-3
S.cm-1
), il est nécessaire de réaliser
un dispositif spécifique pour mesurer cette grandeur. Ce dispositif consiste en deux électrodes
métalliques déposées sur le matériau à mesurer, d‟épaisseur connue. Pour une couche mince
déposée, comme c‟est le cas avec le a-Si:H et les OTC, il est nécessaire de réaliser le dépôt
sur un substrat isolant, comme le verre Corning, afin de ne pas fausser les mesures. La Figure
21 montre schématiquement le dispositif de mesure de conductivité d‟une couche a-Si:H. Sur
ce dispositif, la hauteur des plots de métal doit être proche de 100 nm et leur largeur
supérieure à 500 nm afin de faciliter la pose des pointes de mesure.
Figure 21. Dispositif utilisé pour la mesure de conductivité du a-Si:H
La conductivité du matériau est déduite de la mesure de résistance entre les
électrodes. Pour cela, on détermine la caractéristique I-V, où R=V/I est l‟inverse de la pente
de la droite obtenue. Cette mesure peut se faire indifféremment sous obscurité ou sous un
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 56 -
faible éclairement lorsque les couches sont fortement dopées. En revanche, pour les couches
non dopées, l‟excitation lumineuse augmente la photoconductivité du matériau. Des mesures
distinctes doivent alors être menées à l‟obscurité et sous éclairement. En supposant la
résistance de contact négligeable devant celle de la couche, la relation entre σ et R est donnée
par la relation (26).
Rhe
d (26)
Avec : σ: Conductivité (Ohm.cm)-1
d: Distance entre les électrodes (cm)
R: Résistance entre les électrodes (Ohm)
e: Épaisseur du matériau à mesurer (cm)
h: Largeur des électrodes (cm)
Lorsque la conductivité du matériau est élevée (supérieure à 1x10-3
S.cm-1
), sa mesure
peut également se faire par la méthode quatre pointes. Ainsi les OTC utilisés en face avant des
cellules Si-HJ standard ainsi que certains a-Si:H (n) sont caractérisés par cette méthode ne
nécessitant pas le dépôt d‟électrodes métalliques. Des mesures de conductivité en fonction de
la température permettent également d‟obtenir l‟énergie d‟activation du dopage. La valeur de
cette énergie est approximativement égale à la différence entre le niveau de Fermi et celui de
la bande de conduction du matériau de type n (celui de la bande de valence pour un matériau
de type p).
2.1.2 Épaisseur: ellipsométrie
La mesure d‟ellipsométrie permet de caractériser des films minces de manière non
destructive et sans contact. Cette technique repose sur la mesure du changement de
polarisation d‟un rayonnement monochromatique après réflexion sur un empilement de
matériaux. Il faut noter que cette mesure nécessite une planéité parfaite du substrat et est donc
impossible à réaliser sur substrats texturés. Les échantillons sont constitués d‟un substrat plan
(verre Corning ou c-Si) recouverts par la ou les couches à caractériser. La Figure 22 montre le
schéma d‟un ellipsomètre constitué d‟une source, d‟un polariseur, d‟un analyseur et d‟un
détecteur, comme celui utilisé dans notre étude. Pour disposer de données suffisantes, la
mesure doit être effectuée sur une plage assez étendue de longueurs d‟ondes à un angle
d‟incidence donné. Le logiciel Delta Psi 2 de la société Jobin-Yvon permet ensuite de faire
correspondre les mesures expérimentales avec des modèles en ajustant les paramètres des
matériaux.
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 57 -
Figure 22. Schéma de principe d’un ellipsomètre [Fourmond02]
L‟onde incidente provenant de la source est d‟abord polarisée, puis réfléchie
partiellement à la surface de l‟échantillon. Le champ électrique des ondes incidentes et
réfléchies peut être caractérisé par deux composantes, l‟une parallèle (Ep), et l‟autre
perpendiculaire (Es) au plan d‟incidence. La modification du champ électrique après réflexion
sur l‟échantillon peut être quantifiée par deux coefficients, rp et rs, concernant chacune des
composantes du champ (relations (27) et (28)).
)jexp(rE
Er pp
)incidente(p
)réfléchie(pp (27)
)jexp(rE
Er ss
)incidente(s
)réfléchie(ss (28)
Les deux coefficients rp et rs sont complexes. Leur module |r| représente la
modification apportée à l‟amplitude de la composante du champ, et leur phase , le retard
introduit par la réflexion. En pratique, la quantité mesurée est le rapport de ces deux
coefficients, qui s‟exprime sous la forme (29).
)jexp(tanr
r
s
p (29)
En connaissant avec précision la valeur de l‟angle d‟incidence θ, il est alors possible
de déterminer la valeur de la fonction diélectrique de l‟échantillon mesuré par l‟équation (30).
)(i)()tan)1
1(1(sin)( 21
22 (30)
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 58 -
Le modèle de Tauc-Laurentz est bien adapté au calcul de la fonction diélectrique
d‟échantillons a-Si:H [Jellison96] [Jellison00]. Selon ce modèle, la partie réelle de la fonction
diélectrique ε1 s‟obtient généralement par une intégration de Kramers-Kronig avec ε1(∞) ≈ 1
[Damon-Lacoste07]. Le paramètre ε2 peut quant à lui s‟exprimer en fonction de l‟énergie à
l‟aide des paramètres de l‟équation (31) (non valable dans les infrarouges). Nos mesures se
font en général de 1.5 à 5 eV.
2222
02
2g0
EC)EE(
)EE(CAEx
E
1 si E > Eg
)E(2
0 si E ≤ Eg
(31)
Ce modèle permet donc une détermination assez précise de Eg, A (densité du matériau)
et C (paramètre de « désordre ») [Jellison00]. E0 représente l‟énergie pour laquelle les
transitions électroniques dans le matériau sont les plus probables. Une échelle de valeurs pour
ces différents paramètres est donnée dans le Tableau 9.
Tableau 9. Valeurs standard pour les paramètres du modèle de Tauc-Lorentz
appliqué aux couches a-Si:H [Damon-Lacoste07]
Paramètre (eV) Eg A E0 C
Valeur minimale 1.5 170 3.5 2
Valeur maximale 1.85 230 3.7 2.5
2.1.3 Propriétés de passivation de surface: durée de vie effective
La durée de vie effective (τeff) des porteurs dans un substrat c-Si dépend des
phénomènes de recombinaison en surface et dans le volume du semi-conducteur. La valeur de
τeff peut être mesurée expérimentalement par des techniques de mesure de décroissance de la
photoconductivité ou PCD (Photo-Conductivity Decay). Le principe de cette mesure,
développée dès 1955 [Stevenson55], repose sur une très courte excitation lumineuse (flash) du
semi-conducteur. Les porteurs en excès créés par cette excitation font varier la conductivité
du matériau selon la relation (32).
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 59 -
)(nq pn (32)
Avec: Δn: Densité de porteurs en excès (cm-3
)
µn et µp: Mobilités des électrons et des trous (cm² V-1
s-1
)
q: Charge élémentaire (C)
Après le flash lumineux, la densité de porteurs en excès (ou niveau d‟injection) décroît
jusqu‟à revenir au niveau de dopage du substrat. En prenant en compte la dépendance de la
mobilité des porteurs avec le niveau de dopage, on peut déterminer Δn pour chaque valeur de
Δσ mesurée. En supposant une photogénération G(t) et une durée de vie uniformes dans le
volume, la concentration des porteurs peut être considérée comme étant spatialement
uniforme. La durée de vie effective τeff peut alors se calculer à partir de l‟expression
(33) [Nagel99].
dt
)t(nd)t(G
)t(n)n(eff
(33)
Deux méthodes de mesure de durée de vie effective sont utilisées dans le cadre de nos
travaux. Ces deux méthodes diffèrent principalement par le mode de mesure de la
photoconductivité, et sont menées sur deux appareils différents. La première méthode est
basée sur l‟interaction entre une excitation micro-onde et le semi-conducteur [Kunst86]. La
réflexion des micro-ondes dépend du niveau d‟injection dans le substrat mais de manière non-
linéaire. Cette technique ne permet donc pas de déterminer la durée de vie en fonction du
niveau d‟injection. La décroissance de la conductivité après l‟excitation micro-onde est ici
définie par la relation (34).
)t
exp1()t(eff
0 (34)
Dans cette étude, un appareil de marque Semilab est utilisé avec une excitation
lumineuse (diode laser) émettant à une longueur d‟onde de 904 nm pour une densité de
puissance de 1320 W.cm-2
. Ceci correspond à des conditions de forte injection dans la mesure
où l‟excédent initial de porteurs est supérieur à 1x1017
cm-3
[Dubois07]. L‟avantage de cette
technique réside dans la possibilité de localiser l‟excitation micro-onde. Ainsi des
cartographies en durée de vie d‟une résolution inférieure à 100 µm peuvent être réalisées avec
cet appareil. Ceci est particulièrement intéressant pour l‟étude d‟inhomogénéités dans le c-Si
(particulièrement pour les matériaux multi-cristallins) ou dans la passivation de surface. Cette
méthode est notée µW(micro-waves )-PCD.
La seconde méthode utilise un couplage inductif (Inductively Coupled ou IC-PCD) et
permet de mesurer la variation de photoconductivité d‟un matériau au cours du temps
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 60 -
[Sinton96]. En connaissant la dépendance de la mobilité des porteurs avec le niveau de
dopage, il est alors possible d‟obtenir l‟évolution de τeff en fonction du niveau d‟injection (ID-
LS ou Injection Dependant – Lifetime Spectroscopy). L‟analyse de cette évolution permet, à
partir de modèles analytiques, de déterminer la densité d‟états et de charges à l‟interface
[Olibet07] [Garin07] ainsi que les mécanismes parasites [Chen07]. Dans le cadre de nos
travaux, l‟appareil WCT100 (Sinton Consulting) a été utilisé principalement dans le mode
« generalized ». Ce mode d‟analyse permet une mesure de photoconductance dans le mode
transitoire ou quasi-stationnaire en ajustant la décroissance du flash. Les mesures à forts taux
d‟injection (mode quasi-stationnaire ou QSS pour Quasi-Steady State) se font alors avec une
grande constante de temps (1/1) et celles à faible taux d‟injection mode transitoire, avec une
faible constante de temps (1/64).
Le mode « Generalized » étend les plages de mesure des modes transitoire et QSS tout
en limitant leurs approximations, dues par exemple à la photogénération non uniforme en
surface du wafer [Nagel99]. Dans notre étude, la valeur de Vco implicite sous un soleil
(Vco_impl@1sun) est également déterminée par la mesure IC-PCD. Cette valeur permet
d‟évaluer la qualité des précurseurs de cellules avant leur métallisation. Pour un substrat de
type p, la Vco implicite est liée à la densité de porteurs libres photogénérés par la relation (35)
[MacDonald01].
)n
)nN(nln(
q
kTV
2
i
A
impl_co (35)
2.1.4 Vitesse de recombinaison de surface, courant de saturation de l’émetteur
Dans un monocristal de silicium de bonne qualité, les phénomènes de recombinaison
de surface dominent par rapport aux recombinaisons volumiques, et ce d‟autant plus que
l‟épaisseur du substrat est faible [Aberle00]. La relation entre τeff et les contributions du
volume et des surfaces est exprimée par l‟équation (36) [Dauwe04]). Cette relation est valable
pour une même vitesse effective de recombinaison (Seff) sur les deux faces du substrat.
W
S211 eff
volumeeff
(36)
Avec: τeff : Durée de vie effective (s)
τvolume : Durée de vie volumique (s)
Seff : Vitesse effective de recombinaison en surface (cm.s-1
):
W: Épaisseur du substrat (cm)
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 61 -
L‟équation (36) est en fait, une approximation valable pour une génération homogène
dans le volume. Cette condition est permise par l‟utilisation de substrats avec une grande
durée de vie volumique [Granek07], ce qui est le cas dans notre étude. En effet des substrats
c-Si FZ type n de haute qualité et de résistivité 1-5 Ohm.cm sont ici utilisés. Afin d‟obtenir
une limite haute de Seff sur ces substrats, une valeur de τvolume égale à 5 ms, constante en
fonction du niveau d‟injection, a été retenue. Cette limite haute de Seff sous un soleil est
ensuite utilisée pour comparer les différentes couches de passivation réalisées. Pour obtenir la
valeur absolue de Seff, un paramétrage plus précis de τvolume en fonction du niveau d‟injection
doit être utilisé [Kerr02a].
Les valeurs de Seff sont utiles pour évaluer la passivation des surfaces dans les zones
de BSF [Sawada94] [Dauwe02] ou de FSF [Granek07]. Pour caractériser les recombinaisons
dans la zone d‟émetteur, il est préférable d‟utiliser la notion de courant de saturation J0e
[Kane85]. La détermination du J0e à partir de mesures ID-LS a été d‟abord développée pour
des émetteurs diffusés thermiquement [King91]. Le J0e calculé dans ce cas, concerne les
recombinaisons dans la région diffusée et à sa surface. Il peut être relié à une valeur de durée
de vie correspondant aux recombinaisons dans l‟émetteur par l‟équation (37) [MacDonald01].
)nN(J
Wqn
Ae0
2i
émetteur (37)
Dans le cas d‟une hétérojonction silicium, le J0e représente les recombinaisons à
l‟interface a-Si:H/c-Si et dans le volume de l‟émetteur a-Si:H. Cette grandeur peut donc être
utilisée pour comparer les recombinaisons dans différents types d‟émetteurs a-Si:H. Dans un
substrat à haute durée de vie, à fort niveau d‟injection (Δn>>Ndopage) les recombinaisons SRH
et radiatives peuvent être négligées. La contribution de l‟émetteur et les phénomènes Auger
dominent alors les mécanismes de recombinaison [Cuevas99].
En prenant en compte les recombinaisons Auger, il est possible d‟extraire la valeur du
J0e à partir de l‟inverse de τeff en fonction du niveau d‟injection. En effet, d‟après l‟équation
(38), le J0e est directement proportionnel à la droite résultante [Granek07].
Wqn
nJ21112
i
e0
SRHAugereff
(38)
La feuille de calcul fournie avec l‟appareil de mesure Sinton permet de déterminer le
J0e à partir des mesures de durée de vie effectuées, à l‟aide de l‟équation (38). Ce paramètre
peut ensuite être utilisé pour caractériser et comparer la qualité de différents émetteurs.
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 62 -
2.1.5 Résistivité spécifique de contact (méthode TLM)
La prise de contact sur une cellule solaire peut générer des pertes par résistance série,
au contact, et dans les métallisations. La méthode TLM (« Transmission Line Method »)
permet de déterminer la résistance spécifique de contact [Schockley64]. Pour cela, un
dispositif comprenant une série de plots métalliques déposés à des distances variables sur la
couche à contacter est nécessaire. La Figure 23 montre schématiquement la géométrie d‟un tel
dispositif [Meier84].
Figure 23. Dispositif de mesure TLM
Des mesures de résistance entre les différents contacts sont effectuées avec la méthode
des quatre pointes qui permet de s‟affranchir des résistances externes (pointes, circuit…). En
supposant la résistance carrée de la couche constante entre les plots et sous ces plots (cas de
contacts non-alliés), et en considérant négligeable la résistance des plots métalliques, la
résistance R mesurée entre 2 plots est donnée par la relation (39).
csh R2Z
XRR (39)
Avec: R: Résistance mesurée entre 2 plots (Ω)
Rsh: Résistance par carré de la couche contactée (Ω/carré)
X: Distance entre les plots (µm)
Z: Hauteur des plots (µm)
Rc: Résistance de contact (Ω)
La droite représentant la résistance mesurée en fonction de la distance entre les plots
(Figure 24) est caractérisée par son coefficient directeur (a) et son ordonnée à l‟origine (b).
Elle permet donc de déterminer la résistance par carré de la couche à contacter (Rsh = aZ) et
la résistance du contact (Rc = b/2).
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 63 -
Figure 24. Résistance mesurée en fonction de la distance entre les plots pour la
détermination de la résistance de contact par la mesure TLM
Afin d‟obtenir la résistance spécifique du contact (ρc), il est nécessaire de prendre en
compte la « longueur de transfert » (LT) du courant sous le contact, c'est-à-dire la surface
réellement utilisée par le contact pour collecter le courant. En effet, dans certains cas LT peut
être inférieure ou égale à la longueur réelle L des plots métalliques. Ceci dépend de la
résistivité du contact et de la conductivité de la couche à contacter. Rc dépend de LT par la
relation (40). Cette relation est valable pour Z>>L (voir Figure 23), une résistance série du
contact négligeable et un flux de charges latéral [Schröder84].
)L
Lcoth(R
Z
LR
T
shT
c (40)
La valeur de ρc se déduit alors de la valeur de LT obtenue en utilisant l‟équation (41).
sh2
Tc RL (41)
La valeur réelle de LT ne pouvant pas dépasser L, si on obtient LT(calculée) > L, il faut
remplacer la valeur de LT calculée par celle de L. Pour une application à des cellules Si-HJ, la
mesure TLM est particulièrement adaptée pour déterminer ρc entre un OTC et un métal. En
revanche, l‟étude du contact sur une couche de a-Si:H dopé est moins évidente dans la mesure
où la couche à contacter est alors très résistive (R/carré > 108 Ω/carré]. Afin de pouvoir
effectuer les mesures TLM sur ces couches a-Si:H dopées, il est nécessaire qu‟elles soient
déposées sur un substrat c-Si de même conductivité. La conduction latérale des porteurs dans
le dispositif peut alors être assurée par le substrat. La valeur de résistance mesurée dépend
alors des contributions suivantes :
1/ Rcontact (Métal / a-Si:H)
2/ R (a-Si:H)
3/ Rcontact (a-Si:H / c-Si)
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 64 -
Cependant, ces différentes contributions se retrouvent dans la cellule au niveau du
BSF. Pour comparer des couches amorphes utilisées comme BSF, on peut donc utiliser les
valeurs de ρc obtenues par la mesure TLM. Ces valeurs apportent une indication relative sur la
résistance série occasionnée par le BSF.
2.1.6 Transmission, réflexion et absorption
Le courant de court-circuit d‟une cellule solaire à hétérojonction dépend quasi-
exclusivement du nombre de photons absorbés dans la base c-Si. Pour que le maximum de
photons incidents soit absorbé dans cette base, il est donc nécessaire d‟optimiser la cellule au
niveau optique. Pour cela plusieurs paramètres sont à prendre en compte:
La transmission des photons dans les couches exposées au rayonnement
La réflexion du rayonnement sur la face avant (exposée au rayonnement)
La réflexion interne du rayonnement sur la face arrière
Les mesures de réflexion (R), absorption (A), et transmission (T) des couches minces
sont effectuées sur un spectrophotomètre pour des longueurs d‟ondes de 300 à 1200 nm. Cette
plage correspond à la partie du spectre solaire sur laquelle fonctionnent les cellules c-Si. Afin
de déterminer les paramètres R, T, A d‟un matériau, il est nécessaire de le déposer sur un
substrat de verre (Corning) dont on connaît les caractéristiques optiques. L‟utilisation d‟une
sphère intégrante avec différentes configurations (Figure 25) est nécessaire pour ces mesures.
Figure 25. Schéma de la sphère intégrante en mode mesure de réflectivité [Fourmond02]
La sphère intégrante possède un revêtement intérieur qui réfléchit la lumière à plus de
99% dans le domaine de longueur d‟ondes considéré. La quasi-totalité du rayonnement est
réfléchi par l‟échantillon et atteint le photodétecteur disposé à la verticale de la sphère. Le
signal de cette photodiode est converti en tension puis filtré à l‟aide d‟une détection
synchrone qui rejette les bruits parasites (lumière, électricité…).
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 65 -
À partir des valeurs de R, T, A mesurées, il est alors possible de déterminer la loi
d‟indice (n, k) du matériau. Le logiciel Optilayer® permet ensuite de modéliser différentes
épaisseurs et empilements de couches, et calculer le R, T, A de ces empilements sur c-Si.
L‟analyse de l‟absorption du matériau en fonction de la longueur d‟onde peut également
permettre de déterminer son gap optique, d‟après la loi de Tauc [Tauc74]. En pondérant les
valeurs de R, T, ou A par rapport à l‟irradiance du spectre solaire à l‟aide de l‟équation (42), il
est possible de définir les valeurs effectives de ces paramètres.
d)(S
d)(S)(RReff (42)
Avec: Reff : Réflectivité effective (%)
R(λ): Réflectivité (%)
S(λ): Spectre solaire AM1.5 (photons.m-2
.µm-1
.s-1
)
2.2 Caractérisation des cellules solaires
2.2.1 Paramètres électriques de la cellule solaire
Les paramètres électriques caractérisant le rendement de conversion d‟une cellule PV
sont déduits de sa caractéristique courant-tension ou I-V sous éclairement (voir: État de
l‟art §1.2.3). Cette mesure est effectuée dans un simulateur solaire où la cellule est exposée à
un éclairement comparable à celui du soleil. Afin de pouvoir comparer les cellules de taille
différente, on utilise souvent la densité de courant (J en mA.cm-2
) plutôt que le courant total
débité par la cellule. La mesure J-V sous éclairement permet de déterminer les valeurs
suivantes, caractéristiques d‟une cellule solaire :
Jcc : Densité de courant de court-circuit (mA.cm-2
)
Vco: Tension de circuit ouvert (V)
FF: Facteur de forme (%)
η: Rendement de conversion (%)
La mesure J-V à l‟obscurité est également utile pour analyser le fonctionnement d‟une
cellule solaire. Il est possible dans la plupart des cas, de modéliser une cellule solaire à
l‟obscurité par un schéma électrique équivalent comprenant deux diodes D1 et D2 en parallèle
(Figure 26). La première diode correspond aux phénomènes de diffusion dans les zones
neutres (base et émetteur). La seconde diode permet de modéliser la génération /
recombinaison et les effets tunnels dans la zone de charge d‟espace (ZCE). I01 et I02 sont les
courants de saturation de chaque diode, n1 et n2 leur facteur d‟idéalité. Les courants de fuite,
pouvant exister sur les bords de la cellule ou à travers l‟émetteur, sont modélisés par une
résistance parallèle Rp qui doit être la plus élevée possible. Une résistance série Rs modélise
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 66 -
les pertes résistives dans la structure (base et émetteur), les résistances de contact aux
interfaces métal / semiconducteur et celles du métal à proprement parler.
Figure 26. Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque à l’obscurité
(Modèle à deux diodes)
La relation (43) permet alors de modéliser les courbes J-V sous obscurité en fonction
des différents paramètres. Pour modéliser le courant photogénéré sous éclairement, il suffit
d‟ajouter une source de courant inverse en parallèle des diodes. On peut noter que pour une
cellule solaire en silicium sous éclairement, les recombinaisons dans la ZCE sont souvent
négligeables par rapport à celles des zones neutres, un modèle à une seule diode peut alors
suffire.
p
s
2
s02
1
s01obsc
R
JRV)1
kTn
JRqV(expJ)1
kTn
JRqV(expJJ (43)
Avec: J01: Densité de courant de saturation des zones neutres (A.cm-2
)
n1: Facteur d‟idéalité de D1
J02: Densité de courant de saturation dans la ZCE (A.cm-2
)
n2: Facteur d‟idéalité de D1
Rs: Résistance série spécifique (Ohm.cm2)
Rp: Résistance parallèle spécifique (Ohm.cm2)
En ajustant les paramètres de ce modèle à deux diodes aux mesures J-V sous
obscurité, il est alors possible d‟obtenir des valeurs caractérisant les cellules mesurées. Pour
qu‟une cellule solaire atteigne des rendements élevés, il faut d‟abord que les courants de
saturation de ses diodes restent faibles (J01 ≤ 1x10-5
A.cm-2
et J02 ≤ 1x10-12
A.cm-2
). Les
valeurs courantes pour les facteurs d‟idéalités se situent vers l‟unité pour n1 et entre 2 et 3
pour n2. Pour limiter les pertes résistives, il est nécessaire que la valeur de résistance parallèle
soit élevée (Rp ≥ 104 Ohm.cm
2) et que celle de la résistance série soit inférieure à 1 Ohm.cm
2.
Pour la détermination de Rs, il peut être nécessaire de confronter les mesures J-V sous
éclairement et obscurité avec la pseudo courbe J-V déterminée au SunsVoc [Pysch07]. En
effet, les phénomènes de résistance série dans la cellule ne sont pas identiques selon qu‟elle
est sous éclairement ou sous obscurité.
RS
Rp V
D2 D1
I
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 67 -
2.2.2 Mesure SunsVoc
La mesure SunsVoc [Sinton00] permet de mesurer la Vco des cellules PV en fonction
de l‟éclairement. Elle est rapide dans la mesure où, comme pour la mesure IC-PCD, c‟est un
flash lumineux qui permet l‟excitation des porteurs. Il est cependant nécessaire de disposer de
contacts sur l‟émetteur et la base de la cellule pour effectuer cette mesure. Il est possible de
tracer une pseudo courbe J-V sous éclairement, et sous obscurité, à partir des mesures de Vco
mesurées. La tension de circuit ouvert des cellules sous un soleil peut donc en être extraite. La
pseudo courbe J-V sous éclairement donne également une valeur du facteur de forme ne
prenant pas en compte les pertes dues aux phénomènes de résistance série. Ce pseudo facteur
de forme (ou PFF) est donc uniquement limité par une trop faible valeur de la résistance
parallèle. Si le PFF est supérieur à 80%, on peut estimer que les phénomènes de court-circuit
sont négligeables dans la cellule.
À partir de la mesure de la Vco en fonction de l‟illumination, il est également possible
de calculer une valeur de τeff en fonction du niveau d‟injection [Kerr04]. En effet
l‟illumination peut être reliée au niveau d‟injection à l‟aide d‟une cellule de référence, tandis
que l‟équation (44) exprime τeff en fonction de la Vco. Cette relation est valable pour une
densité de porteurs uniforme dans le substrat. La détermination de τeff à partir de la méthode
SunsVoc permet théoriquement d‟explorer des niveaux d‟injection plus faibles que par IC-
PCD. Elle permet également d‟obtenir une valeur de τeff sur les dispositifs métallisés, ce qui
n‟est pas le cas avec la méthode IC-PCD [Sinton00].
)qW
nN(J
)kT
qV(expn
Aph
co2i
eff (44)
2.2.3 Réponse spectrale et cartographie en photocourant
La réponse spectrale (RS) permet d'évaluer le rendement quantique d'une cellule
solaire en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. Cette mesure consiste à
illuminer la cellule solaire avec un spot monochromatique que l'on fait varier dans la plage
d'absorption du matériau (entre 350 et 1150 nm pour le silicium cristallin). La mesure du
courant débité par la cellule en fonction de la longueur d'onde permet alors de connaître la
réponse spectrale de la cellule à l‟aide de la relation (45).
)(P
)(J)(RS (45)
Avec: RS(λ): Réponse spectrale (A.W-1
)
J(λ): Densité de courant (A.cm-2
)
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 68 -
P(λ): Densité de puissance incidente (W.cm-2
)
Selon la longueur d‟onde du rayonnement incident, le courant mesuré sera plus ou
moins élevé en fonction du Rendement Quantique Externe (RQE) de la cellule. Pour connaître
celui-ci, il faut multiplier RS par un facteur explicité dans la relation (46). Ceci permet
d‟obtenir le pourcentage d‟électrons participant au photocourant par rapport au nombre de
photons incidents.
q
hc)(RS)(RQE (46)
Avec : RQE(λ): Rendement Quantique Externe (%)
RS(λ): Réponse spectrale (A.W-1
)
h: Constante de Planck (kg.m2.s
-1):
c: Célérité de la lumière dans le vide (m.s-1
)
q : Charge élémentaire (C)
λ : Longueur d‟onde (m)
Pour étudier les mécanismes internes à la cellule, il est nécessaire de considérer
uniquement les photons absorbés dans le dispositif. On sépare alors du calcul de rendement
quantique les photons réfléchis ou transmis, ainsi que ceux absorbés dans les couches non
actives comme la couche anti-reflet. Le Rendement Quantique Interne (RQI) donne ainsi le
pourcentage d‟électrons participant au photocourant par rapport au nombre de photons qui ont
été réellement absorbés dans la cellule :
)(T)(A)(R1
)(RQE)(RQI (47)
Avec: RQI(λ): Rendement Quantique Interne (%)
RQE(λ): Rendement Quantique Externe (%)
R(λ): Réflectivité de la cellule (%)
A(λ): Absorption dans les couches non actives (%)
T(λ): Rayonnement transmis à travers la cellule (%)
On considère de manière générale que les courtes longueurs d‟ondes (Ultra-Violet)
sont absorbées majoritairement dans les premiers μm de la cellule, alors que les grandes
longueurs d‟ondes (Infra-Rouge) peuvent l‟être au niveau de la face arrière. L‟étude du RQI
aux courtes longueurs d‟ondes donne donc des indications sur la qualité de la face avant,
tandis que celle aux grandes longueurs d‟ondes concerne plus la face arrière (voir la Figure
27).
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 69 -
Figure 27. Exemple de Rendements Quantiques Externe et Interne d’une cellule solaire
La méthode LBIC (Light Beam Induced Current), tout comme la réponse spectrale,
est basée sur la mesure du courant de court-circuit d‟une cellule. L‟avantage de cette seconde
méthode réside dans la possibilité de localiser l‟excitation lumineuse et donc de réaliser des
cartographies en photocourant et réflectivité. Ces cartographies sont extrêmement utiles pour
l‟étude de matériaux c-Si défectueux [Dubois07] ou de cellules à contacts en face arrière
[Veschetti07]. L‟équipement Semilab utilisé pour les cartographies en durée de vie permet
également la mesure LBIC à l‟aide d‟une excitation LASER. Quatre longueur d‟ondes
d‟excitation différentes sont possibles (406, 852, 946 et 976 nm), qui permettent de
cartographier la longueur de diffusion des porteurs. Une valeur de longueur de diffusion
effective dans le matériau peut être obtenue à partir des mesures de RQI grâce à la relation
(48), valable sur une surface polie. Pour cela, il faut tracer l‟inverse du RQI en fonction de
l‟inverse du coefficient d‟absorption ( ) dans le c-Si [Basore93].
eff
1
L
11RQI (48)
En connaissant la valeur de la longueur de diffusion dans le volume (LV), et lorsque
celle-ci est supérieure à l‟épaisseur de la cellule (W), une valeur de Seff en face arrière (Sfar)
peut être calculée d‟après (49). D est ici le coefficient de diffusion des porteurs minoritaires.
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 70 -
)L
Wtanh(LL
)L
Wtanh(LL
L
DS
V
Veff
V
effV
V
far (49)
3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
Notre modèle a été développé conjointement avec Djicknoum Diouf, doctorant au
LGEP (Laboratoire de Génie Électrique de Paris). Le logiciel de TCAD (Technology
Computer Assisted Design) utilisé est ATLAS, développé par Silvaco International. Les
références [Diouf08] et [Diouf09] détaillent ce modèle, ainsi que différents développements
effectués au niveau des simulations.
La structure et les paramètres de base utilisés dans notre modèle sont indiqués sur la
Figure 28. Pour simplifier, aucune couche de gap n‟est simulée entre l‟émetteur et le BSF.
Elle est remplacée par le BSF dont la largeur est augmentée (625 µm au lieu de 525 µm).
Cette simplification a très peu d‟influence sur les tendances obtenues dans les simulations.
Figure 28. Structure unitaire des cellules Si-HJ IBC simulées. Les principaux paramètres
utilisés sont également représentés
Le niveau de dopage dans les couches a-Si:H est initialement fixé à 1/10 des
concentrations mesurées expérimentalement par SIMS (voir Chapitre I). Cette valeur
correspond à une haute efficacité de dopage dans le a-Si:H [Searle98].
Pour modéliser les défauts d‟interface, une couche défectueuse, épaisse de 1 nm, est
introduite en surface du c-Si. Ces défauts sont répartis dans une gaussienne centrée au milieu
du gap du c-Si. Dans notre étude, la densité de défauts volumique dans cette couche de 1 nm
est considérée comme étant égale au dopage dans la couche a-Si:H. On peut considérer que la
e = 25 nm
Dopage = 1x1020 cm-3
Dit = 0 cm-2
Largeur = 625 µm
Émetteur a-Si:H type p BSF a-Si:H type n
c-Si type n
e = 80 nm
n = 2
Sfav= 0 cm.s-1
CAR simulée AM1.5
Base c-Si
e = 300 µm
Dopage = 2x1015 cm-3
Volume = 2 ms
BSF a-Si:H
Émetteur a-Si:H
Contact émetteur
e = 25 nm
Dopage = 3x1019 cm-3
Dit = 3x1012 cm-2
Largeur = 700 µm
Contact BSF Ohmique
Largeur = 275 µmOhmique
Largeur = 450 µm
e = 25 nm
Dopage = 1x1020 cm-3
Dit = 0 cm-2
Largeur = 625 µm
Émetteur a-Si:H type p BSF a-Si:H type n
c-Si type n
e = 80 nm
n = 2
Sfav= 0 cm.s-1
CAR simulée AM1.5
Base c-Si
e = 300 µm
Dopage = 2x1015 cm-3
Volume = 2 ms
BSF a-Si:H
Émetteur a-Si:H
Contact émetteur
e = 25 nm
Dopage = 3x1019 cm-3
Dit = 3x1012 cm-2
Largeur = 700 µm
Contact BSF Ohmique
Largeur = 275 µmOhmique
Largeur = 450 µm
Émetteur a-Si:H type p BSF a-Si:H type n
c-Si type n
e = 80 nm
n = 2
Sfav= 0 cm.s-1
CAR simulée AM1.5
Base c-Si
e = 300 µm
Dopage = 2x1015 cm-3
Volume = 2 ms
BSF a-Si:H
Émetteur a-Si:H
Contact émetteur
e = 25 nm
Dopage = 3x1019 cm-3
Dit = 3x1012 cm-2
Largeur = 700 µm
Contact BSF Ohmique
Largeur = 275 µmOhmique
Largeur = 450 µm
MATÉRIEL & MÉTHODES 3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions
- 71 -
valeur de la Dit (en cm-2
) est alors égale au produit de la densité volumique et de l‟épaisseur
de la couche défectueuse. À l‟interface (émetteur a-Si:H / c-Si) cette Dit est donc égale à
3x1012
cm-2
pour une densité de dopage de 3x1019
cm-3
.
Ce modèle permet de déterminer l‟influence de différents paramètres, au niveau des
recombinaisons, des propriétés électriques, ainsi que de la géométrie de la cellule. Dans nos
travaux, les paramètres étudiés sont:
La vitesse de recombinaison en face avant (Sfav)
L‟épaisseur de la base c-Si
La largeur de l‟émetteur
Le dopage de l‟émetteur et du BSF
La largeur du contact sur l‟émetteur et le BSF
Une interface graphique (Tonyplot) existe également, permettant de visualiser, par
exemple, les recombinaisons ou les flux de courants dans les dispositifs. Ceci est
particulièrement intéressant pour la compréhension des phénomènes physiques qui
apparaissent dans une cellule PV sous illumination.
MATÉRIEL & MÉTHODES Conclusions
- 72 -
Conclusions
Les différents équipements et méthodes utilisés pour la fabrication, la caractérisation,
et la modélisation des cellules solaires Si-HJ IBC ont été présentés. Au niveau de la
fabrication des dispositifs, deux équipements sont particulièrement importants: le réacteur
PECVD et les différents réacteurs de pulvérisation. Ils permettent le dépôt de couches de a-
Si:H, d’ITO, ou de métal qui forment les contacts ohmiques et l‟émetteur des cellules Si-HJ.
Ils sont fortement mis à contribution lors de notre étude, avec un aspect nouveau, celui de la
localisation des couches déposées.
Toute étude sur les cellules Si-HJ utilise des mesures de durée de vie effective (τeff).
Nous avons donc présenté différentes méthodes de caractérisation de τeff, d‟abord en
fonction du niveau d‟injection (IC-PCD), puis de manière locale (µw-PCD). Cet aspect de
localisation est primordial pour le développement de structures Si-HJ IBC où les zones a-Si:H
sont structurées. Pour la détermination des pertes optiques et résistives, les mesures TLM, J-
V sous éclairement, SunsVoc, et réponse spectrales sont également nécessaires.
Enfin, les bases de notre modèle de simulation ont été présentées. Ce modèle permet
l‟étude théorique des dispositifs Si-HJ IBC en deux dimensions. Différents paramètres
peuvent être variés sur une structure unitaire, comme les propriétés électriques des matériaux
ou la géométrie de la face arrière.
- 73 -
CHAPITRE I : REALISATION ET OPTIMISATION DE
L’EMETTEUR ET DES CONTACTS OHMIQUES
Ce premier chapitre a pour objectif la sélection d’empilements (a-Si:H / matériau de
contact) optimisés pour une utilisation dans les structures Si-HJ à contacts en face arrière.
Pour cela, les propriétés de passivation (Seff, J0e) et de conduction des films a-Si:H dopés (n)
et (p) sont étudiées, en fonction de leur concentration de dopants et leur épaisseur.
La première partie de l‟étude concerne le développement d‟empilements (a-Si:H (n) /
matériau de contact) devant à la fois former un champ de surface arrière (BSF) et prendre le
contact sur le substrat c-Si (n). Pour cet empilement - appelé simplement BSF ou contact
ohmique par la suite- la résistivité spécifique du contact est déterminée par la méthode
TLM. La deuxième partie concerne la fabrication d‟émetteurs constitués d‟un empilement (a-
Si:H (p) / matériau de contact). Pour l‟émetteur, les pertes résistives sont déterminées
directement par la mesure de résistance série sur des cellules à émetteur inversé.
Les cellules Si-HJ fabriquées n‟utilisent pas de film a-Si:H intrinsèque (i) entre le
substrat c-Si et l‟amorphe dopé. En effet, même s‟il permet de mieux passiver la surface du c-
Si, ce film intrinsèque peut engendrer des pertes résistives sur les cellules Si-HJ à contacts en
face arrière [Lu08].
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 74 -
1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules à
hétérojonctions silicium
Les contacts ohmiques étudiés dans cette partie ont pour objectif de prendre le contact
sur le substrat tout en passivant sa surface. La Figure I.1 représente schématiquement les
empilements réalisés, ainsi que les trois paramètres principaux caractérisés. Il s‟agit de la
conductivité (σ) du a-Si:H (n), de la vitesse de recombinaison effective en surface (Seff) et de
la résistivité spécifique de contact (ρc) de l‟empilement.
Figure I.1. Schéma de l’empilement utilisé pour la fabrication du BSF par hétérojonction
silicium
Pour collecter les porteurs majoritaires sans provoquer de pertes résistives, il est
nécessaire dans un premier temps que la valeur de conductivité du a-Si:H (n) soit supérieure à
10-2
S.cm-1
[Schropp98]. En ce qui concerne la vitesse effective de recombinaison de surface,
il apparaît selon la littérature que des valeurs inférieures à 100 cm.s-1
permettent d‟obtenir les
meilleures performances [Sawada94] [Dauwe03].
Enfin, pour déterminer un objectif en terme de résistivité spécifique de contact, des
simulations sont nécessaires à l‟aide de notre modèle de simulation 2D. Il est en effet possible
d‟étudier, théoriquement, l‟influence de la ρc du contact ohmique sur le facteur de forme FF
des cellules Si-HJ IBC. Les résultats de ces simulations sont visibles sur la Figure I.2, pour
une géométrie correspondant à celle utilisée expérimentalement.
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 75 -
Figure I.2. Influence de la résistance spécifique de contact du BSF sur le FF de structures
Si-HJ IBC et Si-HJ standard modélisées.
Ces résultats montrent que la résistivité spécifique de contact est un paramètre très
influent pour les deux types de structures. L‟augmentation de c entraîne cependant des pertes
plus importantes sur le facteur de forme des cellules IBC que sur celui des structures standard.
Il apparaît logiquement que plus la surface de contact est réduite, plus il est nécessaire que le
transport des charges à travers le contact soit facilité.
Pour nos structures Si-HJ IBC, le contact du BSF représente seulement 10% de la
surface arrière alors qu‟il en constitue la totalité pour les Si-HJ standard. Ces résultats de
modélisation montrent que des valeurs de c inférieures à 2x10-2
Ohm.cm2
sont nécessaires
pour ne pas dégrader le FF des cellules.
Le Tableau 10 résume les différents objectifs fixés pour la fabrication de contacts
ohmiques adaptés aux cellules Si-HJ IBC.
Tableau 10. Objectifs fixés pour la réalisation des contacts ohmiques
Paramètre Caractérisation Objectif
Vitesse de recombinaison
de surface (Seff) PCD (Sinton) Seff ≤ 100 cm.s
-1
Conduction dans le a-Si:H Conductivité (σ) sur verre σ ≥ 10-2
(Ohm.cm)-1
Résistivité spécifique de
contact de l‟empilement Mesure TLM ρc ≤ 2x10
-2 Ohm.cm
2
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 76 -
1.1 Films a-Si:H de type n
1.1.1 Influence du flux de gaz dopant
La variation du flux de gaz dopant pendant le dépôt des couches a-Si:H est le moyen le
plus simple pour faire varier la conductivité du matériau. Les conditions de base du dépôt
listée dans le Tableau 11 sont inspirées de travaux précédents [Damon-Lacoste07] et adaptées
sur notre réacteur de dépôt. La Phosphine (PH3) utilisée comme gaz dopant est diluée à 5 %
dans du dihydrogène (H2).
Tableau 11. Conditions de dépôt pour le a-Si:H de type n
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de H2
(sccm)
Flux de PH3
5% (sccm)
17 1500 23 50 200 5-30
L‟augmentation du flux de PH3 (ΦPH3) contribue généralement à améliorer la
conductivité des couches a-Si:H. Cependant comme le montre la Figure I.3, nos résultats
expérimentaux semblent suivre une tendance opposée. L‟augmentation du flux de gaz dopant
provoque ici la diminution de la conductivité de la couche a-Si:H (n). Pour les conditions de
faible flux (5 et 10 sccm), la conductivité mesurée est sensiblement la même, légèrement
supérieure à 1x10-2
(Ohm.cm)-1
. En revanche pour un flux de PH3 supérieur, une décroissance
est ensuite constatée jusqu‟à la valeur de 1.1x10-3
(Ohm.cm)-1
à ΦPH3 = 50 sccm.
Figure I.3. Influence du flux de Phosphine sur la conductivité du a-Si:H
Ce comportement peut être observé lorsque la concentration d‟impuretés dopantes
atteint les 1x1021
at.cm-3
[Carlson90]. Une analyse SIMS a été effectuée sur le matériau a-Si:H
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 77 -
(n) déposé avec 10 sccm de PH3. La Figure I.4 confirme une densité d‟atomes de Phosphore
supérieure à 1x1021
at.cm-3
dans ce matériau.
Figure I.4. Concentration d’atomes P, H, O et C dans le a-Si:H (n) déposé avec 10 sccm
de PH3 (Mesure SIMS)
Dans la plage de variation du débit considérée (5-30 sccm), les atomes de Phosphore
supplémentaires insérés dans la matrice de a-Si:H occupent donc des positions interstitielles et
non pas substitutionnelles. L‟augmentation du flux de gaz dopants lors du dépôt n‟entraîne
alors aucune amélioration de la conductivité de l‟échantillon, mais provoque l‟apparition de
défauts supplémentaires dans la couche. Les concentrations en impuretés telles que l‟Oxygène
et le Carbone sont de l‟ordre de 1018
cm-3
. Un flux de PH3 de 5 sccm permet donc de réaliser
une couche de forte conductivité possédant le moins de défauts. Cependant, cette condition se
situe à la limite des possibilités du débitmètre utilisé, où le flux souhaité n‟est plus garanti. Il
est alors possible que des fluctuations non contrôlées apparaissent au niveau des propriétés de
conduction du matériau déposé. Il est donc préférable d‟utiliser le matériau déposé avec 10
sccm de PH3 pour la fabrication du BSF, et ce même s‟il est probablement plus défectueux.
1.1.2 Influence de l’épaisseur
L‟épaisseur de a-Si:H déposée a un impact sur les qualités de passivation de surface de
ce matériau. Or, l‟objectif du BSF est d‟atteindre des vitesses de recombinaison les plus
faibles possibles. Afin d‟obtenir des couches d‟épaisseurs variables, nous avons augmenté le
temps du dépôt et mesuré les épaisseurs déposées par ellipsométrie. La vitesse de dépôt pour
un flux de PH3 égal à 10 sccm est de 2 Å.s-1
. Comme le montre la Figure I.5, la partie
imaginaire de la pseudo-fonction diélectrique mesurée varie fortement avec l‟épaisseur
déposée. Ceci est dû à l‟absorption croissante du rayonnement dans le a-Si:H qui masque peu
à peu le signal du substrat c-Si.
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 78 -
Figure I.5. 2 déterminé par ellipsométrie pour différentes épaisseurs de a-Si:H (n)
déposées sur c-Si
Des mesures de durée de vie effectives sont nécessaires pour évaluer les propriétés de
passivation des couches a-Si:H (n). Ces mesures sont effectuées sur des échantillons c-Si
passivés des deux côtés par une couche a-Si:H (n) de même épaisseur. La Figure I.6 montre
l‟évolution de Seff en fonction de l‟épaisseur des couches déposées. Pour chaque condition,
deux échantillons ont été réalisés, les valeurs d‟épaisseur et de Seff indiquées sont donc une
moyenne de plusieurs mesures.
Figure I.6. Mesures de Seff en fonction de l’épaisseur de a-Si:H (n) déposée sur c-Si. La
courbe en pointillés montre la tendance des mesures
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 79 -
Les meilleures passivations de surface sont obtenues pour une épaisseur de a-Si:H (n)
de l‟ordre de 25 nm. Les valeurs de Seff diminuent en effet avec l‟épaisseur déposée jusqu‟à
ce minimum à 25 cm.s-1
. Après 25 nm Seff augmente légèrement en conservant cependant des
valeurs faibles. Plusieurs phénomènes peuvent apporter des explications à ces tendances
expérimentales:
Le dépôt n‟est pas homogène dans son épaisseur. Les premiers nm déposés sur le
substrat c-Si croissent en effet par îlots et sont plus défectueux que les nm suivants
[Fujiwara07b]. L‟augmentation de l‟épaisseur de a-Si:H permet de limiter ces défauts par des
phénomènes de relaxation du matériau [Olibet07].
En augmentant l‟épaisseur de a-Si:H (n), on augmente également le nombre de charges
dans la couche. Ceci peut induire un effet de champ plus important et donc une meilleure
passivation de surface.
Au-delà d‟une certaine épaisseur déposée, des phénomènes de contraintes mécaniques
peuvent apparaîtrent à l‟interface a-Si:H/c-Si. Ces contraintes induisent alors des défauts
supplémentaires qui augmentent les recombinaisons [Olibet07].
Pour un a-Si:H (n), la passivation de surface repose à la fois sur l‟effet de champ
induit et sur la densité d‟états d‟interface. Ainsi jusqu‟à 25 nm déposés, la diminution de Seff
avec une épaisseur croissante peut être attribuée à une augmentation de l‟effet de champ et/où
l‟amélioration de la qualité de l‟interface. Ensuite, l‟effet de champ ne semble plus augmenter
alors que des contraintes mécaniques apparaissent à l‟interface, provoquant la hausse de Seff.
Une épaisseur de 25 nm a donc été privilégiée pour réaliser les empilements de BSF des
cellules Si-HJ. Ces couches devant être recouvertes d‟un métal afin d‟extraire les charges,
l‟étude s‟est poursuivie par la détermination de matériaux de contact adaptés.
1.2 Matériaux de contact électrique
1.2.1 Mesure de la résistivité spécifique de contact
Au niveau expérimental, la méthode TLM permet de déterminer une valeur de c qui
englobe la totalité des contributions résistives au niveau du BSF: (contact / a-Si:H), a-Si:H et
(a-Si:H / c-Si). Le matériau de contact utilisé est constitué d‟un empilement d‟ITO (80 nm) et
d‟Al (1 à 3 µm) pulvérisés. Cet empilement a été développé et sélectionné lors de travaux sur
les cellules Si-HJ standard [Ribeyron08b]. La couche d‟ITO est utilisée pour contacter le a-
Si:H (n) sans le dégrader. En effet, seuls 1 à 2 nm de matériau interagissent à l‟interface a-
Si:H / ITO [Damon-Lacoste07] alors qu‟un dépôt de métal peut plus facilement dégrader l‟a-
Si:H (n) [Wang08]. La Figure I.7 montre le résultat de la mesure TLM effectuée sur le BSF
comportant l‟empilement de contact ITO / Al.
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 80 -
Une valeur globale de c de l‟ordre de 4.5x10-2
Ohms.cm2 est obtenue sur
l‟empilement étudié. Il s‟agit d‟une valeur élevée par rapport aux 1x10-4
Ohms.cm2 obtenus
expérimentalement pour la résistance du contact Al / ITO uniquement. Cette différence
s‟explique par les contributions du a-Si:H (n) dans la résistance de l‟empilement.
La valeur de c obtenue pour l‟empilement global est plus élevée que notre objectif
fixé à 2x10-2
Ohms.cm2. Cependant, aucun autre matériau de contact testé (Al, Ag, Pd, Ti) ne
montre de meilleurs résultats que l‟empilement ITO/Al. Les pertes en FF occasionnées par
cette forte valeur de c sont néanmoins inférieures à 5 % relatifs par rapport à une résistance
spécifique de contact de 2x10-2
Ohms.cm2. Cet empilement de contact est donc retenu pour
être utilisé dans la fabrication des cellules Si-HJ IBC.
Figure I.7. Mesure TLM de la structure BSF constituée de l’empilement a-Si:H (n) / ITO /
Al
1.2.2 Validation sur cellules à hétérojonction silicium standard
Des cellules Si-HJ utilisant l‟empilement BSF développé précédemment ont été
fabriquées afin de vérifier son efficacité sur le dispositif complet. Ces cellules Si-HJ standard
de 25 cm2 utilisent un émetteur a-Si:H (p) de 10 nm recouvert de 80 nm d‟ITO en face avant.
La Figure I.8 montre schématiquement la structure de ces cellules ainsi que les 5 principaux
paramètres impactant leur résistance série.
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 81 -
Figure I.8. Schéma des cellules à hétérojonction fabriquées avec les principales causes de
résistance série
La contribution totale des paramètres (3), (4) et (5) à la résistance série totale est, dans
notre cas, égale à 0.6 Ohms.cm2. Cette valeur a été estimée à l‟aide de modèles analytiques de
la littérature [Schröder84] en utilisant des valeurs mesurées expérimentalement. Le facteur de
forme des cellules pourrait donc théoriquement atteindre 80% si les paramètres (1) et (2)
n‟avaient aucune influence. La caractéristique J-V sous éclairement d‟une cellule Si-HJ
standard expérimentale ainsi que ses paramètres électriques sont présentés sur la Figure I.9.
Figure I.9. Mesure J-V sous éclairement AM1.5 d’une cellule Si-HJ standard utilisant le
BSF développé
CHAPITRE I 1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules Si-HJ
- 82 -
La résistance série mesurée sur cette cellule (représentative d‟un lot de 3) atteint la
valeur de 1.1 Ohms.cm2. La détermination de ce paramètre est effectuée par comparaison des
mesures J-V sous éclairement et pseudo J-V (SunsVoc). Il est difficile de séparer les
contributions respectives de l‟émetteur et du BSF mais leur contribution totale peut donc être
estimée à 0.5 Ohms.cm2. Même si cette valeur doit être améliorée, les pertes résistives
attribuées au BSF sont donc suffisamment limitées pour valider son utilisation dans la suite de
l‟étude.
L‟autre paramètre à valider sur cellules Si-HJ est la passivation effective du BSF,
inséré dans le dispositif. Pour cela nous avons effectué des mesures de rendement quantique
interne (RQI) et tracé (Figure I.10) l‟inverse du RQI en fonction de l‟inverse du coefficient
d‟absorption du silicium (-1
, dépendant de la longueur d‟onde) [Basore93].
Figure I.10. Graphe montrant l’inverse du RQI en fonction de -1
pour la détermination de
la Seff du BSF sur cellules Si-HJ standard
Une valeur de Seff de 46 cm.s-1
est obtenue, supérieure à la valeur (25 cm.s-1
)
déterminée avec la mesure de durée de vie. Cette différence peut éventuellement s‟expliquer
par une dégradation de la couche a-Si:H (n) lors des étapes de dépôts et recuit des
métallisations. Cependant cette valeur de Seff est toujours très inférieure à 100 cm.s-1
, le BSF
peut donc être également validé pour ses qualités de passivation de surface.
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 83 -
2. Fabrication d’émetteurs pour cellules à hétérojonctions
silicium
L‟émetteur utilisé sur une cellule PV doit permettre de passiver la surface et de
collecter les porteurs minoritaires sans provoquer de pertes résistives. Dans notre étude, il est
situé en face arrière de la cellule et peut donc être contacté par tous types de matériaux
conducteurs. La Figure I.11 représente schématiquement les structures à hétérojonctions
silicium et émetteur inversé (Rear Emitter RE) réalisées, ainsi que les trois paramètres
principaux caractérisés. Il s‟agit de la conductivité (σ) du a-Si:H (p), de la densité de courant
de saturation de l‟émetteur (J0e) et de la résistance série totale des cellules.
Figure I.11. Schéma des cellules à hétérojonctions silicium et émetteur inversé (Si-HJ RE)
Les valeurs de J0e doivent être les plus faibles possibles afin d‟obtenir de hautes
valeurs de Vco. En effet, dans le cas théorique où les recombinaisons dans l‟émetteur
dominent le courant de saturation de la cellule, ces deux valeurs sont reliées par l‟équation
(50).
)J
Jln(
q
kTV
e0
CC
CO (50)
Selon cette relation pour obtenir un Vco de l‟ordre de 650 mV - supérieur aux
performances des cellules à homojonction standard - la valeur de J0e doit être maintenue en
deçà de 500 fA.cm-2
. Pour justifier l‟intérêt d‟utiliser des Si-HJ, il est donc nécessaire
d‟obtenir des valeurs de J0e inférieures à 500 fA.cm-2
. Cette limite est encore bien supérieure
aux 20 fA.cm-2
atteints par les meilleures cellules Si-HJ [Swanson05]. Il s‟agit ici d‟un
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 84 -
objectif fixé dans un premier temps, en sachant que l‟insertion d‟un film tampon intrinsèque
permettra de l‟améliorer par la suite.
Pour collecter efficacement les porteurs minoritaires sans provoquer de pertes
résistives, il est nécessaire que la valeur de conductivité du a-Si:H (p) soit supérieure à 1x10-5
Ohm-1
.cm-1
[Schropp98]. Les pertes résistives dues à l‟ensemble de l‟empilement d‟émetteur
sont ensuite évaluées par la mesure de résistance série totale des cellules Si-HJ RE. L‟objectif
est ici d‟atteindre la plus faible valeur de Rs possible et donc le meilleur FF. Ces différents
objectifs sont résumés dans le Tableau 12.
Tableau 12. Objectifs fixés pour la réalisation de l’émetteur
Paramètre Caractérisation Objectif
Courant de saturation PCD (Sinton) J0e ≤ 500 fA.cm-2
Conduction dans le a-Si:H Conductivité (σ) sur verre σ ≥ 10-5
(Ohm.cm)-1
Résistance série Cellules Si-HJ RE Rs minimale
2.1 Films a-Si:H de type p
2.1.1 Influence du flux de gaz dopant
Le gaz dopant utilisé lors du dépôt de a-Si:H (p) est constitué de 2% de TMB
(TriMéthylBore) dilué dans du dihydrogène (H2). Les conditions de base du dépôt listées dans
le Tableau 13 ont été inspirées de travaux précédents [Damon-Lacoste07] et adaptés sur notre
réacteur de dépôt.
Tableau 13. Conditions de dépôt pour le a-Si:H de type p
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de H2
(sccm)
Flux de TMB
2% (sccm)
17 1500 23 50 150 10-50
L‟objectif minimal en terme de conductivité de la couche (p) est fixé à 1x10-5
S.cm-1
.
En augmentant le flux de gaz dopant, des valeurs de conductivité croissantes sont attendues.
En effet, comme le montre la Figure I.12, l‟augmentation du flux de TMB (ΦTMB) améliore
la conductivité de la couche a-Si:H (p). Avec les paramètres de dépôt utilisés la valeur
maximale atteinte est de 3.1x10-5
S.cm-1
.
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 85 -
Figure I.12. Influence du flux de TMB (dilué à 2% dans H2) sur la conductivité du a-Si:H
À la différence de ce qui a été précédemment constaté avec le matériau de type n, il
semble qu‟ici la concentration d‟atomes de Bore actifs dans le matériau augmente
effectivement avec le flux de TMB. Des résultats de mesures SIMS, visibles sur la Figure
I.13, permettent de confirmer l‟augmentation de la concentration de Bore mais également
celle de H, O et C avec le flux de TMB.
Figure I.13. Concentrations d’atomes B, H, O et C dans le a-Si:H (p) déposé avec différents
flux de TMB, mesurées par analyse SIMS
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 86 -
Selon ces résultats, les couches a-Si:H (p) réalisées sont très hydrogénées, avec une
forte concentration d‟atomes de carbone. Ceux-ci proviennent du TMB qui en contient une
grande quantité. L‟augmentation de la concentration de C dans le a-Si:H est toutefois connue
pour réduire sa conductivité [Searle98]. Ce dernier point pourrait expliquer les faibles valeurs
de conductivité obtenues expérimentalement avec nos couches. En effet, ici l‟augmentation du
flux de gaz dopant entraîne à la fois une hausse de la concentration de [B] et de [C] dont les
effets sur la conductivité sont opposés. Dans la plage de variation de flux de TMB choisie, σ
passe tout de même de 1.4x10-6
à 3.1x10-5
, soit une augmentation de plus d‟un ordre de
grandeur. C‟est entre les conditions 10 sccm et 30 sccm que cette amélioration est la plus
flagrante, suivie par un début de saturation pour des flux plus élevés.
En passant d‟un flux de 10 sccm à 50 sccm de TMB, la vitesse de dépôt augmente de
2.3 à 3.3 Å.s-1
. Le gaz dopant joue probablement le rôle de catalyseur dans les réactions du
plasma. Ceci a été pris en compte pour la comparaison des propriétés de passivation de
surface de ces différents a-Si:H (p). En effet, comme on l‟a vu sur les couches a-Si:H (n), ces
propriétés dépendent fortement de l‟épaisseur de la couche déposée. C‟est pourquoi il faut
ajuster le temps de dépôt en fonction du flux de TMB afin de déposer des épaisseurs
semblables. Les courbes montrées sur la Figure I.14 permettent le calcul du J0e obtenu avec
chaque matériau pour des couches de 27+/-2 nm déposées de chaque côté des substrats c-Si.
Figure I.14. Mesures de J0e pour des émetteurs a-Si:H (p) épais de 27+/-2 nm obtenus avec
différents flux de TMB
Ces résultats indiquent que plus le flux de gaz dopant est élevé, plus le J0e de
l‟émetteur augmente. Il apparaît que l‟augmentation de ce flux entraîne une densité de défauts
plus importante dans la couche a-Si:H, et donc à l‟interface a-Si:H / c-Si. Les couches plus
conductrices sont plus défectueuses et donc plus recombinantes malgré leur effet de champ
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 87 -
potentiellement plus élevé. Un J0e inférieur à 500 fA.cm-2
est obtenu pour des flux de TMB
inférieurs à 30 sccm. Deux matériaux a-Si:H (p) répondant à ce critère ont été sélectionnés
pour la suite de l‟étude. Nous avons d‟abord choisi le matériau réalisé avec un flux de TMB
de 30 sccm (J0e = 410 fA.cm-2
) pour sa conductivité supérieure à 1x10-5
S.cm-1
. L‟autre
matériau choisi (TMB = 10 sccm) se distingue par un J0e plus faible proche de 100 fA/cm2
mais une faible conductivité (1.4x10-6
S.cm-1
).
2.1.2 Influence de l’épaisseur
La conductivité des couches a-Si:H (p) développées dans cette étude est beaucoup plus
faible que celle des couches de type n. L‟usage de ces matériaux peu conducteurs peut
engendrer des pertes résistives sur les cellules Si-HJ, même pour des épaisseurs de quelques
dizaines de nm seulement. Il serait donc avantageux de réduire l‟épaisseur des couches a-Si:H
(p) afin de limiter les pertes résistives. C‟est pourquoi nous avons voulu tester l‟impact de la
réduction de l‟épaisseur de ces couches sur leurs propriétés de passivation. La Figure I.15
montre, pour les deux matériaux a-Si:H (p) sélectionnés, l‟évolution du J0e en fonction de
l‟épaisseur déposée. Sur cette plage d‟épaisseurs, et pour les deux conditions testées, le J0e
évolue de manière comparable avec l‟épaisseur déposée.
Figure I.15. Mesures de J0e en fonction de l’épaisseur de matériaux a-Si:H (p) déposés sur
c-Si, pour deux conductivités différentes
La réduction d‟épaisseur provoque ici, comme pour le matériau de type n, une
diminution des propriétés de passivation des couches a-Si:H. Avec le matériau de forte
conductivité (dénommé [H] par la suite), des valeurs supérieures à 500 fA.cm-2
sont obtenues
pour des épaisseurs inférieures à 25 nm. En revanche pour le matériau de faible conductivité
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 88 -
(dénommé [L] par la suite), il est possible de maintenir des valeurs de J0e inférieures à cette
limite en réduisant l‟épaisseur de a-Si:H jusqu‟à 10 nm.
2.2 Matériaux de contact électrique
La problématique du contact est d‟autant plus importante sur les cellules à
hétérojonctions que les couches dopées sont extrêmement fines (de l‟ordre de la dizaine de
nm) et peu conductrices. Dans ce cas, le contact est primordial car il peut facilement entraîner
une déplétion partielle voire totale de la zone dopée s‟il est inadapté et donc engendrer des
problèmes de résistance série [Stangl03]. Cette partie explore la prise de contact sur les
matériaux a-SiH (p) développés précédemment. Les structures étudiées ici sont des cellules
Si-HJ à émetteur inversé permettant une prise de contact par n‟importe quel matériau sur
l‟émetteur en face arrière. Ceci permet une première étude concernant l‟impact du travail de
sortie du métal de contact sur les caractéristiques électriques des cellules. Les conséquences
d‟une réduction de l‟épaisseur de l‟émetteur a-Si:H sur les performances des dispositifs sont
ensuite étudiées.
2.2.1 Influence du travail de sortie
Un matériau possédant un travail de sortie (υ) supérieur à 5.3 eV est théoriquement
nécessaire pour contacter une couche a-Si:H (p) [Froitzheim02]. En effet, pour des valeurs
inférieures, les conditions de bandes plates ne sont plus obtenues, et des problèmes de
résistance série peuvent donc apparaître. Afin de déterminer un matériau de contact adapté
aux émetteurs a-Si:H (p) développés, trois métaux différents sont testés: Al, Ti et Pd. Pour
tous les métaux testés, la température de dépôt est inférieure à 200 °C.
Les matériaux Al et Ti possèdent une valeur de υ proche de 4.3 eV, alors que pour le
Pd, ce paramètre atteint 5.1 eV [Michaelson77]. Ces matériaux sont dans un premier temps
testés sur un émetteur [L] de 25 nm d‟épaisseur en face arrière. La Figure I.16 montre les
caractéristiques J-V des différentes cellules Si-HJ RE réalisées. De faibles valeurs de Jcc,
inférieures à 26 mA.cm-2
, sont obtenues. Ceci montre que les cellules à émetteur inversé
fabriquées ne sont pas optimisées pour atteindre les hauts rendements. En effet deux
paramètres impactent fortement le Jcc de ces structures : la vitesse de recombinaison en face
avant et l‟absorption du FSF. Sur les cellules fabriquées, le FSF épais (25 nm) absorbe
fortement alors que sa Seff atteint quasiment 50 cm.s-1
. Ceci peut expliquer pourquoi les Jcc
obtenus n‟atteignent pas 31 mA.cm-2
comme les Si-HJ standard réalisées précédemment.
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 89 -
Figure I.16. Mesures J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ RE utilisant un
émetteur [L] de 25 nm avec différents métaux de contact
Des Vco supérieures à 650 mV sont obtenus sur les cellules Si-HJ RE, contactées par
Ti et Pd. Le faible J0e de l‟émetteur [L] est donc confirmé expérimentalement par ces valeurs
élevées. Pour ces deux matériaux, des courbes J-V sans comportement anormal sont obtenues.
L‟utilisation d‟Al pour contacter directement l‟émetteur [L] provoque en revanche une forte
dégradation des caractéristiques électriques de la cellule. La courbe J-V mesurée sous
éclairement est en « S », ce qui limite à la fois le Vco et le FF. Il est en effet possible qu‟avec
ce matériau à faible travail de sortie, une barrière Schottky apparaisse à l‟interface a-Si:H (p) /
contact [Froitzheim02].
Le fait que ce phénomène ne se reproduise pas avec le Ti (pourtant de travail de sortie
comparable) peut s‟expliquer par d‟éventuelles interactions métal / a-Si:H. En effet le a-Si:H
réagit très facilement avec un métal déposé, et ce même à des températures de l‟ordre de
200°C. Par exemple des phénomènes de siliciuration, de recristallisation partielle ou totale du
a-Si:H peuvent se produire après le dépôt d‟un métal. Ce phénomène peut être désiré
(Aluminium Induced Crystallization par exemple [Haque96]) ou subi [Wang08]. De plus, la
hauteur de barrière entre un métal et un semi-conducteur donné ne dépend pas linéairement du
travail de sortie du métal [Thanailakis75].
Nos résultats montrent donc que même si le meilleur contact sur l‟émetteur a-Si:H (p)
est obtenu avec la plus haute valeur de υ, ce paramètre n‟est pas l‟unique responsable de la
qualité du contact. D‟autres paramètres comme la structure électronique du métal, la qualité
de l‟interface métal/semi-conducteur sont également à considérer. Pour améliorer le contact, il
est également possible d‟agir sur le dopage du semi-conducteur. Nous avons donc réalisé des
cellules Si-HJ à émetteur inversé utilisant le matériau [H]. Le Tableau 14 contient les
paramètres électriques sous éclairement des différentes cellules fabriquées.
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 90 -
Tableau 14. Paramètres électriques de cellules Si-HJ à émetteur inversé sous
illumination: Influence de la conductivité de l’émetteur a-Si:H (p) et du métal le contactant
σ (S.cm-1
) Φ (eV) Vco (mV) Jsc (mA.cm-2
) FF (%) η (%)
[L] 1.4x10-6
Al (4.3) 646 25.8 64.7 (en « S ») 10.8
[L] 1.4x10-6
Ti (4.3) 653 26.0 73.4 12.5
[L] 1.4x10-6
Pd (5.1) 650 25.8 75.6 12.7
[H] 1.8x10-5
Al (4.3) 630 24.9 77.9 12.2
[H] 1.8x10-5
Pd (5.1) 626 24.8 78.4 12.2
Avec un émetteur plus conducteur, les valeurs de Jcc et Vco baissent légèrement, en
relation avec la hausse de J0e. En revanche, l‟influence du métal de contact est moindre sur ce
matériau. En effet, même avec un contact Al un FF élevé (77.9%) est obtenu. L‟utilisation de
Pd n‟améliore que légèrement ce paramètre pour atteindre 78.4%. Le dopage plus élevé du
matériau [H] favorise probablement l‟effet tunnel à l‟interface métal / semi-conducteur, de
telle sorte que le transport des charges est moins influencé par la hauteur de barrière [Arch91].
Pour l‟émetteur [H], les pertes résistives attribuées au couple (émetteur, BSF) sont
estimées à environ 0.4 Ohm.cm-2
, et dépendent peu du métal de contact. Une simple couche
d‟Al semble donc suffisante pour contacter ce type d‟émetteur. L‟utilisation de matériau [L]
par rapport au [H] fait chuter le FF des cellules, quel que soit le métal de contact utilisé. Ceci
peut s‟expliquer à la fois par une plus forte résistance verticale dans l‟émetteur ainsi que par
une résistance de contact accrue. Dans le meilleur cas (Pd), les pertes attribuées au couple
(émetteur, BSF) s‟élèvent à 0.9 Ohm.cm-2
pour cet émetteur [L].
Il semble donc préférable d‟utiliser l‟émetteur plus conducteur pour réduire les pertes
résistives, même si son J0e est plus élevé. Cependant, il reste une voie permettant de réduire
les pertes par résistance série dues à l‟émetteur [L]: la réduction de son épaisseur. En effet,
avec un matériau aussi peu conducteur, une épaisseur de 25 nm est déjà susceptible de
provoquer des pertes résistives non négligeables.
2.2.2 Influence de l’épaisseur d’a-Si:H
Pour diminuer les pertes résistives dans l‟émetteur [L], il est possible de réduire son
épaisseur. Comme nous l‟avons constaté dans la partie précédente, cette réduction d‟épaisseur
augmente le J0e de l‟émetteur. Avec le matériau [L], il est toutefois possible d‟obtenir un J0e
inférieur à 500 fA.cm-2
avec une épaisseur de 10 nm. Un émetteur [L] de 10 nm est donc testé
sur des cellules Si-HJ RE. Le Palladium (Pd) est utilisé comme matériau de contact car il
démontre les meilleures qualités de contact sur ce type de matériau (Figure I.16).
CHAPITRE I 2. Fabrication d’émetteurs pour cellules Si-HJ
- 91 -
La Figure I.17 montre que les caractéristiques des cellules obtenues sont très
mauvaises, aussi bien au niveau du FF que du Vco.
Figure I.17. Mesures J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ RE utilisant un
émetteur [L] de 10 nm avec différents matériaux de contact
Les mauvaises performances obtenues peuvent s‟expliquer par la dégradation de
l‟émetteur mince après le dépôt du métal de contact. En effet, la très faible valeur de Vco
traduit une perte totale des qualités de passivation de cet émetteur, et donc sa probable
cristallisation. De plus, l‟aspect de la courbe J-V, avec une chute de la densité de courant dès
les faibles tensions, montre la présence de courts-circuits. Le métal de contact est
probablement localement en contact directement avec la base, ce qui diminue la résistance
parallèle des cellules, et dégrade à la fois la Vco et le FF.
L‟ITO permet en général de prendre contact sur les couches a-Si:H minces sans les
dégrader. C‟est pourquoi ce matériau a également été testé sur cet émetteur mince, avec plus
de succès que le métal précédent (Figure I.17). En effet une Vco de 624 mV est obtenue, du
même ordre que celle atteinte avec les émetteurs [H] épais, de J0e comparable. Toutefois, le
faible FF obtenu montre que l‟ITO ne contacte pas correctement le matériau [L]. Il est
probable que ce matériau, comme l‟Al, provoque une barrière de potentiel au contact qui
limite le passage des charges. Les valeurs du travail de sortie de l‟ITO, mesurées dans la
littérature, semblent en effet inférieures à 5 eV [Munoz08][Chkoda00]. Ici, comme avec le
contact Al, cette barrière se traduit par l‟apparition d‟une courbe J-V en « S ».
CHAPITRE I Conclusions
- 92 -
Conclusions du Chapitre I
Ce chapitre a permis d‟étudier en détail la prise de contact électrique par
hétérojonctions silicium, un domaine encore peu exploré dans la littérature. Nous avons pu
montrer que l‟empilement c-Si / a-Si:H / contact doit être considéré dans sa globalité pour
l‟optimisation de l‟émetteur et du BSF des cellules Si-HJ. La recherche d‟un compromis
entre propriétés de passivation et de conduction semble devoir guider cette optimisation.
Les paramètres étudiés (épaisseur et conductivité du a-Si:H, matériau de contact) ont une
influence certaine sur les performances des cellules réalisées.
Il n‟a pas été possible de réaliser un empilement d‟émetteur permettant à la fois une
très bonne passsivation de surface et la réduction des pertes résistives. Un faible dopage de la
couche a-Si:H (p) permet d‟atteindre des valeurs de J0e approchant les 100 fA.cm-2
, mais
provoque des pertes résitives qu‟il semble difficile d‟éliminer. Des couches plus conductrices
limitent la résistance série des dispositifs, mais diminuent également leur Vco. L‟utilisation
d‟une double couche a-Si:H apparaît donc comme étant indispensable à l‟obtention de
hauts rendements. Comme dans la structure HITtm
, elle doit être constituée d‟une première
couche pas (ou peu) dopée en surface, recouverte d‟une autre, plus dopée, vers le contact.
Au niveau du contact ohmique (ou BSF), un empilement alliant une Seff inférieure à
100 cm.s-1
et une résistivité spécifique de contact de 5x10-2
Ohms.cm2
a été déterminé. Pour
l‟émetteur, deux empilements ont été développés, avec des couches a-Si:H de conductivité de
1.4x10-6
S.cm-1
(J0e = 140 fA.cm-2
) et 1.8x10-5
S.cm-1
(J0e = 410 fA.cm-2
), épaisses de 25 nm.
Pour contacter ces couches, l‟utilisation de Palladium (Φ = 5.1eV) permet de limiter les pertes
résisitives par rapport à d‟autres métaux (Al, Ti). Ces différents empilements pour
l’émetteur et le BSF peuvent être utilisés sur les cellules à contacts interdigités.
- 93 -
CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA FACE AVANT
Ce deuxième chapitre a pour objectif la détermination d’une couche anti-reflet
(CAR) optimisée pour une utilisation en face avant de la structure Si-HJ IBC. L‟étude est
focalisée sur des matériaux déposés à une température inférieure à 200°C pour avoir la
liberté de réaliser cette étape à tout moment du procédé de fabrication. Les propriétés
optiques (transmission effective, Teff) et de passivation (Seff) de différents empilements sont
déterminées afin de les comparer. Une première étude concerne des couches simples de a-
SiNx:H et de a-SiCx:H. L‟influence des conditions de dépôt sur les propriétés des matériaux
déposés est étudiée. La deuxième partie se focalise sur des empilements constitués d‟a-Si:H
pour la passivation de surface et de a-SiNx:H ou d‟ITO pour le confinement optique.
Notre objectif est d‟atteindre une valeur de Seff la plus faible possible pour limiter les
pertes au niveau du courant collecté. La Figure II.1 montre en effet le fort impact de la Seff en
face avant (Sfav) sur le rendement quantique externe (RQE) simulé d‟une cellule Si-HJ IBC. À
titre de comparaison, un FSF réalisé à haute température (dopage + oxyde thermique) peut
atteindre une Sfav de 10 cm.s-1
[Granek07]. Les pertes optiques dues aux phénomènes
d‟absorption et de réflexion dans la CAR doivent être également limitées. Une valeur de Teff
de 90% peut être théoriquement atteinte sur surface polie. Dans un premier temps, notre
objectif est de se rapprocher au maximum de cette valeur de Teff.
Figure II.1. Influence de la vitesse de recombinaison effective en face avant (Sfav) sur le
Rendement Quantique Externe (RQE) simulé d’une cellule Si-HJ IBC
CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet
- 94 -
1. Simple couche anti-reflet
La CAR idéale se compose d‟une simple couche combinant d‟excellentes propriétés
de passivation avec un confinement optique maximal. Les matériaux a-SiNx:H sont réputés
pour pouvoir allier ces propriétés et sont largement répandus dans la fabrication des cellules
standard à homojonctions. L‟usage de a-SiCx:H et d‟ITO comme CAR, répandu sur des
structures non standard, est également envisageable. Le a-SiCx:H peut permettre de faibles
Seff, c‟est de plus un matériau résistant aux gravures HF, contrairement au a-SiNx:H. L‟usage
de a-SiCx:H est donc intéressant si des traitements au HF sont nécessaires après le dépôt de la
CAR. L‟ITO possède quant à lui des propriétés de conduction qui en font un candidat
intéressant pour la réalisation d‟une CAR conductrice. Une couche conductrice en face avant
peut en effet théoriquement améliorer la conductivité latérale de la base [Granek08a]. Ceci
peut limiter les pertes résistives provoquées par une géométrie inadaptée en face arrière des
cellules IBC.
L’indice de réfraction (n) à 630 nm est utilisé dans un premier temps pour
caractériser les propriétés optiques des matériaux étudiés. Pour des applications sous le
spectre AM1.5 sans encapsulation, l‟indice du matériau de la CAR (nCAR) doit permettre
l‟adaptation optique entre l‟air (n ≈ 1.1) et le c-Si (n ≈ 3.8). Une valeur proche de 2 pour nCAR
permet théoriquement une adaptation d‟indice optimale [Lelièvre07]. Le coefficient
d’extinction (k) caractérisant l‟absorption dans les différentes couches est ensuite mesuré afin
de les comparer. Ces deux paramètres sont déduits de mesures par ellipsométrie ou
spectrophotométrie.
1.1 Films de a-SiNx:H
Le a-SiNx:H utilisé comme CAR sur les cellules standard homojonctions est en
général déposé à des températures d‟environ 400°C [Dauwe04]. Cette température étant trop
élevée pour notre application, il est nécessaire de diminuer ce paramètre jusqu‟à 200°C. Le
Tableau 15 liste les conditions de base utilisées pour réaliser des couches a-SiNx:H dans notre
réacteur PECVD fonctionnant à 40 kHz.
Tableau 15. Conditions de base utilisées pour le dépôt de a-SiNx:H (réacteur
PECVD 40 kHz)
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de H2
(sccm)
Flux de NH3
(sccm)
122 1700 11 648 0 5.2
La Figure II.2 montre l‟influence de la température de dépôt (Tdépôt) sur la Seff et
l‟indice de réfraction à 630 nm du a-SiNx:H. Des couches épaisses de 80 nm sont visées afin
de correspondre à la valeur standard souhaitée pour une CAR d‟indice égal à 2 [Lelièvre07].
CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet
- 95 -
Figure II.2. Influence de la température de dépôt (Tdépôt) sur la Seff et sur l’indice de
réfraction du a-SiNx:H. La courbe en pointillés indique la tendance observée pour n
Comme observé dans de précédentes études [Dauwe04], en diminuant la température
de dépôt les propriétés de passivation du a-SiNx:H se dégradent totalement. Les couches
déposées à 200°C provoquent ainsi des Seff supérieures à 1000 cm.s-1
, et sont donc
incompatibles avec nos objectifs. À plus haute température (450°C), des valeurs de 80 cm.s-1
sont obtenues, ce qui reste encore élevé par rapport à notre objectif.
Lors de dépôts de a-SiNx:H par PECVD à basse fréquence (40 kHz), des phénomènes
de bombardement ionique peuvent dégrader la surface du substrat [Lelièvre07]. Ceci entraîne
une interface c-Si / a-SiNx:H plus défectueuse, et donc une Seff plus élevée. Afin de diminuer
ces phénomènes de bombardement ionique, un autre réacteur PECVD fonctionnant à haute
fréquence (13.6 MHz) est utilisé. Les conditions de dépôt dans cet autre réacteur, rapportées
dans le Tableau 16, sont très différentes de celles utilisées à basse fréquence.
Tableau 16. Conditions de base pour le dépôt de a-SiNx:H à haute fréquence
(réacteur PECVD 13.56 MHz)
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de H2
(sccm)
Flux de N2
(sccm)
295 800 23 5 0 1000
CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet
- 96 -
L‟utilisation d‟une plus haute fréquence permet une légère diminution de la valeur de
Seff à 1320 cm.s-1
pour un dépôt à 200°C. Cette valeur est encore beaucoup trop élevée pour
une utilisation en face avant des cellules Si-HJ IBC. L‟indice de réfraction de ce dernier
matériau est voisin (n = 1.9) de celui déposé à basse fréquence.
Les tendances observées dans la littérature confirment la difficulté d‟obtenir des
couches a-SiNx:H passivantes à des températures de dépôt inférieures à 300°C. Il apparaît en
effet, selon nos résultats, qu‟une simple couche de a-SiNx:H déposée à 200°C ne permet pas
d‟atteindre des valeurs de Seff compatibles avec nos objectifs. Une étude plus poussée,
concernant l‟influence d‟autres paramètres de dépôt, serait nécessaire pour tenter d‟obtenir
des faibles valeurs de Seff à une température de dépôt de 200°C. Cette étude sort cependant du
cadre de cette thèse.
1.2 Films de a-SiCx:H
Les étapes de structuration de la face arrière des cellules Si-HJ IBC peuvent nécessiter
des nettoyages HF après la fabrication de la CAR. C‟est pourquoi il est intéressant d‟étudier le
a-SiCx:H si l‟on souhaite effectuer ces étapes de nettoyage après avoir réalisé la face avant. Le
Tableau 11 liste les conditions de base - développées pour d‟autres applications – du dépôt de
couches a-SiCx:H, dans le réacteur fonctionnant à 13.6 MHz. Une température de 200°C est
choisie pour les dépôts, compatible avec l‟objectif de développer un procédé de fabrication
entièrement à basse température.
Tableau 17. Conditions de base pour le dépôt de a-SiCx:H
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de H2
(sccm)
Flux de CH4
(sccm)
17 900-1500 23 5-50 100 70
De précédentes recherches [Ferré08] ont été menées en détail sur le matériau a-SiCx:H
appliqué aux cellules PV. Les paramètres influents sur la passivation de surface du a-SiCx:H
sont principalement le ratio des flux de gaz (silane/méthane), la température, et la pression
dans la chambre de dépôt. Les paramètres expérimentaux testés ici sont donc le flux de silane
et la pression. Les résultats, pour quatre différentes conditions expérimentales représentatives,
sont indiqués dans le Tableau 18.
CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet
- 97 -
Tableau 18. Indice de réfraction et Seff obtenus pour des couches a-SiCx:H de 80 +/-
10 nm, pour différentes conditions de dépôt
Pression
(mTorr)
Flux de
SiH4 (sccm) Seff (cm.s
-1)
Indice de réfraction
@ 630 nm
1500 5 597 2.18
1500 25 185 3.07
1500 50 100 3.45
900 50 32 4.03
Ces résultats montrent une tendance opposée entre propriétés optiques et propriétés de
passivation des couches déposées. En effet, les couches qui passivent le mieux la surface sont
également celles dont l‟indice de réfraction est le plus élevé. À l‟opposé, la couche
provoquant une forte Seff possède des caractéristiques optiques adaptées à une utilisation
comme CAR. Cette tendance nous montre qu‟une simple CAR à base de a-SiCx:H déposé à
200°C semble difficile à réaliser. Cependant, pour ce matériau il est possible d‟envisager un
dépôt à plus haute température. En effet, comme pour le a-SiNx:H, l‟augmentation de la
température de dépôt améliore les propriétés de passivation de la couche [Ferré08]. L‟étape de
dépôt de a-SiCx:H à plus haute température peut être envisagée en début de procédé, tout en
laissant la possibilité d‟effectuer des nettoyages HF par la suite.
1.3 Films d’ITO
Les films d‟oxyde transparent conducteur comme l‟ITO sont utilisés en face avant des
cellules Si-HJ standard pour collecter et conduire les charges jusqu‟au contact. Pour les
cellules IBC, cette couche conductrice en face avant n‟est plus obligatoire mais peut toutefois
être intéressante. En effet, sur les dispositifs IBC à homojonction, sur substrat de type n, un
léger dopage thermique n+ est typiquement effectué en face avant. Ce champ de surface avant
(Front Surface Field FSF) améliore la conductivité latérale de la base c-Si. Pour nos structures
IBC Si-HJ, le procédé doit être entièrement effectué à basse température (200°C). C‟est
pourquoi l‟ITO peut représenter une alternative intéressante au dopage thermique, pour
fabriquer une couche conductrice en face avant.
À la différence de l‟ITO utilisé sur les cellules Si-HJ standard, pour cette application
en face avant des cellules IBC, il est possible de se focaliser uniquement sur les propriétés
optiques de la couche. La contrainte sur ses qualités électriques, élevée pour une utilisation
sur Si-HJ standard (40 Ohms/carré), est moindre dans ce cas (150 Ohms/carré) [Granek08b].
Les différents ITO étudiés dans cette partie sont déposés par pulvérisation magnétron à des
températures inférieures à 200°C.
CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet
- 98 -
Toutes les couches d‟ITO réalisées induisent des Seff supérieures à 1000 cm.s-1
. Ces
couches ne peuvent donc pas prétendre à être utilisées en simple CAR, mais seulement en
empilement avec une couche passivante supplémentaire en surface du c-Si. Afin de
développer une couche optimisée du point de vue optique, le flux d‟O2 durant le dépôt (ΦO2)
peut être varié [Damon-Lacoste07]. Comme le montre la Figure II.3, ce paramètre a en effet
une grande influence sur les propriétés optiques et électriques de l‟ITO.
Figure II.3. Influence du flux d’O2 (ΦO2) sur la résistivité ( ) et sur l’indice de réfraction
(n) de couches d’ITO pulvérisé
L‟augmentation du flux d‟O2 diminue la conductivité de l‟ITO et améliore son indice
de réfraction. Un indice de réfraction proche de 2 est obtenu pour le plus fort flux d‟O2. Cette
condition expérimentale est donc retenue pour des applications comme CAR.
1.4 Comparaison des différents matériaux
Aucun des différents matériaux déposés à 200°C et étudiés dans les parties
précédentes n‟est utilisable en simple CAR, du fait des mauvaises propriétés de passivation de
surface constatées. Au niveau optique, ils montrent des indices de réfraction comparables
pour le a-SiNx:H (1.9) et l‟ITO (1.97), et légèrement plus élevés pour le a-SiCx:H.
Les propriétés optiques d‟une CAR ne se limitent cependant pas au seul indice de
réfraction, mais dépendent également du coefficient d‟extinction k. Ce coefficient traduit les
phénomènes d‟absorption au sein du matériau, et dépend de la longueur d‟onde du
rayonnement incident. Les valeurs de k en fonction de la longueur d‟onde sont représentées
CHAPITRE II 1. Simple couche anti-reflet
- 99 -
sur la Figure II.4 pour les 3 matériaux différents déposés à 200°C. Pour chaque matériau
étudié précédemment, il existe en effet une condition de dépôt préférable du point de vue de
l‟indice de réfraction ou de la température de dépôt.
Figure II.4. Coefficient d’extinction k en fonction de la longueur d’onde pour les différents
matériaux de CAR étudiés : a-SiNx:H, a-SiCx:H et ITO
Les matériaux étudiés absorbent une partie du rayonnement aux faibles longueurs
d‟onde. Le a-SiCx:H développé présente des caractéristiques particulièrement mauvaises et
doit donc être exclu pour la fabrication de la CAR. En revanche l‟ITO et le a-SiNx:H ont un
comportement semblable, avec un coefficient k faible sur la plage de longueur d‟onde
considérée. Cependant le a-SiNx:H est plus transparent que l‟ITO, ce dernier présentant une
absorption non négligeable aux grandes longueurs d‟onde.
Cette première étude n‟a pas permis de déterminer une simple CAR permettant à la
fois l‟adaptation d‟indice et la passivation de surface. Il est donc nécessaire d‟étudier des
empilements adaptés, utilisant une première couche fine de passivation, et une seconde plus
épaisse pour confiner le rayonnement incident. Certains matériaux ITO et a-SiNx:H
développés dans cette partie possèdent de bonnes propriétés optique (k faible, n proche de 2).
Ils peuvent donc être utilisés en empilement dans une CAR avec une couche mince de
passivation.
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 100 -
2. Couche anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de
passivation
La partie précédente a montré la difficulté d‟obtenir un matériau combinant à la fois
des propriétés optiques et de passivation suffisantes pour une utilisation en face avant. Le but
de cette seconde partie est de développer une CAR constituée d‟un empilement de deux
matériaux différents (CAR2). Une première couche en contact avec le c-Si doit permettre
une excellente passivation de surface. La couche supérieure est simplement utilisée pour le
confinement optique. Ces deux couches doivent être peu absorbantes afin de maximiser la
transmission effective de l‟empilement.
Le matériau a-Si:H est un bon candidat pour la fabrication d‟une couche de
passivation ultra-mince. Des couches de quelques nm sont en effet couramment utilisées pour
passiver efficacement la surface du c-Si dans les cellules Si-HJ. C‟est pourquoi nous étudions
dans un premier temps les propriétés de passivation de surface de différentes couches a-Si:H
intrinsèques, et dopées (n). Les pertes provoquées par l‟absorption du rayonnement ainsi que
par les recombinaisons de surface sont ensuite estimées en fonction de l‟épaisseur déposée.
Enfin, cette seconde partie se focalise sur les empilements constitués d‟une couche de
a-Si:H mince et d‟une couche de confinement optique. L‟impact du dépôt de la couche de
confinement optique sur la Seff des couches minces de passivation est étudié, ainsi que la Teff
des différents empilements réalisés.
2.1 Couche de a-Si:H mince de passivation
L‟utilisation d‟une couche mince de passivation en face avant suppose - comme pour
les cellules Si-HJ standard - un compromis sur l‟épaisseur de a-Si:H entre absorption et
passivation de surface. En effet, les résultats obtenus dans le premier chapitre montrent que
plus la couche a-Si:H est épaisse, plus sa Seff diminue (jusqu‟à une trentaine de nm). Mais son
épaisseur augmentant, une partie plus importante du rayonnement est absorbée et perdue. Une
étude est donc nécessaire pour déterminer l‟épaisseur optimale de couches a-Si:H intrinsèques
et dopées (n), permettant de passiver correctement le substrat c-Si.
2.1.1 Étude du a-Si:H intrinsèque
Les matériaux a-Si:H sans dopant - intrinsèques (i) - permettent la plupart du temps
d‟obtenir les plus faibles Seff. Les paramètres de dépôt pour les couches a-Si:H (i)
développées sont listés dans le Tableau 19.
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 101 -
Tableau 19. Conditions de base pour le dépôt d’a-Si:H (i)
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de H2
(sccm)
17-20 1500 23 25 0-100
Dans un premier temps, l‟influence du flux de H2 (ΦH2) sur les propriétés de
passivation de couches a-Si:H (i) est étudiée. La Figure II.5 montre les courbes de durée de
vie effective obtenues pour différents flux de H2 lors du dépôt. Les couches déposées sont
épaisses de 30 +/- 4 nm. La condition sans H2 nécessite une puissance de 20 mW.cm-2
pour
démarrer le plasma, contre 17 mW.cm-2
avec H2. Dans le a-Si:H (i), la quantité d‟atomes
d‟hydrogène, et surtout le type de liaisons qu‟ils forment avec le silicium, peuvent influencer
les propriétés de passivation de la couche [Das07]. Les spectres FTIR insérés dans la Figure
II.5 apportent des informations sur le type de liaisons formées par les atomes H dans le a-
Si:H. La présence d‟hydrogène sous forme polyhydrique (SiH2)n n‟est pas souhaitable car elle
produit des défauts dans le matériau. Sous forme monohydrique (SiH), l‟hydrogène permet de
réaliser des couches a-Si:H de bonne qualité. Le mode d‟élongation des liaisons SiH est situé
à 2000 cm-1
, et celui des liaisons (SiH2)n à 2090 cm-1
.
Figure II.5. Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection pour
différentes couches de a-Si:H (i). Des mesures FTIR de ces couches sont également
présentées en insert
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 102 -
Sans apport de H2 lors du dépôt de a-Si:H (i), les liaisons polyhydriques sont plus
présentes que les monohydriques. Les défauts induits par ces liaisons ont visiblement un
impact sur la durée de vie effective mesurée sur les couches déposées. La Seff obtenue avec
cette condition de dépôt est de 30 cm.s-1
. Les couches a-Si:H (i) déposées avec un flux de H2
sont sensiblement de meilleure qualité avec des Seff de 13 cm.s-1
(ΦH2 = 50 sccm) et 11 cm.s-1
(ΦH2 = 100 sccm). L‟ajout d‟un flux de H2 permet en effet de diminuer le nombre de liaisons
(SiH2)n pour les remplacer par des SiH. Entre les conditions à 50 et 100 sccm, l‟absorption de
la couche à 2000 cm-1
augmente fortement, ce qui montre que l‟augmentation du flux de H2
entraîne une plus forte concentration de liaisons monohydriques dans la couche. La meilleure
passivation de surface d‟une couche a-Si:H (i) est donc obtenue avec le plus fort flux de H2
permis par le débitmètre. Cette couche intrinsèque permettant un Seff très faible est choisie
pour la suite de l‟étude.
2.1.2 Comparaison entre le a-Si:H intrinsèque et le a-Si:H dopé (n)
Nous avons vu dans le premier chapitre qu‟un a-Si:H légèrement dopé (n) pouvait
atteindre des Seff inférieures à 50 cm.s-1
. Une couche a-Si:H (n) fine peut en effet également
être utilisée en face avant, pourvu que ses propriétés de passivation restent bonnes même à
faible épaisseur. Dans cette partie, un faible flux de Phosphine (5 sccm) est utilisé pour la
fabrication de la couche a-Si:H (n). En effet, pour cette application la conductivité de la
couche est moins cruciale que pour la fabrication du BSF. Un flux de gaz dopant proche des
limites du débitmètre peut donc être utilisé. L‟influence de l‟épaisseur de cette couche a-Si:H
(n) ainsi que celle d‟a-Si:H (i) sélectionnée précédemment est montrée sur la Figure II.6.
Figure II.6. Mesures de Seff en fonction de l’épaisseur de a-Si:H déposée pour une couche
intrinsèque et une couche dopée (n)
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 103 -
La couche (i) permet d‟atteindre des valeurs de Seff inférieures à 20 cm.s-1
, même avec
une épaisseur inférieure à 10 nm. La couche (n) est légèrement moins efficace, avec des
valeurs inférieures à 25 cm.s-1
. Les deux types de couche a-Si:H montrent le même
comportement en fonction de l‟épaisseur: la Seff diminue fortement avec l‟épaisseur, jusqu‟à
une dizaine de nm, puis évolue plus lentement avec une épaisseur croissante. Pour atteindre
les plus faibles valeurs de Seff, il est donc nécessaire de déposer des couches d‟environ 30 nm
d‟épaisseur.
L‟utilisation de la couche (i) semble préférable à la couche (n) du point de vue de la
vitesse de recombinaison de surface. Cependant, l‟observation des mesures de durée de vie
effective en fonction du niveau d‟injection apporte des informations complémentaires par
rapport à la simple valeur de Seff mesurée à un soleil. La comparaison des mesures de durée de
vie effective effectuées avec la couche (i) et la couche (n) est visible sur la Figure II.7. Ces
mesures montrent des tendances très différentes entre la couche dopée et celle intrinsèque.
Figure II.7. Mesures de τeff en fonction du niveau d’injection pour une fine couche de a-Si:H
(i) ou (n)
Une couche a-Si:H dopée permet de diminuer les recombinaisons de surface
principalement par effet de champ. La Figure II.7 montre que l‟effet de champ permis par la
couche a-Si:H (n) est particulièrement efficace à faible injection. La τeff mesurée atteint alors
des valeurs supérieures à 1 ms puis décroît avec l‟augmentation du niveau d‟injection. En
effet, à faible injection, l‟effet de champ est assez efficace pour repousser les porteurs
minoritaires. En revanche, lorsque la densité de porteurs minoritaires augmente, l‟effet de
champ ne permet plus d‟éviter leur recombinaison en surface.
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 104 -
Pour une couche intrinsèque, la passivation est effectuée principalement par saturation
des liaisons pendantes. La réduction de la densité d‟états d‟interface (Dit) est en effet un
moyen efficace de réduire les recombinaisons en surface du c-Si. La couche intrinsèque
étudiée ici permet donc d‟obtenir de meilleures τeff, surtout à forte injection. À plus faible
injection, les porteurs en excès recombinent tout de même sur les rares défauts d‟interface
présents. La valeur de τeff décroît ainsi vers les faibles niveaux d‟injection. Afin de confirmer
ces observations, et tenter de combiner à la fois les avantages d‟une couche (i) et d‟une
couche (n), il est nécessaire d‟étudier le comportement de l‟empilement a-Si:H (i) / a-Si:H
(n).
2.1.3 Étude de l’empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n)
Une couche (i), également appelée couche « tampon » (buffer layer), est souvent
insérée entre les couches dopées et le substrat c-Si pour améliorer la passivation de surface.
Cette partie a pour but d‟étudier le comportement d‟empilements a-Si:H (i) / a-Si:H (n) au
niveau des propriétés de passivation. Nos résultats expérimentaux, représentés sur la Figure
II.8, montrent la forte influence de l‟épaisseur de la couche a-Si:H (i) sur la τeff de
l‟empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n). Ces résultats soulignent l‟influence distincte des deux
mécanismes de passivation de surface permis par le a-Si:H.
Figure II.8. Mesures de τeff en fonction du niveau d’injection pour des empilements de
couches a-Si:H (i) et (n)
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 105 -
L‟empilement constitué d‟une couche intrinsèque fine (5 nm) recouverte d‟une épaisse
couche dopée se comporte de la même manière que la couche dopée seule. Le mécanisme de
passivation par effet de champ est donc bien présent malgré la présence de a-Si:H (i). La
courbe de τeff en fonction du niveau d‟injection atteint des valeurs beaucoup plus élevée que
pour le simple a-Si:H (n), car la fine couche intrinsèque permet de diminuer la Dit. Pour une
épaisseur plus grande de la couche tampon dans l‟empilement, le comportement de τeff est
plus proche de celui d‟une couche a-Si:H (i) seule. Cependant une légère augmentation de τeff
est visible à faible injection, traduisant la présence d‟un effet de champ supplémentaire dû à la
couche dopée. Cet effet de champ est donc diminué par la couche intrinsèque de 20 nm alors
qu‟il n‟est quasiment pas impacté par la couche de 5 nm.
Les différents empilements a-Si:H (i) / a-Si:H (n) réalisés apportent des informations
cruciales pour la compréhension des phénomènes de passivation. Une vitesse de
recombinaison de surface de 7 cm.s-1
est obtenue pour le meilleur empilement fabriqué. Il
semble donc également intéressant de l‟utiliser comme couche de passivation en face avant.
2.1.4 Choix de la couche mince de passivation
La couche mince de passivation doit montrer le meilleur compromis entre pertes
optiques (absorption) et pertes par recombinaison (Seff). La Figure II.9 montre l‟influence
simulée d‟une épaisseur croissante de a-Si:H (n) sur la transmission (T) d‟une CAR2 utilisant
du a-SiNx:H comme couche de confinement optique. La même tendance est obtenue avec une
couche intrinsèque.
Figure II.9. Simulations de la transmission (T) de CAR2 constituées de a-Si:H d’épaisseur
variable recouvert par 80 nm de a-SiNx:H. Résultats obtenus à l’aide du logiciel Optilayer
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 106 -
Selon la Figure II.9, plus la couche a-Si:H est épaisse, plus T diminue pour les
longueurs d‟onde inférieures à 700 nm. Une perte d‟environ 0.15 mA.cm-2
sur la valeur du Jcc
peut ainsi être attribuée pour chaque nm de a-Si:H supplémentaire en face avant. Il est donc
nécessaire de sélectionner des couches de passivation les plus fines possible. Cependant la Seff
de ces couches doit être suffisamment basse afin de ne pas perdre en recombinaison de
surface ce que l‟on peut gagner en transmission du rayonnement incident.
Nos simulations 2D montrent en effet que pour des Sfav comprises entre 10 et 40 cm.s-1
la valeur de Jcc décroît de 0.09 mA.cm-2
par cm.s-1
supplémentaire. Il est donc nécessaire de
considérer pour chaque couche à la fois l‟influence de l‟épaisseur (-0.15 mA.cm-2
par nm), et
celle de la Seff (-0.09 mA.cm-2
par cm.s-1
). La Figure II.10 montre les pertes totales en Jcc
occasionnées par les différentes couches minces de passivation étudiées. Ces valeurs sont à
considérer par rapport à une structure de face avant idéale (épaisseur et Sfav nulles) pour un
éclairement AM1.5.
Figure II.10. Pertes en Jcc globales causées par l’épaisseur et la Seff de différentes couches
minces de passivation par rapport au cas idéal (e et Seff nulles)
Le meilleur compromis entre pertes par absorption et pertes par recombinaisons est
atteint pour des couches épaisses de 8 à 10 nm. Au delà de cette épaisseur, l‟amélioration de
Seff ne compense pas la plus forte absorption dans les couches, et ce même pour l‟empilement
(i+n) à faible Seff (7 cm.s-1
). La couche intrinsèque de 9 nm permet les plus faibles pertes en
Jcc (3 mA.cm-2
). La couche dopée (n) de 8 nm limite les pertes à environ 3.3 mA.cm-2
. Ces
pertes sont calculées pour une utilisation sous AM1.5.
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 107 -
Le matériau dopé (n) montre cependant des propriétés de passivation de surface
supérieures à faible injection (Figure II.7). Le niveau d‟injection est lié à l‟intensité de
l‟éclairement: le nombre de porteurs photogénérés augmente avec une intensité lumineuse
croissante. Le matériau dopé est donc capable d‟apporter une bonne passivation de surface,
même à faible éclairement. La couche intrinsèque, dont les propriétés de passivation se
dégradent aux bas niveaux d‟injection, n‟est en revanche pas idéale pour un fonctionnement à
faible éclairement. Cette caractéristique est particulièrement importante, car en utilisation
réelle les cellules photovoltaïques sont souvent soumises à un éclairement d‟intensité
inférieure à celle du spectre AM1.5.
Il est donc préférable d‟utiliser en face avant un matériau permettant une Seff aussi
bonne, voire meilleure, à faible injection que sous éclairement AM1.5. De plus, certaines
méthodes de caractérisation comme le LBIC ou la réponse spectrale se font à faible injection.
Avec une couche dont les propriétés ne se dégradent pas à faible éclairement, ces
caractérisations sont donc envisageables sans utiliser de « bias-light ». C‟est pourquoi la
couche a-Si:H (n) sera utilisée dans la suite de l‟étude pour la passivation de la face avant des
cellules Si-HJ IBC.
2.2 Caractérisation des couches anti-reflet utilisant une couche de a-
Si:H mince de passivation
Selon les études menées dans les parties précédentes, la CAR2 doit être constituée
d‟un film mince passivant de a-Si:H (n), recouvert d‟une couche d‟ITO ou de a-SiNx:H pour
le confinement optique. Le premier point à vérifier sur ces empilements est que le dépôt de la
seconde couche ne dégrade pas la première. Il est ensuite nécessaire de caractériser les pertes
optiques occasionnées par les différents empilements.
2.2.1 Influence du dépôt de la couche de confinement optique
Dans notre étude, l‟ITO et le a-SiNx:H sont déposés à 200°C, comme le a-Si:H (n).
Tout traitement thermique qui suit le dépôt de la couche passivante peut cependant avoir une
influence sur la Seff de cette couche. En fonction du matériau sur lequel le traitement
thermique est effectué, cette influence peut aussi bien être bénéfique que mauvaise
[DeWolf07b]. La Figure II.11 montre l‟impact du dépôt d‟ITO et de a-SiNx:H sur la Seff de
nos couches a-Si:H (n) minces.
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 108 -
Figure II.11. Variation de Seff des couches minces de passivation a-Si:H (n) soumises au
dépôt de différentes couches de confinement optique (ITO et a-SiNx:H)
Ces résultats montrent que la couche a-Si:H (n) de 8 nm n‟est pas dégradée par le
dépôt d‟une couche supplémentaire. La couche de 5 nm résiste également au dépôt de a-
SiNx:H. Cependant, le dépôt d‟ITO dégrade fortement ses propriétés de passivation. Cette
différence vient probablement du mode de dépôt différent pour l‟ITO (pulvérisation) et pour
le a-SiNx:H (PECVD). Cette méthode introduit un bombardement de la surface plus important
et dégrade la couche a-Si:H (n) de 5 nm. Une couche a-Si:H (n) de 8 nm garde bien ses
propriétés de passivation de surface après le dépôt de la couche de confinement optique. Ceci
valide son utilisation en tant que couche de passivation insérée dans la CAR2 des cellules Si-
HJ IBC.
2.2.2 Pertes optiques
Les empilements utilisés pour la CAR2 sont constitués de deux couches qui absorbent
et réfléchissent une partie du rayonnement incident. Afin de quantifier les pertes optiques
dues aux différents empilements en face avant, des simulations optiques de transmission sont
nécessaires. Ces simulations, montrées sur la Figure II.12, se basent sur des mesures de
spectrophotométrie permettant de déterminer les caractéristiques optiques de chaque couche.
Ces résultats montrent que l‟utilisation d‟une CAR2 est moins efficace du point de vue de la
transmission effective qu‟une simple CAR de a-SiNx:H déposé à 450°C (haute température
HT). Ceci est en partie dû à l‟absorption dans la couche passivante en a-Si:H (n) de la CAR2.
La Teff de la couche a-SiNx:H HT atteint quasiment 90%, et est donc proche de notre objectif.
D‟un simple point de vue optique, il serait donc préférable d‟utiliser la simple CAR
permettant une haute valeur de Teff.
CHAPITRE II 2. Couche anti-reflet utilisant une couche a-Si:H mince de passivation
- 109 -
Cependant, le gain sur le Jcc permis par une Teff supérieure est contrebalancé par des
recombinaisons de surface plus importantes. En effet, le a-SiNx:H HT développé permet Seff
de 80 cm.s-1
, occasionnant des pertes en courant de plusieurs mA.cm-2
. Comme nous l‟avons
montré dans les parties précédentes, une CAR2 permet d‟obtenir des Seff beaucoup plus
faibles que la couche a-SiNx:H HT. Il est donc préférable d‟utiliser un empilement (a-Si:H (n)
/ couche de confinement optique) par rapport à cette simple CAR, en dépit de leur Teff
légèrement inférieure.
Figure II.12. Transmission effective de différents empilements utilisables en face avant
d’une cellule IBC Si-HJ
Selon ces modélisations, il est préférable d‟utiliser du a-SiNx:H déposé à basse
température (BT) plutôt que de l‟ITO comme couche de confinement optique dans la CAR2.
La Teff est en effet 2 % plus élevée dans le cas de l‟ITO. Ces résultats peuvent s‟expliquer par
le coefficient d‟extinction plus élevé de l‟ITO par rapport au a-SiNx:H (Figure II.4). Ce
matériau conducteur absorbe ainsi une plus grande partie du rayonnement incident aux faibles
et grandes longueurs d‟ondes. La CAR2 possédant les meilleures propriétés est donc
constituée d‟un empilement a-Si:H(n) 8nm / a-SiNx:H BT 80 nm. Elle atteint une faible valeur
de Seff (25 cm.s-1
) ainsi qu‟une transmission effective de 85%.
CHAPITRE II Conclusions
- 110 -
Conclusions du Chapitre II
Ce deuxième chapitre a montré la difficulté de réaliser une simple CAR pouvant à la
fois passiver la surface et montrer des propriétés optiques satisfaisantes. Ceci est dû à notre
objectif de maintenir toutes les étapes de fabrication à des températures basses (environ
200°C). L‟obtention de simples CAR répondant aux objectifs fixés est cependant
envisageable si l‟on enlève cette contrainte en température. Un travail d‟optimisation des
couches a-SiNx:H et a-SiCx:H déposées à plus haute température permettrait probablement
d‟atteindre à la fois une Seff très faible et un bon confinement optique.
Il a donc été nécessaire d‟insérer une fine couche a-Si:H de passivation entre le
substrat c-Si et la couche de confinement optique. Le meilleur compromis entre l‟absorption
et la Seff de cette couche est atteint pour une épaisseur d‟environ 8 nm. L‟utilisation d‟une
couche légèrement dopée a été favorisée par rapport à une couche purement intrinsèque. En
effet, la première permet de passiver efficacement la surface même à faible injection, grâce au
mécanisme d‟effet de champ. Ceci n‟est pas le cas avec la couche (i) dont la Seff augmente à
faible injection.
Une couche anti-reflet optimisée pour une utilisation en face avant de la structure Si-
HJ IBC a pu être déterminée. Cette CAR2 est constituée d‟un empilement a-Si:H (n) 8nm / a-
SiNx:H BT 80 nm réalisé entièrement à 200°C. Les objectifs, en terme de passivation de
surface et de transmission effective, ne sont pas totalement atteints. En effet, l’empilement
développé atteint une valeur de Seff de 25 cm.s-1
ainsi qu’une Teff de 85%. Ces résultats
doivent être améliorés pour atteindre des valeurs de Jcc compatibles avec les très hauts
rendements. Ils sont toutefois suffisants, dans un premier temps, pour développer les cellules
IBC Si-HJ.
- 111 -
CHAPITRE III : DETERMINATION D’UN PROCEDE DE
LOCALISATION DES EMPILEMENTS EN FACE ARRIÈRE
La réalisation des cellules Si-HJ IBC nécessite des étapes de masquage afin de
localiser les différents dépôts de a-Si:H et des matériaux de contact. Le choix d’un procédé
de localisation est donc déterminant pour la réalisation de dispositifs Si-HJ IBC fonctionnels.
Ce chapitre présente l‟étude et la comparaison de différentes méthodes de localisation
utilisant la sérigraphie, le LASER et les masques métalliques.
Ces différents procédés sont d‟abord décrits dans une première partie. L‟influence de
la valeur de tolérance sur les alignements entre les différents dépôts est ensuite évaluée. Cette
tolérance est déterminée pour chaque méthode de localisation. Les procédés permettant une
précision suffisante sont ensuite comparés au niveau de leur nombre d’étapes, et de leur
impact sur la qualité des couches déposées. Cet impact est quantifié par des mesures de
durée de vie (IC-PCD ou cartographie µW-PCD) sur des structures de test.
Nous avons appliqué les différentes techniques de localisation d‟abord à la
structuration des dépôts de a-Si:H (PECVD) puis à celle des métallisations (pulvérisation).
La photolithographie n‟a pas été utilisée dans la mesure où ce procédé n‟est pas viable pour la
fabrication industrielle de cellules photovoltaïques en c-Si. Les trois méthodes choisies sont,
de plus, potentiellement compatibles entre elles grâce à l‟utilisation de mires d‟alignement
communes.
CHAPITRE III 1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 112 -
1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H
Trois procédés différents sont présentés dans cette partie. Le procédé nommé
« masques métalliques » ne nécessite pas de couche sacrificielle dans la mesure où les dépôts
sont directement localisés à travers le masque. En revanche, les procédés « LASER » et
« sérigraphie » reposent sur la structuration d‟une couche sacrificielle sur laquelle est déposée
la couche a-Si:H à localiser. Une gravure chimique adaptée permet le détachement (lift-off)
de la couche à localiser aux endroits où la couche sacrificielle n‟a pas été gravée (Figure
III.1). Dans cette partie, nous étudions d‟abord les procédés utilisant une couche sacrificielle.
Le procédé « masques métalliques », qui évite les étapes de dépôt et de structuration de cette
couche, est ensuite décrit.
Figure III.1. Localisation d’une couche a-Si:H par l’utilisation d’une couche sacrificielle
(SiO2/SiN) structurée
1.1 Description de la couche sacrificielle
Dans notre cas, la couche sacrificielle est constituée de deux matériaux diélectriques
superposés qui diffèrent par leur vitesse de gravure dans le HF (Vg). La première couche est
constituée de SiO2 (Vg = 5 nm.s-1
) tandis que la seconde est en a-SiNx:H (Vg = 0.5 nm.s-1
). Ces
matériaux sont déposés successivement par PECVD à la température de 200°C. Les
conditions de dépôt du SiO2 sont reportées dans le Tableau 20, tandis que celles du a-SiNx:H
sont les mêmes que pour une utilisation comme CAR (voir chapitre précédent).
Tableau 20. Conditions de dépôt du SiO2 utilisé dans la couche sacrificielle
Puissance
(mW.cm-2
)
Pression
(mTorr)
Distance entre les
électrodes (mm)
Flux de
SiH4 (sccm)
Flux de He
(sccm)
Flux de N20
(sccm)
337 800 23 20 600 400
CHAPITRE III 1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 113 -
La couche sacrificielle comporte une couche inférieure en SiO2 (300 nm) recouverte
d‟une couche supérieure de nitrure de silicium (80 nm). La différence de vitesse de gravure
entre les deux matériaux permet l‟apparition d‟un relief (« casquette ») lors de la gravure HF.
Ce relief facilite le détachement de la couche sacrificielle après le dépôt de la couche a-Si:H.
La couche sacrificielle doit être structurée de manière à laisser apparaître la zone de
localisation du a-Si:H. Cette étape est réalisable directement par ablation LASER ou en
utilisant la sérigraphie de pâtes gravantes ou masquantes.
1.2 Procédé « LASER »
Pour notre application, l‟objectif est de structurer une couche (SiO2/SiN) épaisse
d‟environ 400 nm. L‟outil disponible n‟est pas particulièrement adapté dans la mesure où il
est plutôt utilisé pour graver le c-Si. Pour localiser une couche a-Si:H par le procédé LASER,
plusieurs étapes de fabrication sont nécessaires :
1. Dépôt de la couche sacrificielle
2. Gravure LASER
2. Nettoyage de la surface
4. Dépôt a-Si:H
5. Lift Off (HF)
L‟étape de gravure LASER dure plus ou moins longtemps en fonction des paramètres
choisis et de la surface à graver. Quelques secondes suffisent en général pour structurer un
substrat de 150 cm2. La Figure III.2 montre que la gravure LASER effectuée avec nos
conditions expérimentales ne permet pas réellement l‟ablation de la couche diélectrique mais
seulement sa perforation par de multiples impacts. Il n‟est pas évident, avec l‟appareil
disponible, de procéder à une gravure plus douce et plus complète de la couche diélectrique.
Une gravure chimique (KOH par exemple) est alors nécessaire pour ouvrir en totalité la
couche sacrificielle.
Figure III.2. Photographie d’une zone gravée au LASER avec les conditions : Intensité =
32.0 A / Fréquence = 64 000 Hz / Vitesse = 200 mm.s-1
/ Recouvrement 75%
CHAPITRE III 1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 114 -
1.3 Procédé « sérigraphie »
La réalisation des étapes de masquages par sérigraphie peut se faire de différentes
manières en fonction du produit sérigraphié (pâte gravante ou masquante). Nous étudions ici
un procédé à base de pâte polymère masquante, résistante au HF et sérigraphiée sur la couche
sacrificielle. L‟utilisation de cette pâte masquante directement comme couche sacrificielle
pour le lift off n‟est pas envisageable pour des raisons de contamination de la chambre
PECVD. En effet, la pâte de sérigraphie est composée de différents polymères et sa pureté
n‟est pas assurée. C‟est pourquoi il est préférable de transférer le motif de pâte polymère
sérigraphiée sur la couche sacrificielle déposée par PECVD. L‟empilement (SiO2/SiN) est
plus « propre » et compatible avec les dépôts de a-Si:H.
Le motif sérigraphié correspond à la zone qu‟on souhaite laisser libre de tout dépôt
après l‟étape de lift off (voir Figure III.3). Les différentes étapes nécessaires à la structuration
de la couche sacrificielle par sérigraphie sont les suivantes :
1. Dépôt de la couche sacrificielle
1.1. Sérigraphie de pâte masquante
1.2. Gravure HF
2. Nettoyage de la pâte masquante
Figure III.3. Utilisation de pâte masquante sérigraphiée pour l’ouverture de la couche
sacrificielle
1.4 Procédé « masques métalliques »
Le dernier procédé étudié repose sur l‟utilisation de masques métalliques ouverts
localement. L‟objectif est de placer le masque directement sur le substrat c-Si pendant les
différents dépôts. Les matériaux sont ainsi déposés dans les zones ouvertes, tandis qu‟aucune
couche n‟est déposée dans les parties couvertes. Une première option est de fabriquer les
masques par gravure LASER d‟un substrat métallique [Tucci07].
CHAPITRE III 1. Procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 115 -
Cette méthode simple et rapide a cependant l‟inconvénient de provoquer des
contraintes dans le masque qui peuvent nuire à sa planéité. Or, plus le masque est plan, plus le
dépôt est conforme au motif désiré. Nous avons donc choisi la méthode d‟électrodéposition de
nickel pour la fabrication de nos masques. Cette méthode permet en effet d‟obtenir une
planéité maximale des masques, ainsi qu‟une grande précision dans la définition des motifs.
Un masque métallique structuré, ainsi que son utilisation schématique, sont schématisés sur la
Figure III.4.
Figure III.4. Masque métallique pour localiser l’émetteur (a) et principe d’utilisation
schématique (b)
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 116 -
2. Étude de la tolérance sur les alignements et comparaison
des procédés de localisation des couches de a-Si:H
La valeur de tolérance entre les dépôts a une influence à la fois sur la géométrie des
dispositifs et sur leur rendement. Cet aspect est étudié dans une première partie. Pour chaque
procédé décrit précédemment, la tolérance est ensuite déterminée en fonction de la précision
des alignements et de la conformité des dépôts. Enfin, les méthodes permettant une tolérance
suffisante sont comparées en fonction du nombre d‟étapes de procédé et de leur impact sur la
qualité de passivation des couches déposées.
2.1 Influence de la tolérance entre les alignements
La valeur de tolérance entre les différents alignements doit être réduite au maximum.
En effet, cette valeur détermine en partie la largeur des dépôts en face arrière et donc la
géométrie de la cellule. La structure unitaire de nos cellules Si-HJ IBC est représentée sur la
Figure III.5 avec la contribution des différentes tolérances entre les alignements.
Figure III.5. Schéma de notre structure Si-HJ IBC, avec les différentes tolérances entre les
dépôts en la face arrière
La première tolérance (T.1) apparaît entre l‟émetteur et le BSF. Les tolérances T.2 et
T.3 concernent le recouvrement entre la zone de gap et les zones émetteur et BSF. Les
matériaux de contact de l‟émetteur et du BSF sont quant à eux localisés à une distance T.4 et
T.5 de la zone de gap. En fonction de la valeur de tolérance entre les dépôts, il est donc clair
que la géométrie de la structure Si-HJ IBC varie. Cette valeur de tolérance dépend de
l‟incertitude sur les alignements des différentes zones permises par le procédé de localisation.
Sur les cellules Si-HJ IBC expérimentales, la largeur du contact de l‟émetteur et celle du BSF
sont fixées respectivement à 1 mm et 650 µm. Dans la modélisation, seule la structure unitaire
est simulée et ces valeurs sont donc respectivement égales à 500 µm et 325 µm. La Figure
III.6 montre l‟influence de la valeur de tolérance sur les paramètres électriques d‟une cellule
Si-HJ IBC modélisée.
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 117 -
Figure III.6. Influence de la tolérance entre les différents alignements sur le rendement des
cellules Si-HJ IBC simulées. La face arrière de notre structure est constituée de cinq dépôts
différents (émetteur, BSF, gap, contact émetteur, contact BSF)
Pour des valeurs élevées de tolérance, les paramètres électriques des cellules Si-HJ
IBC se dégradent. Ces pertes sont dues à des phénomènes résistifs (FF diminue) et à la
diminution de la surface de l‟émetteur par rapport à la surface totale (Jcc diminue). En
revanche, le Vco augmente légèrement pour des valeurs croissantes de tolérance. Ceci peut
être attribué au plus faible pourcentage de la surface occupée par l‟émetteur, pour les
structures utilisant une tolérance élevée. Sur ces dispositifs, l‟influence des recombinaisons
dans l‟émetteur (J0e) est donc légèrement réduite. Une tolérance inférieure à 100 µm est
nécessaire pour se rapprocher des hauts rendements, cette valeur constitue donc un objectif à
atteindre par les procédés de localisation testés.
2.2 Procédé « LASER »
Le LASER utilisé permet théoriquement un alignement à +/- 50 µm, cependant un
problème de focalisation sur le LASER est apparu sur nos échantillons. La Figure III.7 montre
un exemple de déviation du rayon constaté.
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 118 -
Figure III.7. Images MEB de la surface du c-Si après gravure LASER et nettoyage KOH
Ce problème n‟a pas pu être résolu rapidement, et ceci a limité l‟utilisation du LASER
pour localiser les différents empilements. Avec les outils dont nous disposions, une tolérance
inférieure à 100 µm entre les dépôts n‟a pas pu être atteinte. Le procédé « LASER » n‟est
donc pas sélectionné pour la suite de l‟étude. Cette technique reste cependant une option très
intéressante nécessitant une étude approfondie sur un outil plus adapté (LASER femtoseconde
par exemple).
2.3 Procédé « sérigraphie »
Dans un premier temps, la localisation d‟une simple couche de a-Si:H est effectuée
expérimentalement. Pour cela, un masque de sérigraphie permettant la définition de la zone
d‟émetteur est testé. Le motif de ce masque représente le « négatif » de la zone d‟émetteur. Il
s‟agit ici d‟obtenir une zone d‟émetteur localisée. Les Figure III.8 et Figure III.9 présentent un
détail du motif réalisé.
Figure III.8. Motif pâte polymère (à gauche) et masque sacrificiel correspondant (à droite)
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 119 -
Par rapport au motif initial de l‟écran de sérigraphie, le motif gravé dans la couche
sacrificielle est plus large d‟environ 50 µm. En effet la pâte de sérigraphie ne reproduit pas
fidèlement le motif de l‟écran mais dépasse de 25 µm par rapport à ce motif. Ainsi la zone
non protégée prévue avec une largeur de 1100 µm est en réalité large de 1050 µm. La Figure
III.8 révèle également la présence de défauts de surface après gravure de la couche
sacrificielle et nettoyage de la pâte polymère. La zone sur laquelle le a-Si:H doit être déposé
(zone la plus large sur les images) n‟est en effet pas uniforme. Cependant, après les étapes de
nettoyage HF, dépôt a-Si:H et lift off, ces défauts de surface ne sont plus visibles (Figure
III.9).
Figure III.9. Dépôt a-Si:H localisé à l’aide du procédé sérigraphie: vue d’ensemble après
lift off (à gauche) et détail (à droite)
On peut voir sur la Figure III.9 que d‟autres défauts apparaissent, après le lift off, sur
les bords de la zone a-Si:H localisée. Il semble que la couche a-Si:H ne soit pas parfaitement
définie à cause de ces inhomogénéités. Des mesures AFM (Figure III.10) montrent qu‟un fort
relief existe effectivement à la frontière du dépôt de silicium amorphe. D‟après ces mesures,
la conformité du dépôt a-Si:H n‟est pas parfaite. Une zone défectueuse d‟environ 5 µm est en
effet présente sur les bords du a-Si:H localisé. Cette contribution, ainsi que celle due à la
mauvaise définition du motif sérigraphié, doit être prise en compte lors de la conception des
écrans de sérigraphie.
Figure III.10. Mesures topographiques (AFM mode tapping) à la frontière d’une zone a-Si:H
localisée à l’aide du procédé sérigraphie
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 120 -
L‟incertitude sur les alignements permise par le procédé de sérigraphie est de +/- 50
µm. La tolérance permise par ce procédé de localisation est donc de l‟ordre de 100 µm. Il
s‟agit d‟un procédé industriel théoriquement compatible avec l‟obtention de hauts rendement
sur la structure Si-HJ IBC.
2.4 Procédé « masques métalliques »
Pour assurer un alignement correct entre les différents dépôts, un système de pions
d‟indexation a été développé. Sur les côtés de chaque masque, deux trous destinés à accueillir
ces pions sont percés (voir Figure III.4). Dans le substrat c-Si, deux trous sont également
réalisés par gravure LASER de manière à coïncider avec l‟écartement des pions. Ainsi,
l‟alignement entre les masques est assuré de manière mécanique par l‟insertion des deux pions
du masque dans les trous du substrat. La précision de l‟alignement dépend donc de la
différence entre le diamètre du pion (DP) et celui du trou (DT). La valeur de DP est fixée à
1000 (+/- 10) µm et celle de DT à 1050 (+/- 10) µm. Globalement, l‟incertitude dans cet
alignement mécanique est donc estimée à +/- 70 µm.
Pour les premiers essais, des masques avec une épaisseur de 100 µm ont été utilisés.
L‟insertion en force des pions d‟indexation provoque cependant des contraintes mécaniques
qui déforment légèrement ces masques. Ceci entraîne des inhomogénéités dans le dépôt a-
Si:H avec des zones mal définies. Afin de limiter la déformation des masques, une épaisseur
de 180 µm est alors choisie. Cette valeur correspond au maximum proposé par le fabriquant.
Un système d‟aimants placés sous le substrat est également utilisé pour permettre un meilleur
plaquage des masques (voir Figure III.11).
Figure III.11. Dispositif expérimental pour le dépôt à travers un masque métallique
Avec ce dispositif, les dépôts a-Si:H sont plus conformes au motif du masque (voir
Figure III.12-a). Des mesures complémentaires de résistivité locale (SSRM : Scanning
Spreading Resistance Measurement) sont visibles sur la Figure III.12–b.
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 121 -
Figure III.12. a) Photographie d’un dépôt a-Si:H localisé par le procédé masques
métalliques; b) Cartographie en résistance de surface (« Scanning Spreading Resistance »,
mode contact) au bord d’une zone a-Si:H localisée à l’aide d’un masque métallique
Sur la Figure III.12–b, une forte tension mesurée est synonyme de forte résistance, et
révèle la présence d‟a-Si:H. La zone a-Si:H est beaucoup plus résistive que la zone c-Si, c‟est
pourquoi la valeur de tension mesurée varie entre les deux zones. Cette mesure montre que la
transition entre les deux zones n‟est pas abrupte, mais s‟étend sur une dizaine de µm de large.
La tolérance globale de ce procédé utilisant un alignement mécanique peut donc être estimée
à une centaine de µm, compatible avec la fabrication de dispositifs à hauts rendements.
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 122 -
2.5 Comparaison des procédés de localisation des couches a-Si:H
Un des paramètres critiques pour l‟évaluation d‟un procédé de localisation est son
impact sur la qualité de passivation des couches a-Si:H. En effet, le principal avantage de
l‟hétérojonction silicium appliquée aux cellules solaires est sa capacité à passiver
efficacement la surface du c-Si. Il est donc nécessaire de conserver au maximum cet avantage
après les étapes de localisation. La Figure III.13 montre les cartographies en durée de vie de
structures tests pour chaque procédé de localisation. Le procédé LASER n‟est pas évalué ici,
car les premières études effectuées montrent qu‟il n‟est pas adapté (avec nos équipements)
pour la localisation des couches a-Si:H.
Figure III.13. Cartographie en durée de vie effective obtenue avec le procédé masque
métallique (a) et sérigraphie (b) sur la structure test (c)
Les structures tests sont constituées d‟un substrat c-Si couvert d‟une couche a-Si:H (n)
en face avant. En face arrière un dépôt de a-Si:H (p) est localisé par un des procédés puis
recouvert par un autre dépôt a-Si:H (n) pleine plaque. Avec le procédé sérigraphie, une durée
de vie effective très faible est obtenue, en particulier dans les zones recouvertes par le
deuxième dépôt a-Si:H pleine plaque en face arrière. En revanche, l‟utilisation de masques
métalliques permet de garder des valeurs de τeff convenables, compatibles avec la fabrication
de cellules Si-HJ IBC. Ces résultats sont utiles pour comparer les deux procédés entre eux.
Cependant, une étude plus approfondie de l‟impact des étapes de localisation à l‟aide des
masques métalliques sur la qualité des couches a-Si:H est nécessaire. Cette étude est présentée
dans le chapitre suivant.
L‟autre principal avantage du procédé de localisation par masques métalliques réside
dans sa mise en œuvre simple et rapide. Pour la fabrication d‟une cellule Si-HJ IBC, trois
dépôts localisés sont nécessaires en face arrière. Avec ce procédé, il est possible de réaliser
ces trois dépôts localisés de silicium amorphe dans une même journée. Ceci améliore
fortement la fiabilité et la reproductibilité de nos expériences. Un délai bien supérieur est
nécessaire avec le procédé sérigraphie. Les avantages et les inconvénients de ces deux
procédés sont résumés dans le Tableau 21.
CHAPITRE III 2. Étude de la tolérance entre les alignements et comparaison des
procédés de localisation des couches de a-Si:H
- 123 -
Tableau 21. Avantages et inconvénients des procédés de localisation des couches a-
Si:H par sérigraphie ou masques métalliques
Procédé Avantages Inconvénients
Sérigraphie Industrialisation prouvée
Nombreuses étapes de procédé
Forte dégradation de la qualité
des couches
Masques métalliques
Peu d‟étapes de procédé
Faible dégradation de la qualité
des couches
Industrialisable ?
En conclusion, bien que le procédé utilisant les masques métalliques soit plus
difficilement industrialisable, il présente plusieurs avantages importants. D‟abord, peu
d‟étapes de procédé sont nécessaires à la localisation des couches a-Si:H. Ensuite, il permet
une meilleure passivation de surface que le procédé de sérigraphie. Ce procédé de localisation
est donc choisi pour la fabrication des démonstrateurs de cellules Si-HJ IBC.
CHAPITRE III 3. Procédés de localisation des métallisations
- 124 -
3. Procédés de localisation des métallisations
Les métallisations des cellules Si-HJ IBC doivent être optimisées de manière à limiter
au maximum les pertes résistives. Le premier impératif est d‟éviter absolument les courts-
circuits entre les électrodes contactant l‟émetteur et le BSF. La deuxième exigence est
d‟obtenir une conductivité des métallisations suffisantes pour réduire au maximum la
résistance série. Le procédé de localisation doit donc ici permettre une parfaite isolation entre
les électrodes ainsi qu‟une épaisseur de métal suffisamment grande. Un schéma des
métallisations interdigitées est montré sur la Figure III.14. Ce schéma illustre le fait que
contrairement aux cellules standard, les zones d‟émetteur et de BSF sont ici adjacentes. Le
risque de court-circuiter la cellule lors des étapes de métallisation est donc beaucoup plus
grand.
Figure III.14. Schéma des métallisations d’une cellule Si-HJ IBC
Il existe des modèles analytiques permettant de calculer la résistance série occasionnée
par les métallisations [Nichiporuk05]. Selon ces modèles, la Rsérie dépend de plusieurs
paramètres qui sont liés à la géométrie des électrodes:
- Largeur des doigts et du busbar
- Distance entre les doigts
- Nombre de doigts
- Largeur de la cellule
Dans le cas des métallisations, il est nécessaire ici de prendre en compte une sixième
valeur de tolérance (T.6) concernant le contact sur le BSF. En effet, celui-ci est constitué
d‟une première couche d‟ITO, recouverte d‟une seconde couche d‟Al. Pour appliquer cet
empilement sur les structures Si-HJ IBC, une première couche d‟ITO est déposée localement
à une distance T.5 de la couche de gap (voir Figure III.5). La couche d‟Al est ensuite déposée
à une distance T.6 de la couche d‟ITO. La contribution de la couche d‟ITO à la conduction
des charges dans les électrodes est cependant négligeable par rapport à celle de l‟Al.
CHAPITRE III 3. Procédés de localisation des métallisations
- 125 -
Ainsi, pour les simulations analytiques montrées sur la Figure III.15, seule la
contribution de la couche d‟Al est calculée. Cette figure montre l‟influence de l‟épaisseur des
métallisations sur les différentes contributions des métallisations à la résistance série de notre
structure Si-HJ IBC. La résistivité du métal est prise égale à celle de l‟aluminium déposé par
PVD (3x10-6
Ohm.cm). Selon ce modèle, ce sont les métallisations du BSF, formées de doigts
larges de 450 µm distants de 2 mm, qui contribuent le plus aux pertes résistives du dispositif.
Figure III.15. Modélisation analytique de l’influence de l’épaisseur de métal (résistivité =
3x10-6
Ohm.cm) sur la résistance série dans les métallisations d’une cellule Si-HJ IBC. Les
paramètres géométriques utilisés correspondent à une géométrie expérimentale obtenue avec
une tolérance de 100 µm entre tous les alignements
Une épaisseur de métal supérieure à 3 µm est donc nécessaire pour obtenir une
contribution des métallisations dans la Rsérie inférieure à 1 Ohm.cm2. Idéalement, des couches
plus épaisses (6 µm) permettent de limiter cette contribution en deça de 0.5 Ohm.cm2.
L‟objectif de cette étude est donc de permettre la réalisation de deux électrodes
localisées sur la zone d‟émetteur et de BSF. Les procédés de localisation étudiés sont d‟abord
évalués sur leur capacité à isoler efficacement ces deux électrodes. Des couches de métal
épaisses d‟au moins 3 µm doivent de plus pouvoir être structurées à l‟aide de ces procédés.
CHAPITRE III 3. Procédés de localisation des métallisations
- 126 -
3.1 Procédé « sérigraphie »
Le procédé développé précédemment pour la localisation des couches a-Si:H par
sérigraphie n‟est pas adapté pour des couches épaisses d‟Al (1 µm et plus). Un autre procédé
utilisant la sérigraphie de pâte polymère est présenté dans cette partie. Il s‟agit ici de
métalliser l‟émetteur et le BSF en une seule étape de pulvérisation. Pour cela, la pâte
polymère est sérigraphiée avant le dépôt Al selon un motif recouvrant la zone entre l‟émetteur
et le BSF interdigités (zone de gap). Le dépôt de métal, recouvrant ce motif, est ensuite
réalisé. Une étape de polissage permet alors de graver l‟Al uniquement sur les zones
surélevées d‟environ 15 µm par la présence de pâte polymère. Les électrodes se retrouvent
ainsi isolées de part et d‟autre du motif sérigraphié. Les différentes étapes de ce procédé sont
donc les suivantes :
1. Sérigraphie de la pâte polymère (Figure III.16-a)
2. Dépôt Al (Figure III.16-b)
3. Polissage (Figure III.16-c)
Figure III.16. Photographies des différentes étapes du procédé de localisation des
métallisations par sérigraphie
L‟optimisation des paramètres de polissage a permis d‟obtenir une isolation parfaite
entre deux zones couvertes d‟Al épais (1 à 5 µm). Comme pour le procédé développé pour
localiser les couches a-Si:H, la tolérance est ici égale à 100 µm. De plus, une unique étape de
dépôt Al est nécessaire pour métalliser simultanément les deux électrodes. Malgré ces
avantages, il est difficile d‟envisager l‟utilisation de ce procédé pour métalliser les cellules Si-
HJ IBC, et ce pour deux raisons. D‟une part, l‟étape de polissage est longue et ne peut se faire
que plaque par plaque. D‟autre part, ce procédé implique un unique matériau de contact (ou
empilement) sur l‟émetteur et le BSF. Or, les matériaux de contacts sélectionnés au chapitre I
sont effectivement différents sur les deux zones à contacter. Il faut donc ajouter à ce procédé
une étape de localisation de l‟ITO sur le BSF.
CHAPITRE III 3. Procédés de localisation des métallisations
- 127 -
3.2 Procédé « masques métalliques »
Le procédé développé ici est semblable à celui décrit pour la localisation des couches
a-Si:H (voir Chapitre III §1.3 et §2.3). Des masques spécifiques sont nécessaires pour la
métallisation de l‟émetteur (ouverture large de 1 mm) et du BSF (ouverture fine de 250 µm),
nécessitant deux dépôts différents. Des mesures de profilométrie, visibles sur la Figure III.17,
permettent d‟observer l‟allure des dépôts d‟Al pulvérisé effectués à travers les masques. Le
premier dépôt est effectué à travers le masque à ouvertures larges, suivi par un second dépôt à
travers les ouvertures plus fines.
Figure III.17. Mesures de profilométrie effectuées sur des dépôts Al localisés par masques
métalliques. Le dépôt large correspond à la métallisation de l’émetteur (1er
dépôt) tandis que
la zone plus étroite contacte le BSF (2e dépôt)
Selon ces mêmes mesures de profilométrie, la largeur de l‟ouverture a un effet sur
l‟épaisseur du dépôt effectué. Le dépôt Al effectué pour ces métallisations est de 1.2 µm sur
une surface polie. On s‟aperçoit sur la Figure III.17 que cette valeur est quasiment obtenue
pour l‟ouverture large (métallisation émetteur) avec 1.1 µm de hauteur maximale. En
revanche, pour la métallisation étroite (BSF) l‟effet d‟ombrage est important et le dépôt
CHAPITRE III 3. Procédés de localisation des métallisations
- 128 -
n‟atteint qu‟une hauteur de 800 nm environ. Ces effets sont à prendre en compte car ils
augmentent la résistance série occasionnée par les métallisations.
Pour la métallisation large, effectuée en premier, les couches d‟Al sont effectivement
localisées avec une largeur correspondant à celle de l‟ouverture du masque. En revanche, pour
la métallisation fine, la zone d‟Al déposée est plus large que l‟ouverture du masque. Selon les
mesures visibles sur la Figure III.17, la largeur de métal effectivement déposé peut atteindre
300 µm contre 250 µm souhaités. La zone fine étant métallisée après la zone large, le masque
utilisé lors de ce second dépôt n‟est plus parfaitement plaqué contre le substrat. Il est posé sur
la première métallisation, donc à plus de 1 µm de la surface à métalliser. La méthode de
pulvérisation étant peu directionnelle, ce second dépôt d‟Al est alors moins bien localisé.
Selon ces résultats, il est donc nécessaire d‟ajouter à l‟incertitude de +/- 45 µm sur les
alignements mécaniques une autre incertitude de +/- 30 µm sur la conformité du dépôt par
pulvérisation. La tolérance globale des dépôts par pulvérisation à travers les masques
métalliques est donc fixée à 150 µm.
D‟après les modélisations montrées sur la Figure III.15, une épaisseur de 3 µm d‟Al
est nécessaire pour maintenir la résistance série des métallisations en deçà de 1 Ohm.cm2.
Cette valeur est obtenue pour une géométrie calculée avec une tolérance de 100 µm entre les
différents dépôts. L‟utilisation d‟une tolérance de 150 µm est cependant nécessaire entre les
dépôts effectués par pulvérisation (T.4, T.5 et T.6). Avec cette nouvelle valeur et en gardant la
même géométrie pour les autres zones, la largeur des électrodes Al est réduite (900 µm sur
l‟émetteur et 250 µm sur le BSF). Selon la Figure III.18, une épaisseur d‟Al supérieure à 4
µm est alors nécessaire pour obtenir une Rsérie inférieure à 1 Ohm.cm2.
Figure III.18. Influence de l’épaisseur de métal ( = 3x10-6
Ohm.cm) sur la Rsérie d’une
cellule Si-HJ IBC pour deux valeurs de tolérance entre les dépôts pulvérisés (T.4, T.5 et T.6)
CHAPITRE III Conclusions
- 129 -
Conclusions du Chapitre III
Ce chapitre a permis de sélectionner le procédé de localisation des différents dépôts
nécessaires à la fabrication des cellules Si-HJ IBC. Les deux procédés utilisant une couche
sacrificielle ne satisfont pas aux objectifs fixés. Les nombreuses étapes de dépôt, gravure et
nettoyage pour chaque localisation augmentent le temps nécessaire pour fabriquer une cellule
complète. Elles entraînent également un risque élevé de contaminer la surface du c-Si et donc
d‟augmenter la densité d‟états à l‟interface a-Si:H / c-Si. Ces procédés utilisant le LASER et
la sérigraphie ne doivent toutefois pas être exclus. Il est nécessaire à la fois d‟améliorer et de
simplifier ces procédés. Avec moins d‟étapes de fabrication, le temps de manipulation, mais
aussi les éventuelles contaminations, pourront être réduits.
Le procédé utilisant des masques métalliques est en revanche adapté à la fois pour la
localisation des couches a-Si:H ainsi que pour celle des métallisations. Son principal avantage
vient de la rapidité d‟exécution et du peu d‟étapes de fabrication nécessaires pour chaque
localisation. Il permet également de ne pas trop dégrader les propriétés de passivation des
couches a-Si:H déposées. La tolérance de ce procédé en terme d‟alignement est de 100 µm
pour les dépôts a-Si:H par PECVD et de 150 µm pour les dépôts par pulvérisation. Des
valeurs de tolérance inférieures permettent théoriquement d‟obtenir de meilleurs rendements
au niveau des cellules Si-HJ IBC. Les valeurs obtenues sont toutefois suffisantes pour limiter
les pertes au niveau du FF et du Jcc des cellules Si-HJ IBC, et obtenir de hauts rendements. Le
procédé « masque métallique » est donc choisi pour la fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
dans la suite de l‟étude.
- 131 -
CHAPITRE IV : FABRICATION ET OPTIMISATION DE
DISPOSITIFS À HÉTÉROJONCTIONS SILICIUM ET
CONTACTS EN FACE ARRIÈRE
Les travaux effectués dans les chapitres précédents sont appliqués dans ce quatrième
chapitre, consacré à l‟étude de dispositifs Si-HJ IBC fonctionnels. Le premier objectif est de
fabriquer des cellules Si-HJ IBC complètes, en utilisant les différents empilements ainsi que
le procédé de localisation développés précédemment. Ces cellules de 25 cm2 sont réalisées sur
un substrat de type n. Les dispositifs fabriqués sont ensuite caractérisés afin d‟évaluer leurs
paramètres électriques. Les pertes en courant, ainsi que les pertes résistives, sont également
évaluées pour déterminer d‟éventuels défauts de fonctionnement.
Une deuxième partie est consacrée à la compréhension, puis à l‟optimisation des
cellules Si-HJ IBC. Des modélisations 2D sont utilisées pour déterminer l‟influence de la
géométrie des empilements en face arrière. À l‟aide des résultats de simulation, des critères
d‟optimisation de cette géométrie sont déterminés. Enfin, des dispositifs optimisés sont testés,
dans le but d‟atteindre les hauts rendements.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 132 -
1. Fabrication de dispositifs à hétérojonctions silicium et
contacts en face arrière
Cette partie est consacrée à la fabrication de dispositifs Si-HJ IBC complets intégrant
les différents développements des précédents chapitres. La Figure IV.1 montre la structure
unitaire qui est répétée 38 fois dans le dispositif global de 25 cm2. Cette géométrie unitaire est
représentative de la géométrie globale (2D) des dispositifs fabriqués. Cependant, sur les bords
des cellules ainsi qu‟au niveau des bus de collectes (Busbars), la géométrie varie fortement
par rapport à la structure de la Figure IV.1. Ces aspects (3D) doivent être considérés pour une
modélisation fine des dispositifs fabriqués. Notre étude se limite cependant aux aspects 2D
qui permettent la mise en évidence des paramètres les plus influents.
Figure IV.1. Structure unitaire (largeur de 1.325 mm) schématique des dispositifs Si-HJ
IBC fabriqués. La géométrie complète du dispositif est détaillée dans le Tableau 22
Les paramètres électriques des dispositifs fabriqués sont déterminés à l‟aide de
mesures J-V sous éclairement. Les pertes résistives ainsi que les pertes en courant sont
également caractérisées afin de comprendre les limitations de ces premières cellules Si-HJ
IBC.
1.1 Géométrie des dispositifs
La géométrie initiale de la face arrière est choisie en respectant une valeur de tolérance
de 100 µm entre les alignements des dépôts PECVD et 150 µm pour ceux effectués par
pulvérisation (voir chapitre précédent). La largeur de la zone de contact sur le BSF est
initialement fixée à 550 µm (couche ITO) afin d‟obtenir une électrode Al de 250 µm. Une
telle largeur permet de limiter les pertes par résistance série dues aux métallisations. En
ajoutant les différentes tolérances, une largeur de 1050 µm est obtenue pour la zone de BSF.
Il est ensuite nécessaire de déterminer la largeur de la zone d’émetteur.
Théoriquement, plus la largeur d‟émetteur est grande, et plus le courant collecté est
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 133 -
important. Cependant, la distance latérale moyenne parcourue par les porteurs de charge
augmente également avec la largeur de l‟émetteur. La valeur du FF peut alors diminuer plus
ou moins rapidement en fonction de la conductivité et l‟épaisseur du substrat [Granek08a].
La Figure IV.2 montre l‟influence de la largeur de la zone d‟émetteur sur les paramètres
électriques de cellules Si-HJ IBC modélisées. Pour l‟épaisseur du substrat, une valeur de 300
µm est utilisée comme référence. Les résultats obtenus avec une valeur de 100 µm (substrat
mince) sont également représentés. Pour modéliser le dopage du substrat c-Si, une
concentration de 2x1015
cm-3
est utilisée, proche de nos valeurs expérimentales.
Figure IV.2. Influence de la largeur de la zone d’émetteur sur les paramètres électriques de
cellules Si-HJ IBC simulées, sous éclairement AM1.5. Les symboles pleins et vides
correspondent respectivement à un substrat épais de 300 µm et 100 µm
Ces résultats de modélisation confirment qu‟une grande largeur d‟émetteur améliore la
valeur de Jcc et réduit celle du FF. Pour un substrat de 300 µm, le meilleur compromis entre
ces deux tendances est obtenu pour une largeur d‟émetteur proche de 1400 µm. C‟est donc
cette valeur qui est ensuite utilisée expérimentalement. L‟utilisation d‟un substrat de 100 µm
entraîne une diminution du Jcc par rapport au substrat plus épais. Cette perte est due
principalement aux photons non absorbés dans le substrat fin. Afin de réduire ces pertes, il est
nécessaire d‟améliorer le confinement optique de la face arrière des cellules [McIntosh04].
Une différence notable de comportement est également visible au niveau des valeurs de FF
obtenues. La conductivité latérale du substrat est dépendante de son épaisseur. Avec un
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 134 -
substrat fin, l‟augmentation de la largeur de l‟émetteur provoque une chute du FF plus
importante que pour un substrat épais. La valeur optimale de largeur d‟émetteur est donc
inférieure avec un substrat de 100 µm par rapport à celui de 300 µm.
Le Tableau 22 donne les valeurs expérimentales de largeur et d‟épaisseur des
différentes zones des structures Si-HJ IBC initialement fabriquées. Pour définir la géométrie
globale des dispositifs, il faut préciser que les zones d‟émetteur et BSF sont complétées par un
bus de collecte large de 3 mm et long de 5 cm au bout des doigts. Avec cette géométrie, la
surface recouverte par la zone d‟émetteur représente un peu plus de la moitié de celle du
dispositif global (52 %). L‟épaisseur des électrodes Al est de 3 µm, malgré le fait qu‟une
épaisseur plus importante soit requise pour diminuer la résistance série des dispositifs (voir le
chapitre précédent). En effet, dans le bâti de dépôt utilisé, il s‟agit de l‟épaisseur maximale
qu‟il est possible de déposer en mode automatique. Un deuxième dépôt est toutefois
envisageable pour obtenir des métallisations plus épaisses, mais avec une augmentation du
risque de court-circuit.
Tableau 22. Données expérimentales de base des structures Si-HJ IBC fabriquées
Zone Matériau Epaisseur visée Largeur visée
Substrat c-Si (n) FZ 1-5 Ohm.cm 300 µm 5 cm (largeur cellule)
FSF + CAR a-Si:H (n) + a-SiNx:H 8 nm + 80 nm 5 cm (largeur cellule)
Emetteur a-Si:H (p) 25 nm 1400 µm
Gap a-Si:H (i) 35 nm 300 µm
BSF a-Si:H (n) 25 nm 1050 µm
Contact BSF 1 ITO 80 nm 550 µm
Contact BSF 2 Al 3 µm 250 µm
Contact émetteur Al 3 µm 900 µm
Le dépôt d‟une couche de passivation est nécessaire entre les zones d‟émetteur et de
BSF (zone de gap). Une forte vitesse de recombinaison de surface dans ce gap dégrade les
caractéristiques des cellules IBC Si-HJ [Lu07b]. Une couche montrant d‟excellentes
propriétés de passivation doit donc être utilisée dans ce cas. La couche a-Si:H (i) épaisse de
35 nm développée dans le 2e chapitre permet potentiellement d‟atteindre une valeur de Seff de
11 cm.s-1
. Elle répond à cette exigence et peut donc être utilisée dans la suite de l‟étude.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 135 -
1.2 Procédé de fabrication
Le procédé utilisé pour fabriquer les dispositifs est décrit dans le Tableau 23.
Tableau 23. Étapes du procédé de fabrication des cellules Si-HJ IBC
Etape Procédé Face Masque
1/ Perçage des mires d‟alignement dans le
substrat gravure LASER arrière -
2/ Gravure de l‟oxyde natif bain de HF tamponné
(7%) pendant 30s - -
3/ Dépôt du FSF a-Si:H (n) PECVD avant -
4/ Dépôt de l‟émetteur a-Si:H (p) PECVD arrière E
5/ Dépôt du BSF a-Si:H (n) PECVD arrière B
6/ Dépôt de la couche de Gap a-Si:H (i) PECVD arrière IN
7/ Dépôt de la couche de confinement
optique a-SiNx:H PECVD avant -
8/ Dépôt de la couche d‟ITO sur le BSF pulvérisation arrière MB1
9/ Recuit des substrats étuve à 200°C
20 min sous air - -
10/ Dépôt de la couche d‟Al sur
l‟émetteur Al arrière ME
11/ Dépôt de la couche d‟Al sur le BSF Al arrière MB2
12/ Clivage des cellules (25 cm2)
gravure LASER puis
clivage manuel arrière -
Après chaque dépôt localisé, il est nécessaire de nettoyer les masques utilisés. Ce
nettoyage est effectué par une gravure sèche (plasma) suivie d‟un nettoyage dans un bain de
HF tamponné (7%) et d‟un rinçage à l‟eau. La durée de vie effective des dispositifs est
caractérisée en cours de procédé, après l‟étape 9. Avant les étapes de dépôts métalliques, lors
de ces caractérisations en durée de vie, le terme « précurseur de cellule » est utilisé.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 136 -
1.3 Caractérisation des précurseurs de cellule
1.3.1 Mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d’injection
Les mesures de eff des différentes couches a-Si:H utilisées dans la fabrication des
cellules Si-HJ IBC sont rassemblées dans la Figure IV.3. Ces mesures sont effectuées sur des
substrats c-Si recouverts des deux côtés par la couche à caractériser. Elles permettent de
déterminer la valeur de eff en fonction du niveau d‟injection, correspondant à un éclairement
équivalent compris en moyenne entre 0.1 et 50 soleils. Des valeurs de J0e (pour un émetteur),
de Seff (pour une couche de passivation) ou de Vco implicite à un soleil (pour un précurseur)
peuvent en être déduites.
Figure IV.3. Mesures de eff en fonction du niveau d’injection de toutes les couches a-Si:H
utilisées pour la fabrication des cellules Si-HJ IBC
Les couches utilisées montrent différents comportements en fonction du niveau
d‟injection. La couche intrinsèque atteint, à fort niveau d‟injection (≥ 1x1015
cm-3
), des
valeurs de eff supérieures à celles des couches dopées. Ceci lui permet d‟atteindre une valeur
de Seff égale à 11 cm.s-1
sous un soleil. En revanche, à plus faible injection, la plupart des
couches dopées montrent de meilleures propriétés de passivation de surface grâce à un effet
de champ plus important. Les deux couches dopées (n) ont un comportement semblable
malgré leur différence en terme d‟épaisseur (8 et 25 nm) et de flux de gaz dopant (5 et 10
sccm). Le gain en passivation de surface apporté par un flux de gaz dopant plus faible est en
effet ici contrebalancé par l‟utilisation d‟une épaisseur plus faible. Pour ces deux couches, une
Seff de 25 cm.s-1
est obtenue sous un soleil. Les couches dopées (p) obtiennent les moins
bonnes valeurs de eff. Cependant, celle réalisée avec un flux de gaz dopant de 10 sccm
(couche [L]) montre de meilleures propriétés de passivation de surface que la couche [H], et
donc un J0e plus faible (140 contre 410 fA.cm-2
). Ces résultats sont conformes aux tendances
observées dans les chapitres précédents.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 137 -
Les mesures de eff de différents précurseurs de cellules Si-HJ IBC sont rassemblées
dans la Figure IV.4. Les dispositifs Si-HJ IBC nécessitent 4 dépôts de a-Si:H successifs
durant leur fabrication. Dans le cas des cellules Si-HJ standard, seulement deux dépôts de a-
Si:H successifs sont effectués. C‟est également le cas des structures utilisées pour mesurer la
durée de vie effective des couches simples. Pour deux dépôts successifs, un seul nettoyage de
30 s dans un bain de HF tamponné (7%) est effectué avant le premier dépôt. Comme le
montre la Figure IV.4, l‟utilisation d‟un unique nettoyage entraîne une valeur de Vco implicite
de l‟ordre de 630 mV sur les précurseurs de cellule Si-HJ IBC avec émetteur [L]. Cette valeur
atteint 650 mV en ajoutant un nettoyage supplémentaire en cours de procédé (après le
deuxième dépôt a-Si:H). Les précurseurs de cellules utilisant la couche d‟émetteur [H]
atteignent un Vco implicite de 630 mV, même avec deux nettoyages. Ces valeurs, dues à un J0e
plus élevé, sont suffisantes pour envisager la fabrication de cellules complètes.
Figure IV.4. Mesures de eff en fonction du niveau d’injection de précurseurs de cellules Si-
HJ IBC en fonction de l’émetteur utilisé et du nombre de nettoyages effectués
Les valeurs de eff atteintes par les précurseurs sont inférieures à 300 µs. Ces valeurs
sont moins élevées que celles obtenues par les simples couches a-Si:H (Figure IV.3).
Conformément aux études menées dans le chapitre précédent, l‟usage des masques
métalliques provoque une dégradation des propriétés de passivation de surface des dépôts a-
Si:H. Lors des manipulations des substrats pour le positionnement des masques, la surface du
c-Si est probablement dégradée (oxyde natif, poussières). Cette dégradation peut
probablement être réduite en améliorant le procédé de nettoyage des substrats et des masques.
Nos résultats montrent que l‟ajout d‟une étape de bain HF supplémentaire entre le dépôt de la
couche (p) et celui de la couche (i) améliore effectivement les valeurs de eff des précurseurs
(Figure IV.4). Pour ne pas alourdir le procédé de fabrication, l‟ajout d‟une 3e étape de
nettoyage HF n‟est pas envisagé ici.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 138 -
1.3.2 Cartographies en durée de vie effective
Les mesures de durée de vie effective en fonction du niveau d‟injection, montrée dans
la partie précédente, expriment une valeur moyenne mesurée au centre des substrats. Elles ne
permettent donc pas d‟accéder à des valeurs locales de eff. Des cartographies en durée de vie
effective sont toutefois nécessaires pour l‟étude des dispositifs Si-HJ IBC où les couches sont
localisées. Ces cartographies peuvent être obtenues par des mesures µW-PCD. La Figure IV.5
montre différentes cartographies effectuées sur des précurseurs de cellules réalisés dans
différentes conditions.
Figure IV.5. Cartographies de durée de vie effective obtenues sur des précurseurs de cellule
Si-HJ IBC fabriquées (a) avec émetteur [L] et un seul nettoyage HF ; (b) avec émetteur [L] et
deux nettoyages HF; (c) avec émetteur [H] et deux nettoyages HF
Les deux premières cartographies (Figure IV.5-a et Figure IV.5-b) utilisent un pas de
mesure de 250 µm tandis que pour la dernière un pas de 125 µm est utilisé. Cette dernière
condition permet une plus grande netteté de la cartographie. Cependant, la résolution de cette
méthode de mesure est limitée par la taille du spot LASER (1 mm2) utilisé pour l‟excitation.
Même avec un pas très fin, la mesure locale est dépendante des recombinaisons dans toute la
zone excitée. Malgré cela, des informations importantes peuvent être tirées de ces mesures.
Au niveau des busbars, (en haut et en bas des cartographies) une valeur de eff plus
élevée qu‟au niveau des doigts est obtenue. Les zones de busbars ont une largeur de 3 mm.
Les doigts formant l‟émetteur et le BSF sont moins larges que les busbars, avec des zones
respectivement de 1.4 mm et 1.05 mm. Ceci montre que le procédé de localisation par
masques métalliques dégrade plus la passivation de surface des couches a-Si:H lorsqu‟elles
sont déposées à travers des ouvertures fines. Deux explications peuvent être avancées pour
expliquer ce phénomène. Des phénomènes parasites peuvent d‟abord apparaître sur le bord
des masques et dégrader la qualité des couches déposées. Ces phénomènes seraient
proportionnellement plus importants dans les zones étroites que dans les zones larges.
Ensuite, lors du positionnement des masques, il est difficile d‟éviter les frottements entre le
métal et le substrat. Ceci peut provoquer une plus grande densité de défauts à l‟interface dans
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 139 -
les zones détériorées. Dans les zones de doigts, trois étapes d‟alignement (émetteur, gap, BSF)
sont nécessaires, contre une seule au niveau des busbars. Ces différents alignements
augmentent la probabilité de détériorer la surface et donc de faire chuter la durée de vie
effective mesurée.
Les tendances observées précédemment sur la Figure IV.4 se retrouvent sur la Figure
IV.5. Le plus haut niveau de durée de vie effective est mesuré sur des structures Si-HJ IBC
fabriquées avec émetteur [L] et deux nettoyages HF. Les cartographies montrent quelques
inhomogénéités locales mais aucun défaut grave. Les précurseurs de cellule peuvent donc être
métallisés afin de fabriquer les dispositifs complets. Pour cela les étapes de dépôt des
électrodes (Al) sont nécessaires.
1.4 Métallisation des précurseurs de cellule
La métallisation des précurseurs représente une étape cruciale dans la réalisation des
dispositifs Si-HJ IBC. En effet, lors de cette étape le risque de court-circuiter la cellule est très
important. Après les dépôts Al, de nombreuses cellules montrent un comportement
photovoltaïque très mauvais et ce, malgré l‟augmentation de la valeur de tolérance entre les
dépôts pulvérisés à 150 µm (voir chapitre précédent). Certaines pseudo-caractéristiques J-V,
comme celles montrées sur la Figure IV.6, laissent apparaître un comportement représentatif
de cellules court-circuitées.
Figure IV.6. Pseudo-caractéristiques J-V de cellules Si-HJ IBC après métallisation,
mesurées par la méthode SunsVoc. La valeur de Jcc est fixée arbitrairement à 30 mA.cm-2
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 140 -
Sur les dispositifs métallisés, la présence de courts-circuits implique une chute notable
de la valeur du pseudo FF (PFF) mais également celle de la Vco. Ces courts-circuits
provoquent un échauffement local des dispositifs soumis au passage d‟un courant. Des
mesures de thermographie infrarouge (TIR) effectuées à l‟aide d‟une caméra adaptée peuvent
révéler ces différences de température. La Figure IV.7 montre des images TIR pour deux des
dispositifs présentés sur la Figure IV.6.
Figure IV.7. Images TIR des dispositifs Si-HJ IBC #1 (a) et #3 (b) après métallisation. Les
échelles correspondent à une tension, dépendant de l’échauffement local des dispositifs
Ces mesures révèlent bien la présence de nombreux courts-circuits, particulièrement
sur la cellule #1. Sur la cellule #3, un léger échauffement est constaté sur un des doigts du
BSF, mais ceci n‟empêche pas le dispositif de fonctionner correctement. La cellule #1 en
revanche, est totalement dégradée par les courts-circuits entre les zones d‟émetteur et de BSF.
Ces échauffements sont localisés sur une partie seulement de la cellule. Le problème semble
donc provenir d‟inhomogénéités dans les dépôts plutôt que de problèmes d‟alignement. Dans
ce dernier cas, les courts-circuits seraient visibles sur la totalité de la cellule. Les images MEB
(Figure IV.8) confirment effectivement la présence d‟inhomogénéités dans le dépôt d‟Al.
Figure IV.8. Image MEB (détail) d’une cellule Si-HJ IBC présentant des courts-circuits. À
gauche, la métallisation est bien localisée, mais à droite le dépôt n’est pas homogène
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 141 -
Les inhomogénéités constatées sur la Figure IV.8 proviennent très probablement d‟un
mauvais plaquage du masque pendant le dépôt d‟Al. Différentes configurations au niveau de
la disposition des aimants donnent les mêmes résultats aléatoires. Certaines cellules ont des
métallisations inhomogènes qui provoquent des courts-circuits, tandis que d‟autres
fonctionnent correctement. Il est possible que lors de la pulvérisation, des interactions entre
les aimants de maintien du masque et ceux du magnétron apparaissent.
Ces interactions sont difficilement maîtrisables et aucune solution testée ne permet
d‟éviter ces problèmes de courts-circuits. Dans la suite de l‟étude, c‟est ce mode de dépôt qui
est malgré tout utilisé, dans la mesure où une partie des cellules réalisées ne sont pas court-
circuitées. Cependant le remplacement de ces étapes de pulvérisation par un autre mode de
dépôt (évaporation, sérigraphie) permettrait probablement d‟améliorer la reproductibilité du
procédé de métallisation.
1.5 Caractérisation des premiers dispositifs
Cette partie détaille les différentes caractérisations effectuées sur les dispositifs Si-HJ
IBC non court-circuités après l‟étape de dépôt Al. La Figure IV.9 présente des images des
cellules fabriquées, avant et après clivage.
Figure IV.9. Photographies des cellules IBC Si-HJ expérimentales avant (a) et après (b)
clivage sur une surface de 25 cm2
Deux types de cellules sont ici caractérisées, les premières utilisant un émetteur [H],
les secondes un émetteur [L]. La première étape de caractérisation consiste à mesurer la
caractéristique J-V des cellules sous éclairement AM1.5, afin de déterminer leurs paramètres
électriques. Une étude des pertes résistives est ensuite effectuée par des mesures de pseudo
courbes J-V obtenues par SunsVoc. Enfin, des mesures de rendement quantique externe (RQE)
et LBIC sont nécessaires, afin de quantifier les pertes en courant dans les dispositifs.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 142 -
1.5.1 Paramètres électriques sous éclairement AM1.5
Les mesures J-V sous éclairement sont effectuées sur un socle de mesure spécialement
fabriqué pour les cellules IBC. Ce socle permet la prise de contact par quatre pointes, une
pour la tension et une pour le courant sur chaque busbar. Les cellules sont maintenues sur le
socle grâce à un système de vide. Dans les conditions standard, la mesure J-V sous
éclairement doit s‟effectuer à 25°C. Il est donc nécessaire de tempérer le socle et la cellule
mesurée qui sont soumis au rayonnement. Un système de refroidissement (circulation d‟eau)
permet le maintien du socle à 25°C lors de la mesure. La Figure IV.10 montre les courbes J-V
sous éclairement pour deux types de cellules Si-HJ IBC fabriquées.
Figure IV.10. Mesure J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ IBC utilisant un
émetteur de conductivité élevée (1.8x10-5
S.cm-1
[H]) ou faible (1.4x10-6
S.cm-1
[L])
Conformément aux résultats obtenus sur les cellules à émetteur inversé réalisées au
premier chapitre, l‟émetteur [L] permet d‟atteindre une valeur de Vco supérieure à celle
obtenue par l‟émetteur [H]. Un Vco de 648 mV est obtenu, ce qui constitue à notre
connaissance la valeur la plus élevée au niveau mondial. Il s‟agit en effet du plus haut Vco
atteint sur une cellule Si-HJ IBC n‟utilisant pas de couche a-Si:H (i) tampon en face arrière.
Cependant, l‟utilisation d‟un contact Al provoque ici, comme sur les cellules à émetteur
inversé, une courbe J-V en «S». L‟utilisation d‟un émetteur [H] supprime les problèmes de
contact, mais diminue légèrement la valeur de Vco obtenue.
Les valeurs de Jcc obtenues sur les deux types de cellules sont plus élevées que sur les
cellules à émetteur inversé. Un gain d‟environ 2 mA.cm-2
est en effet constaté, pouvant être
attribué à la différence de structure utilisée en face avant. Une couche a-Si:H de 8 nm
couverte de a-SiNx:H est ici utilisée contre une couche de 25 nm contactée par de l‟ITO puis
une grille métallique. Cette différence devrait toutefois permettre l‟obtention d‟une valeur de
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 143 -
Jcc supérieure à 30 mA.cm-2
sur les cellules Si-HJ IBC. De plus, l‟émetteur le plus conducteur
permet ici d‟obtenir un Jcc supérieur, contrairement à ce qui était constaté sur les cellules à
émetteur inversé. Ces résultats sont donc surprenants au premier abord. L‟allure des courbes
J-V des deux types de cellules Si-HJ IBC montre également un comportement inhabituel. Une
chute de la valeur du courant mesuré apparaît en effet dès les faibles tensions. Les valeurs de
FF obtenues sont donc faibles, de l‟ordre de 50 %.
Le modèle à deux diodes est couramment utilisé pour décrire le comportement des
cellules photovoltaïques. Selon ce modèle, l‟allure des courbes J-V sous éclairement obtenues
(Figure IV.10) peut s‟expliquer par différentes pertes résistives. Ces pertes peuvent être
théoriquement causées par une valeur importante de résistance série et une faible résistance
parallèle dans les dispositifs. Une faible valeur de résistance parallèle provoque en effet une
chute du courant dès les faibles tensions (proche Jcc), tandis qu‟une forte résistance série
diminue le courant aux fortes tensions (proche Vco) [Honsberg09]. Afin de déterminer les
contributions respectives de ces deux résistances parasites, des caractérisations plus poussées
de nos dispositifs sont nécessaires.
1.5.2 Caractérisation des pertes résistives
La mesure SunsVoc permet d‟obtenir une pseudo-courbe J-V qui ne tient pas compte
des phénomènes de résistance série dans le dispositif. Les pseudo-FF (PFF) calculés
dépendent donc uniquement d‟éventuels courts-circuits dans la cellule. La Figure IV.11
montre les pseudo-courbes J-V des dispositifs fabriqués précédemment.
Figure IV.11. Pseudo-courbes J-V sous éclairement, mesurées par SunsVoc, de cellules Si-HJ
IBC utilisant un émetteur [H] ou [L]
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 144 -
Ces résultats indiquent que les cellules fabriquées n‟ont pas de problèmes de courts-
circuits. Les valeurs de PFF obtenues sont en effet supérieures à 80 % pour les deux types de
dispositifs. Leurs performances semblent donc uniquement limitées par une importante
résistance série. Ceci est étonnant dans la mesure où, selon le modèle à deux diodes, la
résistance série influence la courbe J-V seulement pour des tensions proche du Vco. Et dans
notre cas les courbes J-V sont dégradées dès les faibles tensions.
L‟allure des courbes J-V sous éclairement obtenues ne s‟explique donc que
partiellement par la résistance série des cellules. L‟étude de leurs caractéristiques J-V à
l‟obscurité n‟ayant apporté aucune information complémentaire, d‟autres caractérisations
comme celle des pertes en courant doivent être envisagées.
1.5.3 Caractérisation des pertes en courant
Des indications sur le fonctionnement de nos dispositifs Si-HJ IBC expérimentaux
peuvent être obtenues par des caractérisations du courant collecté. Une mesure de réponse
spectrale et de réflectivité des dispositifs permet de remonter d‟abord à leur RQE puis à leur
RQI. L‟analyse de ces mesures est potentiellement une source d‟informations sur les origines
des recombinaisons dans les cellules PV.
La mesure de réponse spectrale est effectuée à faible éclairement (et donc faible
injection). Si la Seff en face avant est plus importante à faible injection qu‟à forte injection, la
mesure de RQE n‟est pas valable. L‟ajout d‟une source lumineuse supplémentaire ou « bias
light » lors de la mesure de réponse spectrale est alors nécessaire pour que le dispositif
fonctionne dans des conditions de forte injection, comparables à celles d‟un éclairement
AM1.5. Des études précédentes sur des cellules Si-HJ IBC ont montré l‟augmentation de la
Seff en face avant à faible éclairement [Lu07a]. Ce comportement est à éviter dans la mesure
où en réalité une cellule PV fonctionne souvent à faible éclairement.
Les mesures de RQE d‟une des cellules Si-HJ IBC expérimentale, avec et sans bias
light, ainsi que sa réflectivité, sont représentées sur la Figure IV.12. Ces résultats montrent
que les mesures du RQE avec et sans bias light sont similaires. L‟utilisation de la couche
dopée (n) comme FSF permet bien de garder une Seff en face avant limitée, même à faible
injection. Il s‟agit d‟un résultat important qui valide le choix effectué dans le deuxième
chapitre. Les cellules Si-HJ IBC réalisées dans cette étude semblent réellement adaptées à un
fonctionnement à faible éclairement.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 145 -
Figure IV.12. Rendement Quantique Externe (avec et sans bias light) et réflectivité mesurés
sur une cellule Si-HJ IBC avec émetteur [H] (Les mêmes tendances sont observées avec
émetteur [L])
Le RQE mesuré plafonne à 72 % alors qu‟il peut théoriquement approcher les 100 %
vers le minimum de réflectivité. Sur les structures IBC, cette faible valeur pourrait s‟expliquer
par une Seff trop élevée (≥ 100 cm.s-1
) en face avant. Cependant une telle Seff limiterait le Vco
en deça des valeurs obtenues expérimentalement (640 mV). Cette explication ne semble donc
pas valable pour nos dispositifs Si-HJ IBC. L‟allure du RQE en fonction de la longueur
d‟onde n‟apporte pas d‟informations supplémentaires sur d‟éventuelles recombinaisons
parasites. Les valeurs mesurées aussi bien aux faibles qu‟aux grandes longueurs d‟ondes ne
préjugent pas de la qualité de la face avant ou de la face arrière.
Ces mesures de RQE sont effectuées sur la globalité de la cellule. Pour avoir une
information locale sur la densité de courant photogénérée, des mesures LBIC sont nécessaires.
La Figure IV.13 montre la mesure LBIC effectuée sur la totalité d‟une cellule Si-HJ IBC
expérimentale avec émetteur [H]. La cartographie en photocourant effectuée montre de fortes
inhomogénéités entre les différentes zones de la cellule. La zone d‟émetteur collecte
correctement les porteurs, aussi bien au niveau des doigts que du busbar. En revanche, la
collecte est beaucoup moins efficace dans la zone de gap et sur les doigts du BSF. Le busbar
du BSF apparaît comme une zone inactive où aucun photocourant n‟est collecté. Dans les
zones où la collecte est faible, les porteurs photogénérés diffusent sur une certaine distance
appelée longueur de diffusion effective (Leff). Si la distance à parcourir par les porteurs pour
atteindre l‟émetteur est plus grande que Leff, ils recombinent sans participer au photocourant.
CHAPITRE IV 1. Fabrication de dispositifs Si-HJ IBC
- 146 -
Figure IV.13. (a) Cartographie LBIC d’une cellule Si-HJ IBC expérimentale, effectuée à une
longueur d’onde de 406 nm ; (b) valeurs de courant extraites d’une coupe transversale de
cette cartographie
La mesure LBIC peut s‟effectuer à différentes longueurs d‟onde (406, 852, 946 et 976
nm). La comparaison des mesures de photocourant effectuées par les plus grandes longueurs
d‟ondes permet le calcul de Leff. Sur nos dispositifs, ce calcul n‟est pas possible sur les zones
d‟émetteur mais uniquement sur les zones de BSF et de gap. Des valeurs d‟environ 200 µm
sont obtenues sur ces zones non actives, bien inférieures à leur largeur (1750 µm). Il est donc
normal qu‟un faible photocourant soit collecté sur ces zones. Cette faible valeur de Leff est
probablement due à d‟importants phénomènes de recombinaisons dans ces zones. Une
première explication viendrait de valeurs de Seff très élevées (≥ 100 cm.s-1
) entre les zones
d‟émetteur. Ces valeurs élevées seraient dues à une forte dégradation des propriétés de
passivation de surface des couches a-Si:H (i) et (n) lors des étapes de localisation. Les
caractérisations effectuées précédemment montrent en effet une chute de la durée de vie
effective dans les zones de BSF et de Gap. Cette dégradation est cependant limitée et ne peut
expliquer, à elle seule, la très faible valeur de Leff constatée.
À la longueur d‟onde de 406 nm, le rayonnement est principalement absorbé à
proximité de la face avant. Aux autres longueurs d‟ondes, l‟absorption est plus homogène
dans l‟épaisseur de la cellule. Si les recombinaisons en face avant sont très importantes, il est
donc possible d‟observer de grandes variations entre les cartographies effectuées à différentes
longueurs d‟ondes. Sur la cellule Si-HJ IBC caractérisée, les mêmes tendances sont observées
quelle que soit la longueur d‟onde choisie. Ceci confirme la qualité correcte de la structure de
passivation utilisée en face avant.
Les différentes caractérisations effectuées dans cette partie ne permettent pas
d‟expliquer l‟allure des courbes J-V, ni les faibles valeurs de Jcc obtenues. Afin d‟améliorer la
compréhension, et poursuivre l‟optimisation des cellules Si-HJ IBC, une étude des dispositifs
à l‟aide de modélisation 2D est nécessaire.
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 147 -
2. Optimisation des dispositifs à hétérojonctions silicium et
contacts en face arrière
Les dispositifs Si-HJ IBC réalisés expérimentalement souffrent de pertes importantes
au niveau des valeurs de FF et de Jcc. Différentes études de modélisation sont d‟abord
effectuées dans cette partie, afin de déterminer l‟origine des pertes constatées. La différence la
plus évidente entre les cellules Si-HJ standard et les structures Si-HJ IBC vient de la
géométrie des contacts. Sur les Si-HJ standard, les couches a-Si:H sont entièrement
contactées, alors que pour les IBC le contact est localisé sur une partie de l‟émetteur et du
BSF. L‟étude de modélisation est ici focalisée sur la géométrie des contacts et l‟influence du
dopage des couches a-Si:H (p) et (n).
Les résultats de ces études théoriques doivent permettre d‟expliquer nos premiers
résultats expérimentaux. Dans un deuxième temps, il est nécessaire de dégager des critères de
conception pour les dispositifs Si-HJ IBC. Les résultats des modélisations sont ensuite
vérifiés au niveau expérimental, dans le but d‟améliorer les performances des cellules Si-HJ
IBC.
2.1 Modélisation des dispositifs
2.1.1 Influence du dopage et de la largeur du contact sur le champ de surface
arrière
La largeur du contact sur le BSF est expérimentalement de 550 µm, soit environ la
moitié de la zone a-Si:H (n) formant le BSF. Les premières modélisations effectuées montrent
l‟influence de la largeur de ce contact sur les paramètres des cellules structures Si-HJ IBC
modélisées, pour différents dopages de la couche a-Si:H (n) (Figure IV.14).
Les deux paramètres testés ici n‟ont pas une grande influence sur les performances des
cellules Si-HJ IBC simulées. Un dopage faible du BSF a-Si:H (n) limite toutefois les
rendements obtenus, principalement à cause d‟une plus faible valeur de Jcc et de Vco. Cette
tendance s‟explique par le champ électrique plus faible, et donc la moins bonne passivation de
surface, obtenus avec des couches peu dopées.
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 148 -
Figure IV.14. Influence de la largeur du contact du BSF a-Si:H (n) sur les paramètres
électriques de cellules Si-HJ IBC simulées (éclairement AM1.5). Les symboles pleins, grisés
et vides correspondent à un dopage du BSF égal à 1x1020
, 1x1019
et 1x1018
cm-3
La largeur du contact sur le BSF a une légère influence sur les valeurs de FF obtenues.
Une variation d‟environ 1 % absolu est constatée entre un contact de 75 µm et celui de 475
µm, et ce quel que soit le dopage du BSF. Cette faible influence s‟explique probablement par
une participation de la base au transport des électrons (porteurs majoritaires). Ceci n‟est pas le
cas pour l‟émetteur dont le rôle est de collecter les porteurs minoritaires. Une fois ceux-ci
collectés, ils doivent s‟acheminer latéralement jusqu‟au contact. Une modélisation de
l‟influence du dopage et de la largeur du contact sur l‟émetteur est donc nécessaire.
2.1.2 Influence du dopage et de la largeur du contact sur l’émetteur
Dans la géométrie initialement utilisée pour la fabrication des cellules Si-HJ IBC, la
largeur du contact sur l‟émetteur est de 900 µm, soit 450 µm dans la simulation. Afin
d‟exprimer simplement la différence de largeur entre la couche a-Si:H formant l‟émetteur et
son contact, il est intéressant d‟utiliser la notion de fraction de contact. La fraction de contact
(F) est égale au rapport entre la largeur du contact et celle de la zone contactée. Pour les
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 149 -
dispositifs Si-HJ IBC caractérisés précédemment, la fraction d‟émetteur contactée (FEm) est de
0.64. Cela signifie que le contact recouvre seulement 64 % de l‟émetteur.
La valeur du dopage de l‟émetteur initialement utilisée dans notre modèle est de
3x1019
cm-3
. Elle correspond à une efficacité de dopage de 1/10 par rapport aux atomes B
effectivement présents dans le matériau a-Si:H (Chapitre I). L‟efficacité de dopage du a-Si:H
peut cependant être inférieure à cette valeur [Searle98]. La Figure IV.15 montre les courbes J-
V obtenues pour des structures Si-HJ IBC simulées (FEm = 0.64) avec des valeurs de dopage
de l‟émetteur inférieures à 3x1019
cm-3
. Les contacts modélisés étant ohmiques, aucune courbe
en « S » n‟est ici obtenue, même avec un dopage faible de l‟émetteur.
Figure IV.15. Courbes J-V sous AM1.5 de structures Si-HJ IBC simulées (FEm = 0.64) pour
différents dopages de l’émetteur
Ces résultats montrent que pour des valeurs de dopage inférieures à 3x1019
cm-3
, le
comportement de la courbe J-V est dégradé. Entre 3x1019
et 1x1019
cm-3
, la diminution du
dopage entraîne une chute importante du FF. En deçà de 1x1019
cm-3
, le FF ne varie plus,
mais c‟est alors la valeur de Jcc qui chute. La dégradation du FF observée dans ces simulations
est due à une chute du courant aux faibles tensions. Il s‟agit d‟un comportement similaire à
celui causé par une faible valeur de résistance parallèle.
Ces observations peuvent donc expliquer les tendances observées expérimentalement
avec les émetteurs de conductivité différentes (Figure IV.10). Ces résultats expérimentaux
montrent en effet une valeur de Jcc supérieure pour l‟émetteur [H] par rapport au [L], en
contradiction avec les résultats obtenus sur les cellules Si-HJ RE (Chapitre I). Les résultats de
modélisation montrent que pour les cellules Si-HJ IBC, un faible dopage de l‟émetteur peut
effectivement entraîner une diminution du Jcc obtenu. Selon ces résultats, les couches [H] et
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 150 -
[L] peuvent être modélisées par un dopage compris entre 8x1018
et 8.5x1018
cm-3
. Ces valeurs
correspondent respectivement à des efficacités de dopage d‟environ 8x10-2
et 2.8x10-2
,
inférieures à la valeur de 0.1 considérée initialement.
Il est nécessaire de préciser que les valeurs réelles du dopage effectif peuvent être
différentes des valeurs obtenues par la simulation. De plus, la modélisation des défauts
d‟interface (Dit = Dopage) utilisée nécessite une étude plus approfondie. En effet, au niveau
expérimental, un dopage plus important entraîne l‟augmentation des défauts dans la couche et
à l‟interface. Un plus fort dopage doit donc induire une chute du Vco. Or dans les simulations,
l‟effet de champ induit par un plus fort dopage compense l‟augmentation de la Dit. Avec notre
modèle, un Vco croissant est donc obtenu avec l‟augmentation du dopage.
Il semble que le comportement des cellules Si-HJ IBC expérimentales puisse
s‟expliquer par un dopage trop faible de l‟émetteur. Les dispositifs ne souffrent effectivement
pas d‟une résistance parallèle trop faible mais d‟un problème de conception de la face arrière.
Les couches a-Si:H constituant l‟émetteur sont très fines (25 nm) et peu conductrices. Leur
conductivité latérale est donc limitée, ce qui peut poser problème pour l‟acheminement des
charges collectées jusqu‟au contact. Pour un émetteur très dopé – donc très conducteur –, le
contact partiel n‟entraîne pas de pertes résistives. En revanche, la diminution du dopage
entraîne des pertes résistives, et fait également chuter le courant. Des simulations concernant
l‟influence de la fraction d‟émetteur contactée sont donc nécessaires.
La Figure IV.16 montre l‟influence de la FEm sur les courbes J-V de structures Si-HJ
IBC simulées, pour une valeur de dopage de l‟émetteur égale à 8.5x1018
cm-3
. Ces résultats
montrent que l‟augmentation de la valeur de FEm permet d‟atténuer et même d‟éliminer les
problèmes dus à l‟utilisation d‟un émetteur peu dopé. Des tendances similaires aux
précédentes peuvent être déduites de ces simulations. Avec ce dopage de 8.5x1018
cm-3
, une
FEm de 0.64 entraîne un faible FF ainsi qu‟un Jcc inférieur à 30 mA.cm-2
. L‟augmentation de la
FEm jusqu‟à 0.79 améliore la valeur du Jcc, mais pas celle du FF. Au-delà de 0.79, le Jcc est
constant mais le FF s‟améliore.
Ces phénomènes, dus à des pertes résistives dans l‟émetteur, provoquent une double
dégradation des courbes J-V. Le FF est d‟abord impacté par une chute du courant aux faibles
tensions, semblable à ce qui apparaît pour une valeur de résistance parallèle limitée. Une perte
en courant apparaît ensuite, probablement due à des phénomènes de recombinaison.
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 151 -
Figure IV.16. Courbes J-V sous AM1.5 de structures Si-HJ IBC simulées pour un dopage de
l’émetteur égal à 8.5x1018
cm-3
en fonction de la fraction d’émetteur contacté
Au premier abord, il n‟est pas possible d‟expliquer ces différents résultats à l‟aide du
modèle à deux diodes. Selon ce modèle, les problèmes de conductivité latérale provoquent
uniquement des pertes par résistance série. Cette résistance série impacte les courbes J-V
plutôt aux tensions proche du Vco, et ne dégradent pas la valeur de Jcc.
Ces phénomènes peuvent en fait s‟expliquer par une différence de potentiel trop élevée
dans les zones d‟émetteur non contactées [Aberle93]. Une chute de potentiel (ΔV) plus ou
moins importante apparaît dans l‟émetteur, sous illumination, en fonction de sa conductivité
latérale. Quand ce ΔV atteint des valeurs supérieures à quelques (kT/q), les phénomènes de
résistance série ne peuvent plus être représentés par le modèle à deux diodes. Il s‟agit alors de
résistance série « distribuée » dans le dispositif [Araujo86]. Elle n‟est plus modélisable par
une simple résistance en série avec les diodes. Cette résistance série distribuée peut non
seulement dégrader le FF des dispositifs, mais également diminuer le courant provenant des
zones éloignées du contact.
Une forte résistance série distribuée dans la cellule peut donc être responsable du
comportement inhabituel constaté sur les courbes J-V [Wolf63]. Dans notre cas, l‟émetteur a-
Si:H de type p est très résistif à cause de sa faible conductivité et son épaisseur réduite. Sous
illumination, un ΔV très important apparaît dans la zone non contactée. Cet aspect peut être
vérifié dans la simulation, comme le montre la Figure IV.17-a.
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 152 -
Figure IV.17. Influence de la fraction d’émetteur contactée sur (a) la différence de potentiel
ΔV; (b) le champ électrique latéral Ex ; (c) le taux de recombinaisons U. Ces valeurs sont
extraites à l’interface entre l’émetteur a-Si:H et le substrat c-Si de structures Si-HJ IBC
modélisées sous un éclairement AM1.5, à Vext = 0
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 153 -
La différence de potentiel augmente rapidement à proximité du contact (100 µm) puis
semble saturer. Un fort champ électrique latéral est donc induit dans ces 100 premiers
microns, puis le champ électrique décroît avec la distance au contact (Figure IV.17-b). Grâce
à ce champ électrique, à proximité du contact, les porteurs collectés dans la zone non
contactée peuvent être acheminés vers l‟électrode. À une plus grande distance du contact, le
champ électrique devient trop faible et les porteurs recombinent, comme le montre la Figure
IV.17-c.
Pour une FEm élevée (0.93), la quasi-totalité des porteurs collectés dans l‟émetteur sont
acheminés vers le contact sans pertes. Lorsque cette FEm diminue, les recombinaisons qui
apparaissent dans les zones non contactées font chuter la valeur de Jcc. Ces résultats peuvent
probablement expliquer les faibles valeurs de photocourant mesurées sur la Figure IV.13 entre
les zones d‟émetteur.
Pendant la mesure J-V sous éclairement, une tension extérieure (Vext) est imposée au
dispositif jusqu‟à atteindre le Vco. Cette tension directe réduit le ΔV et donc également le
champ électrique latéral dans les zones non contactées. L‟application d‟une tension directe
croissante au dispositif – comme c‟est le cas lors de la mesure J-V –, augmente donc les
phénomènes de recombinaisons dans ces zones. Ceci peut expliquer l‟allure des courbes J-V
obtenues, montrant une chute du courant croissante, dès les faibles tensions.
Pour conclure cette étude de modélisation, plusieurs aspects importants sont à
considérer dans l‟optimisation des cellules IBC Si-HJ :
Il apparaît d‟abord que la géométrie du contact sur le BSF joue un rôle limité et ce, quel
que soit le dopage du a-Si:H (n) utilisé. Il est donc possible de laisser une grande partie de
cette zone sans contact.
Le rôle du BSF étant de collecter les électrons (porteurs majoritaires), il peut être aidé
par le substrat pour remplir cette fonction.
L‟émetteur doit collecter les porteurs minoritaires sans l‟appui de la base c-Si. Si
l‟émetteur a-Si:H (p) est contacté localement, il doit être fortement dopé pour éviter les pertes
résistives, mais également les pertes en courant.
Un émetteur faiblement dopé, comme c‟est le cas expérimentalement pour nos couches
a-Si:H (p), doit être recouvert quasi-totalement par son contact.
Une mauvaise conception de l‟émetteur entraîne des pertes importantes à la fois sur la
valeur du Jcc mais également sur celle du FF des cellules Si-HJ IBC.
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 154 -
2.2 Fabrication de cellules à hétérojonctions silicium et contacts en
face arrière optimisées
Selon les résultats de modélisation montrés dans la partie précédente, il existe deux
moyens d‟améliorer les performances de nos cellules IBC Si-HJ. Le premier consiste à
augmenter le dopage et donc la conductivité de l‟émetteur. Comme nous l‟avons montré dans
le premier chapitre, ceci implique une augmentation du J0e et donc une chute du Vco des
dispositifs. La deuxième voie repose sur l‟augmentation de la fraction d‟émetteur contacté.
Expérimentalement, une plus grande valeur de FEm peut être obtenue en élargissant la zone de
contact. Ceci entraîne cependant un risque accru de court-circuiter le dispositif lors de l‟étape
de métallisation.
Un nouveau masque plus large est donc réalisé pour la métallisation de l‟émetteur. Il
permet une FEm de 0.79 contre 0.64 pour le masque utilisé précédemment. Avec cette nouvelle
valeur de FEm, il est possible de tester un contact plus large sur l‟émetteur sans trop augmenter
le risque de courts-circuits. À part ce paramètre, la géométrie des cellules IBC Si-HJ reste
inchangée par rapport aux dispositifs réalisés dans la première partie de ce chapitre. La Figure
IV.18 montre la courbe J-V sous éclairement AM1.5 de ce nouveau dispositif, ainsi que sa
pseudo courbe J-V.
Figure IV.18. Mesures J-V sous éclairement AM1.5 de cellules Si-HJ IBC utilisant un
émetteur de conductivité élevée (1.8x10-5
S.cm-1
[H]) pour deux valeurs de FEm
Conformément à nos attentes, les résultats obtenus avec les dispositifs Si-HJ IBC
utilisant une plus grande FEm sont meilleurs. Un rendement de 12.7% est atteint avec une FEm
de 0.79 contre 9.4% avec une FEm de 0.64. Ce résultat constitue, à notre connaissance, le
CHAPITRE IV 2. Optimisation des dispositifs Si-HJ IBC
- 155 -
meilleur résultat obtenu par des cellules Si-HJ IBC sur substrat de type n. Ceci est dû avant
tout à l‟amélioration de la valeur de Jcc (+ 5.6 mA.cm-2
). Les recombinaisons dans les zones
non contactées ont donc effectivement un impact énorme sur le courant collecté.
Le FF est également légèrement amélioré, ce qui peut difficilement être attribué à la
valeur de FEm plus élevée. Les modélisations montrent en effet que le FF ne s‟améliore que
pour des valeurs supérieures à 0.79. Cette amélioration est donc probablement due à la largeur
plus importante de l‟électrode Al qui diminue la résistance série du dispositif.
La Vco, ainsi que le PFF, sont quant à eux inférieurs aux valeurs obtenues
précédemment. L‟augmentation de la largeur du contact engendre une probabilité de court-
circuit plus importante, ce qui pourrait expliquer une plus faible valeur de résistance parallèle
et donc un PFF plus faible. Une dégradation de la qualité des couches a-Si:H déposées, ou de
l‟interface a-Si:H / c-Si, explique probablement la Vco légèrement inférieure aux valeurs
précédentes.
Ces résultats confirment l‟importance de la conception de l‟émetteur pour les cellules
Si-HJ IBC. Le rendement obtenu dans ce travail est élevé par rapport aux autres réalisations
expérimentales sur substrat de type n. Cependant il reste très faible par rapport au rendement
théorique maximal des cellules Si-HJ IBC. Les dispositifs réalisés doivent encore être
améliorés, notamment au niveau de la valeur de FF. Pour cela, il est nécessaire d‟augmenter la
FEm ainsi que l‟épaisseur des métallisations.
CHAPITRE IV Conclusions
- 156 -
Conclusions du Chapitre IV
Ce dernier chapitre constitue l‟aboutissement des travaux effectués lors de cette thèse.
Des dispositifs Si-HJ IBC ont pu être fabriqués à l‟aide des différents procédés et
empilement développés dans les chapitres précédents. L‟influence de l‟utilisation de masques
métalliques dans le procédé de fabrication complet a été étudiée. Ces masques métalliques
provoquent des pertes en passivation de surface lors des dépôts a-Si:H. Ces pertes peuvent
être réduites par l‟ajout d‟une étape de nettoyage dans le procédé. D‟autre part, leur utilisation
peut être problématique lors des étapes de métallisation par pulvérisation. Des courts-circuits
apparaissent de manière aléatoire sur les dispositifs fabriqués, empêchant leur fonctionnement
optimal.
Malgré ces imperfections, des cellules Si-HJ IBC fonctionnelles ont pu être fabriquées
et caractérisées. L‟influence du dopage de l‟émetteur a été étudiée expérimentalement dans un
premier temps. Avec un faible dopage, un Vco de 648 mV a été obtenu, constituant un record
mondial pour des cellules Si-HJ IBC n‟utilisant pas de couche a-Si:H (i) tampon en face
arrière. Ce faible dopage provoque, comme pour les cellules à émetteur inversé, une courbe J-
V en « S ». Avec un dopage plus élevé, une valeur de Jcc plus élevée est obtenue. Pour les
deux valeurs de dopages testées, les courbes J-V ont une allure dégradée. Une chute du
courant apparaît dès les faibles tensions, caractéristique selon le modèle à deux diodes d‟une
faible valeur de résistance parallèle. Pourtant le PFF des cellules caractérisées est supérieur à
80 %, et les dispositifs ne sont pas court-circuités.
La compréhension de ces résultats a été possible grâce à la modélisation en deux
dimensions des dispositifs. Nous avons pu montrer qu‟un faible dopage de l‟émetteur et/ou
un contact trop réduit sur cet émetteur provoque un effet similaire. Une mauvaise conception
de l‟émetteur et de son contact peut, en effet, entraîner des pertes résistives « distribuées ».
Ces pertes provoquent dans un premier temps une chute du FF, puis une chute du Jcc. Des
phénomènes de recombinaisons dans les zones non contactées sont à l‟origine de ces pertes.
Enfin, une première optimisation des dispositifs Si-HJ IBC a été effectuée. Des
cellules de 25 cm2 ont atteint un rendement de 12.7 %. Ceci confirme la validité de nos
modélisations et constitue, à notre connaissance, la meilleure performance au niveau mondial
pour des cellules Si-HJ IBC sur substrat de type n. Ce rendement est toutefois limité par de
nombreux paramètres, liés à la géométrie des dispositifs expérimentaux.
- 157 -
CHAPITRE V : DISCUSSION SUR LES PARAMÈTRES
LIMITANTS
Malgré un rendement théorique potentiellement supérieur à 25%, les structures Si-HJ
IBC réalisées dans cette étude sont soumises à différentes limitations expérimentales. Ce
chapitre traite de ces limitations, d‟abord au niveau des empilements (a-Si:H / contact) pour
l’émetteur et le BSF. Différentes voies d‟amélioration des couches a-Si:H, ainsi que des
matériaux de contacts, sont envisagées.
Les moyens d‟améliorer la structure en face avant sont ensuite étudiés. Une
première partie est focalisée sur l‟amélioration de la face avant réalisée à basse température.
Une seconde partie envisage les possibilités de fabriquer cette face avant en utilisant des
étapes à haute température, comme des diffusions thermiques.
Enfin, différentes solutions sont envisagées pour optimiser la géométrie des cellules
Si-HJ IBC. Les différentes contraintes expérimentales rencontrées, ainsi que leurs effets, sont
analysés. Jusqu‟ici, les travaux effectués dans cette étude n‟ont concerné que les aspects 2D
des dispositifs Si-HJ IBC. Une partie de ce dernier chapitre est donc consacrée aux aspects
3D, à prendre en compte par la suite pour atteindre les hauts rendements.
CHAPITRE V 1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium
- 158 -
1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction
silicium
L‟émetteur et le contact ohmique des cellules Si-HJ IBC doivent répondre à des
exigences spécifiques à cette structure. Leur amélioration est possible via l‟optimisation des
couches a-Si:H, mais également grâce à l‟utilisation de matériaux de contacts adaptés.
1.1 Couches a-Si:H
Dans notre étude, des couches a-Si:H dopées ont été utilisées pour la réalisation de
l‟émetteur et du BSF. Des valeurs de Vco de l‟ordre de 650 mV ont été obtenues sur certains
dispositifs Si-HJ IBC. Ces valeurs élevées sont permises par l‟utilisation de couches peu
dopées, donc moins recombinantes. En revanche, ces couches étant peu conductrices, des
pertes résistives peuvent apparaître, en particulier au niveau du contact. Une diminution plus
importante du dopage des couches a-Si:H est donc difficilement envisageable dans la mesure
où cela entraîne des pertes résistives supplémentaires.
Afin d‟améliorer le Vco sans provoquer de pertes résistives, l‟insertion d‟une couche a-
Si:H tampon entre le substrat c-Si et les couches dopées est nécessaire. Cette couche tampon
peut être constituée de a-Si:H [Ide08], pm-Si [Ribeyron06], ou encore a-SiOx:H [Mueller08],
non dopé. Des valeurs de Vco proches de 700 mV sont en effet obtenues sur des dispositifs Si-
HJ IBC utilisant une couche tampon constituée d‟a-Si:H (i) en face arrière [Lu07b] [Tucci08].
Dans ce cas, la couche (i) doit être optimisée différemment de celle utilisée en face avant des
cellules Si-HJ standard [Lu07b]. Cette différence pourrait être attribuée au fait qu‟en face
arrière, la couche (i) est dans l‟obscurité alors qu‟en face avant elle est éclairée. Or, la
conductivité du a-Si-H (i) dépend fortement de l‟éclairement. Une couche (i) adaptée pour la
face avant peut donc provoquer des pertes résistives si elle est utilisée en face arrière.
Des résultats de modélisation montrent que, dans le cas de l‟émetteur a-Si:H (p) utilisé
en face arrière, la couche tampon peut être optimisée de différentes manières [Lu08]. Deux
paramètres semblent en effet influencer les pertes résistives dues à la couche a-Si:H tampon:
son épaisseur et son énergie de gap. Selon ces résultats, une faible épaisseur et / ou une faible
énergie de gap de la couche tampon limiteraient les pertes résistives. Une mauvaise
optimisation de cette couche implique une faible valeur de FF sur les cellules Si-HJ IBC. Il
apparaît également qu‟un très léger dopage de la couche a-Si:H tampon peut améliorer sa
conduction, et donc limiter les pertes résistives occasionnées. Ce léger dopage provoque en
revanche une chute de la passivation de surface.
Au niveau expérimental, l‟insertion d‟une même couche tampon sous les zones a-Si:H
(n) et (p) constitue une option particulièrement intéressante (Figure V.1). En effet, le dépôt de
CHAPITRE V 1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium
- 159 -
cette couche s‟effectuerait sans masque métallique et permettrait de protéger la surface arrière
avant la manipulation des masques.
Figure V.1. Structure schématique de dispositifs Si-HJ IBC avec une unique couche
tampon en face arrière
La détermination d‟une couche tampon de passivation adaptée à la fois à la couche (n)
et (p) constituerait donc une étude intéressante pour augmenter le Vco des cellules Si-HJ IBC.
Comme indiqué sur la Figure V.1, cette couche tampon ne permettrait probablement pas de se
passer de la couche de passivation dans le gap. En effet pour éviter les pertes résistives, la
couche tampon doit nécessairement être fine (≤ 5 nm). Avec une telle épaisseur, sa Seff est
probablement trop élevée pour l‟appliquer, seule, dans la zone de gap. Le dépôt d‟une couche
a-Si:H (i) supplémentaire est alors nécessaire pour diminuer cette Seff.
L‟insertion d‟une couche tampon permettrait donc d‟améliorer la passivation de
surface des empilements dans les zones émetteur et BSF. Un travail est également nécessaire
pour diminuer les pertes résistives dans les couches et au contact. Pour cela, la fabrication de
couches micro- ou nano-cristallines semble une option intéressante. Ces couches peuvent en
effet être obtenues soit par des conditions de dépôt adaptées (dilution H2 [Rostan06]) ou alors
après dépôt, par traitement LASER [Wu09]. Avec ces couches très conductrices, une plus
grande tolérance dans le choix du matériau de contact est théoriquement possible.
1.2 Matériaux de contact
Les contacts sur l‟émetteur et le BSF des cellules Si-HJ IBC sont localisés et ne
recouvrent donc pas toute la surface, au contraire des cellules Si-HJ standard. Ces contacts se
présentent sous la forme de peignes interdigités d‟environ 1 mm de large ou moins. Ceci
entraîne, pour les matériaux de contact utilisés, une double exigence pour ne pas causer de
pertes résistives. Ils doivent d‟abord limiter au maximum la résistivité spécifique du contact
avec le a-Si:H ( c). De plus, leur conductivité doit être assez élevée pour acheminer les
charges collectées jusqu‟aux busbars.
CHAPITRE V 1. Émetteurs et contacts ohmiques par hétérojonction silicium
- 160 -
Il est possible d‟envisager la fabrication d‟une double couche pour réaliser ce contact.
La première couche (ou couche d‟ « accroche ») est optimisée pour limiter c et faciliter
l‟adhérence d‟une deuxième couche. Celle-ci permet l‟épaississement des métallisations
jusqu‟à obtenir une conduction suffisante, elle-même fonction de la géométrie du dispositif.
Cet épaississement est envisageable par sérigraphie, mais la méthode de recharge
électrolytique semble plus adaptée. Il s‟agit d‟un aspect critique pour diminuer la résistance
série des métallisations sur des cellules IBC de grande surface.
L‟influence de l‟épaisseur des métallisations sur la résistance série de cellules IBC est
visible sur la Figure V.2, pour différentes longueurs de cellules. Les modèles utilisés ici sont
les mêmes que dans le Chapitre III [Nichiporuk05].
Figure V.2. Influence de l’épaisseur de métal sur la résistance série modélisée des
métallisations d’une cellule Si-HJ IBC, en fonction de la taille des dispositifs
Ces résultats montrent que pour atteindre de hautes valeurs de FF (Rsérie ≤ 0.5
Ohm.cm2) sur des substrats de 12.5 cm de long, des métallisations épaisses de plus de 25 µm
sont nécessaires. Dans notre cas (cellules de 5 cm de long), il faudrait une épaisseur de 6 µm
au lieu des 3 µm utilisés jusqu‟à maintenant.
Expérimentalement, l‟utilisation d‟un même matériau de contact sur l‟émetteur et le
BSF devrait être privilégiée. Si les couches minces formant les zones dopées sont très
conductrices, cela doit être envisageable. En effet, dans ce cas le choix du matériau de contact
est théoriquement moins important que sur des zones peu dopées. Des précautions
particulières doivent cependant être prises dans le cas du a-Si:H (n) qui a tendance à réagir
plus facilement avec un contact métallique [Wang08] qu‟un matériau de type p.
CHAPITRE V 2. Structure de la face avant
- 161 -
2. Structure de la face avant
Dans notre étude, le dispositif Si-HJ IBC devait être entièrement réalisé à basse
température (≤ 200°C). Cette contrainte est utile pour apporter de la flexibilité dans l‟ordre
des étapes du procédé. La fabrication de la face avant peut alors théoriquement se faire
aléatoirement durant le procédé. Ceci permet également de limiter le budget thermique global.
L‟optimisation de la face avant vise à diminuer au maximum les recombinaisons de surface,
tout en améliorant la transmission effective du rayonnement incident dans le dispositif.
L‟empilement utilisé dans cette étude atteint une Seff de 25 cm.s-1
et une Teff de 85%. Ces
valeurs doivent être améliorées, éventuellement à l‟aide d‟étapes à haute température. En effet
avec une Seff de 5 cm.s-1
et une Teff de 95 %, la valeur de Jcc obtenue passerait théoriquement
de 33.4 mA.cm-2
à plus de 39 mA.cm-2
.
Comme nous l‟avons montré à l‟aide des simulations, la conduction latérale dans le
substrat est un paramètre influent sur le FF des cellules IBC. Elle dépend particulièrement de
l‟épaisseur et du dopage du substrat. Pour des substrats minces et / ou peu dopés, il est
également intéressant que la structure de la face avant améliore la conduction latérale du
substrat.
2.1 Face avant réalisée à basse température (≤ 200°C)
Nous avons montré dans le deuxième chapitre qu‟il est difficile d‟obtenir un matériau
a-SiNx:H, a-SiCx:H ou ITO, déposé à une température inférieure à 200°C, adapté à une
utilisation en face avant. Une étude plus approfondie serait bien entendu nécessaire, avec
d‟autres conditions de dépôts et d‟autres matériaux. Cependant, aucun matériau testé n‟a
permis d‟atteindre à la fois un confinement optique idéal et une passivation de surface
excellente. Dans nos travaux, l‟utilisation d‟une double couche a été privilégiée: un premier
matériau a-Si:H pour passiver la surface, et un second pour le confinement optique.
L‟épaisseur de la couche a-Si:H est alors soumise à un compromis entre son
absorption et ses propriétés de passivation de surface. Une épaisseur d‟environ 8 nm semble
être un minimum pour obtenir une faible valeur de Seff. L‟absorption dans cette couche est
loin d‟être négligeable et provoque une perte sur la valeur du Jcc supérieure à 1 mA.cm-2
. Pour
diminuer l‟absorption dans cette couche de passivation, il est possible d‟augmenter son
énergie de gap. Pour cela, l‟insertion d‟atomes d‟oxygène ou de carbone dans le a-Si:H peut
être envisagée [Mueller08]. L‟utilisation d‟oxyde d‟aluminium fabriqué par ALD (Atomic
Layer Deposition) est également une voie à explorer. Il s‟agit d‟un matériau très transparent
aux longueurs d‟ondes correspondant à la lumière visible. De plus, des couches de 7 nm
d‟Al2O3 déposées à 200°C permettent d‟obtenir des Seff de 5 cm.s-1
[Hoex06].
CHAPITRE V 2. Structure de la face avant
- 162 -
Afin d‟augmenter la conductivité latérale de la base, il est théoriquement possible
d‟utiliser une structure en face avant constituée d‟un empilement a-Si:H (n) / OTC. Cependant
cette structure se rapproche de celle utilisée sur les dispositifs Si-HJ standard, causant des
pertes par absorption dans les deux couches. Un OTC comme l‟ITO devient plus transparent
s‟il est moins conducteur [Damon-Lacoste07]. Par rapport à la structure standard, il est
possible dans le cas des IBC d‟utiliser un OTC moins conducteur. En effet, pour les IBC, une
résistance par carré de 150 Ohms par carré semble suffire. Cette valeur doit être inférieure à
50 Ohms par carré pour les Si-HJ standard. Ceci pourrait permettre de limiter les pertes par
absorption dans cette structure de face avant conductrice, réalisée à basse température.
2.2 Face avant réalisée à haute température (≥ 200°C)
La face avant des cellules IBC à homojonctions est typiquement constituée d‟un léger
dopage thermique recouvert d‟une couche de confinement optique. Cette structure possède
deux avantages, l‟un du point de vue des pertes en courant, l‟autre au niveau des pertes
résistives.
Le dopage thermique permet d‟abord de diminuer la contrainte sur la vitesse de
recombinaison de surface. L‟effet de champ induit par ce dopage diminue fortement la
probabilité que les porteurs recombinent en surface. La couche de confinement optique
utilisée peut donc être optimisée presque uniquement sur ses propriétés optiques. Ainsi pour
éviter toute perte par recombinaisons en face avant, une vitesse de recombinaison de surface
inférieure à 1000 cm.s-1
est nécessaire avec dopage thermique. Sans dopage thermique, cette
vitesse doit être fortement réduite, en deçà de 20 cm.s-1
, pour ne pas dégrader les
performances des cellules IBC [Granek08b].
Ensuite, ce dopage de surface, du même type que celui du substrat, permet
d‟augmenter sa conduction latérale. Contrairement à la structure à basse température utilisant
un OTC, cette augmentation ne se fait pas au détriment des propriétés optiques de la face
avant. En effet la zone dopée est ici quasi-transparente, grâce à son pic de dopage à 5x1018
cm-3
et une profondeur de jonction de 1.4 µm. Ce genre de profil « léger » provoque peu de
recombinaisons additionnelles dans le substrat c-Si.
Pour toutes ces raisons, il est intéressant d‟envisager la fabrication de la structure en
face avant à l‟aide d‟étapes à haute température. Une simple diffusion n+ au début du procédé,
limitée à la face avant, pourrait à la fois améliorer la conductivité du substrat et diminuer la
contrainte sur la vitesse de recombinaison en surface. Ces améliorations peuvent être
effectuées sans dégrader les propriétés optiques de la structure en face avant. Par exemple,
une Teff supérieure à 93 % peut être obtenue à l‟aide d‟un procédé haute température avec une
surface texturée [McIntosh03].
CHAPITRE V 3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication
- 163 -
3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication
La géométrie du dispositif et son procédé de fabrication sont intimement liés. La
géométrie des cellules Si-HJ IBC fabriquées dans cette étude doit être à la fois optimisée et
simplifiée afin de réduire le nombre d‟étapes de fabrication. Ces optimisations sont soumises
à certaines contraintes expérimentales qui doivent être discutées. De plus, notre étude s‟est
focalisée sur les aspects 2D du fonctionnement des dispositifs IBC. Les aspects 3D, comme
l‟influence des busbars ou des bords de la cellule, ne doivent cependant pas être négligés. Ils
prennent en effet une importance croissante lorsqu‟on s‟approche des hauts rendements.
3.1 Contraintes expérimentales et optimisation de la géométrie
En utilisant notre procédé de fabrication, plusieurs contraintes sont à prendre en
compte pour optimiser la géométrie du dispositif:
Des tolérances existent entre les différents alignements. Elles dépendent des procédés
de localisation et de dépôt utilisés. Plus la valeur de tolérance est faible, plus le dispositif peut
atteindre les hauts rendements.
Plus la géométrie de la face arrière est complexe, plus elle nécessite d‟étapes de
localisation. À chaque localisation est ajoutée une tolérance, ce qui augmente la largeur du
dispositif unitaire et peut réduire ses performances.
L‟émetteur doit être recouvert quasi totalement par son électrode de contact pour éviter
les pertes dans les zones non contactées. Cet aspect est primordial pour atteindre de hautes
valeurs de FF, mais aussi de Jcc.
Toutes les couches a-Si:H sont déposées par PECVD en premier. Le dépôt des contacts
(Al, ITO) est effectué ensuite pour éviter d‟introduire des contaminants dans la chambre
PECVD. Des simplifications du procédé seraient possibles en ayant la possibilité de déposer
des contacts avant le dépôt de toutes les couches a-Si:H.
Les étapes de dépôt des contacts sont cruciales car elles peuvent entraîner des courts-
circuits sur les dispositifs. Le procédé de métallisation doit donc être totalement fiable et
reproductible.
Le Tableau 24 résume les différents aspects de la structure, avec leur influence sur les
paramètres électriques des dispositifs Si-HJ IBC. Les tendances décrites correspondent à une
augmentation de la valeur du paramètre géométrique considéré.
CHAPITRE V 3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication
- 164 -
Tableau 24. Influence des aspects géométriques sur les paramètres électriques des
cellules Si-HJ IBC
Paramètres géométriques
Paramètres électriques
Vco Jcc FF
Tolérance entre les dépôts ≈ ↓ ↓
Largeur de l‟émetteur ↓ ↑ ↓
Largeur non contactée de l‟émetteur ≈ ↓↓ ↓↓
Largeur du BSF ≈ ↓ ↓
Largeur non contactée du BSF ≈ ≈ ↓
Épaisseur des métallisations ≈ ≈ ↑
Largeur du Gap ≈ ↓ ↓
Seff en face avant ↓ ↓↓ ≈
Teff en face avant ≈ ↓ ≈
Épaisseur du substrat ↑ ↓ ↓
Épaisseur couche tampon en face arrière ↑↑ ↑ ↓
Une première simplification de la géométrie consisterait à supprimer la couche a-Si:H
(i) dans le gap. En effet la conductivité des couches a-Si:H dopées est beaucoup plus faible
que celle des zones c-Si dopées. Sur les structures Si-HJ IBC, il est donc envisageable de
mettre en contact les zones a-Si:H formant l‟émetteur et le BSF [Lu07b]. Le dispositif unitaire
ainsi obtenu est schématisé sur la Figure V.3. Il permettrait à la fois la réduction du nombre
d‟étapes de procédé et le recouvrement quasi-total de l‟émetteur a-Si:H (p).
Figure V.3. Structure schématique de dispositifs Si-HJ IBC sans séparation (gap) entre
l’émetteur et le BSF a-Si:H en face arrière
CHAPITRE V 3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication
- 165 -
Plusieurs aspects sont à étudier pour valider la faisabilité de cette structure. Le premier
aspect consiste à assurer la stricte localisation du contact de l‟émetteur. En effet sur ces
cellules le contact de l‟émetteur se trouve à proximité immédiate de la zone de BSF. Or si le
contact entre a-Si:H (n) et a-Si:H (p) peut être sans conséquence, celui entre la métallisation
de l‟émetteur et le a-Si:H (n) doit être absolument évité. L‟autre point important à étudier est
le comportement de la partie d‟émetteur a-Si:H (p) recouvrant le BSF a-Si:H (n). Il faudrait
évaluer à l‟aide de modélisations, mais également au niveau expérimental, si des
recombinaisons non désirées peuvent apparaître dans cette zone.
D‟autres manières de simplifier la géométrie de la structure, ainsi que son procédé de
fabrication, ont été proposées dans d‟autres travaux. La première est permise par des étapes de
gravure sèche à travers un masque métallique [Tucci07]. La deuxième consiste à utiliser la
métallisation d‟une première zone comme masque pour la localisation de la deuxième zone
[Stangl07]. Ces options très intéressantes mériteraient également d‟être étudiées par la suite.
3.2 Problématiques 3D
Dans notre étude, les pertes attribuées aux aspects 2D ont été clairement identifiées. Il s‟agit
des recombinaisons en surface et en volume, de pertes optiques par réflexion en face avant et
en face arrière, ainsi que des recombinaisons dans l‟émetteur si sa conception n‟est pas
optimisée. À ces limitations s‟ajoutent également deux autres sources de pertes, dues aux
aspects de la géométrie non pris en compte dans la structure unitaire 2D. Des pertes peuvent
en effet apparaître dans les zones de busbars, ainsi que des bords des cellules, où la géométrie
n‟est pas comparable à celle de la structure unitaire.
3.2.1 Zones de busbar
Les cartographies de courant photogénéré (LBIC) effectuées sur nos dispositifs Si-HJ
IBC montrent que la zone formée par le busbar du BSF est inactive (Chapitre IV). Les
porteurs excités au dessus de cette zone ont en effet une distance trop importante à parcourir
avant d‟atteindre l‟émetteur. Ils recombinent donc avant de pouvoir être collectés. Cet aspect
se retrouve dans d‟autres études [Hermle08], et implique la nécessité de réduire au maximum
la largeur de ce busbar.
En ce qui concerne le busbar de l‟émetteur, il s‟agit d‟une zone qui collecte
parfaitement les porteurs minoritaires. En revanche ici la conduction des porteurs majoritaires
peut poser problème pour une grande largeur du busbar. Des pertes au niveau du FF de la
cellule peuvent alors apparaître. L‟utilisation d‟un substrat très dopé permettrait de limiter les
pertes occasionnées par un busbar trop large [Hermle08]
CHAPITRE V 3. Géométrie du dispositif et procédé de fabrication
- 166 -
3.2.2 Recombinaisons sur les bords des cellules
Les recombinaisons sur les bords des cellules ont une influence d‟autant plus grande
que celles-ci sont de taille réduite. Par exemple, pour des dispositifs IBC à homojonctions de
4 cm2, les pertes dues à ce phénomène entraînent une chute du rendement de 1.5% absolu
[Verlinden97]. Pour une surface de 25 cm2, ces recombinaisons jouent un rôle moins grand,
mais sont loin d‟être négligeables. Dans notre cas, un procédé de gravure LASER est utilisé
pour amorcer le clivage des cellules. La Figure V.4 montre les défauts qui apparaissent après
ce clivage. La surface du c-Si ainsi que les couches a-Si:H se situant à proximité de la gravure
LASER apparaissent dégradées.
Figure V.4. Photographie des bords d’une cellule Si-HJ IBC expérimentale, après clivage
Il existe quatre possibilités pour réduire les pertes par recombinaisons sur les bords des
cellules IBC [Verlinden97]:
1. Passiver la surface du c-Si sur les bords du dispositif
2. Provoquer l‟ombrage des bords de la cellule lors de la mise en module
3. Réduire la concentration de porteurs sur les bords par une géométrie appropriée
ou par l‟usage d‟un substrat très dopé
4. Augmenter la taille des cellules pour que ces recombinaisons soient négligeables
La première solution semble difficile à mettre en œuvre, et la seconde implique une
perte de surface active au niveau du substrat c-Si. La troisième possibilité nécessite une étude
approfondie à l‟aide de modélisations. La fabrication de dispositifs de grande taille semble
être la méthode la plus simple pour limiter ces pertes. Ceci doit être envisagé pour atteindre
les très hauts rendements avec des dispositifs Si-HJ IBC.
CHAPITRE V Conclusions
- 167 -
Conclusions du Chapitre V
Ce cinquième chapitre a permis de mettre en avant les principales limitations
expérimentales des cellules IBC Si-HJ. Ces limitations dépendent de la géométrie choisie en
face arrière, mais également de la structure de la face avant.
L’insertion d’une couche a-Si:H tampon entre le substrat c-Si et les couches dopées
apparaît nécessaire pour atteindre des hautes valeurs de Vco. Des études sur la possibilité
d‟utiliser cette couche, sous un émetteur a-Si:H (p) situé en face arrière, sont envisageables.
Ensuite, il faut déterminer si une même couche tampon peut être utilisée à la fois sous les
couches a-Si:H (p) et a-Si:H (n). Cette couche tampon pourrait alors être déposée en face
arrière avant toute étape de localisation.
Afin de limiter les pertes en Jcc, une amélioration de la structure en face avant est
primordiale. L‟utilisation d‟un matériau comme l‟Al2O3 constitue une alternative intéressante
au a-Si:H comme couche mince de passivation. Il serait également intéressant d‟utiliser un
léger dopage thermique en face avant, réalisé à haute température. Ceci permettrait d‟utiliser
une seule couche anti-reflet, optimisée pour ses propriétés optiques plus que pour sa capacité
à passiver la surface. Ce dopage thermique pourrait également améliorer la conduction
latérale des substrats c-Si minces.
Enfin, la géométrie de la face arrière doit être optimisée et simplifiée. Ces
optimisations doivent permettre principalement :
1. Un contact recouvrant la quasi-totalité de l‟émetteur
2. Un nombre limité d‟étapes de fabrication
3. La possibilité de fabriquer des cellules de grande taille
Une structure Si-HJ IBC sans couche de passivation dans le gap a été proposée.
Elle répond aux critères évoqués ci-dessus et permettrait probablement d‟améliorer les
performances obtenues. Des incertitudes existent cependant sur son fonctionnement réel,
nécessitant des études expérimentales et de modélisation.
CONCLUSION GÉNÉRALE
- 169 -
CONCLUSION GÉNÉRALE
Ces travaux ont permis de développer un procédé de fabrication de cellules PV à
hétérojonctions silicium et contacts en face arrière. Avant cette étude, un savoir-faire
important existait sur les cellules à hétérojonction ainsi que sur les structures à contacts en
face arrière. Nous nous sommes basés sur ce savoir-faire pour développer un dispositif
nouveau combinant les deux technologies sur des substrats c-Si de type n. Ce développement
s‟est effectué dans le cadre du projet ANR QCPASSI dont le plan de travail nous a guidé dans
l‟organisation des recherches. La structure de ce projet a en effet influencé la méthodologie
utilisée pour développer les cellules Si-HJ IBC dans ces travaux. Nous avons d‟abord réalisé
des émetteurs et contacts ohmiques adaptés à la face arrière de cellules Si-HJ. Ensuite, des
études spécifiques à la géométrie de la face avant, puis de la face arrière ont été menées.
Enfin, des dispositifs Si-HJ IBC fonctionnels ont pu être fabriqués, caractérisés, et optimisés à
l‟aide de modélisations 2D.
1. Émetteurs et contacts ohmiques
Différents empilements (a-Si:H dopé / matériau de contact) ont été étudiés pour être
appliqués comme émetteur ou BSF des cellules Si-HJ IBC. La recherche d‟un compromis
entre propriétés de passivation et propriétés de conduction semble devoir guider
l‟optimisation des couches a-Si:H dopées. Dans le cas du a-Si:H (p), plus la couche est
conductrice, plus son J0e augmente. Des cellules à émetteur inversé ont pu être fabriquées
pour optimiser l‟empilement formant l‟émetteur. Un matériau a-Si:H (p) de conductivité
supérieure à 1x10-5
S.cm-1
permet de limiter les pertes résistives dans l‟émetteur ainsi qu‟au
niveau du contact. L‟utilisation d‟un matériau de conductivité plus faible provoque
l‟augmentation de ces pertes résistives. Avec un émetteur a-Si:H (p) moins conducteur (1x10-6
S.cm-1
), l‟influence du matériau de contact est accrue. Les meilleures valeurs de FF sont alors
obtenues en utilisant un métal possédant une haute valeur de travail de sortie (Pd, υ = 5.1 eV).
Cependant d‟autres paramètres peuvent jouer un rôle important sur la qualité du contact,
comme la structure électronique du métal, la qualité de l‟interface métal/semi-conducteur, ou
son mode de dépôt.
Les empilements développés pour l‟émetteur et le BSF dans cette étude n‟utilisent pas
de couche tampon entre le couche a-Si:H dopée et le substrat c-Si. Cette option sans couche
tampon, inspirée de travaux allemands [Korte07] et justifiée par d‟autres [Lu08], apparaît
limitée. En effet, la diminution du J0e n‟est possible, dans ce cas, que par l‟utilisation de
couches très peu dopées. Il est alors nécessaire de réduire leur épaisseur au maximum et
d‟utiliser un contact adapté pour limiter les pertes résistives. Malgré ces solutions, les couches
CONCLUSION GÉNÉRALE
- 170 -
peu conductrices entraînent une résistance série élevée au niveau des dispositifs. L‟autre
option, celle utilisant la couche tampon, doit donc être envisagée. Pour être applicable aux
cellules Si-HJ IBC, cette couche tampon doit pouvoir fonctionner sous un émetteur en face
arrière (sans éclairement). Sur ces structures, il serait également intéressant de pouvoir utiliser
la même couche sous l‟émetteur et le BSF. Ceci permettrait la protection de la face arrière,
avant les étapes de localisation.
L‟insertion d‟une couche tampon permettrait également d‟utiliser des couches a-Si:H
dopées plus conductrices. Une plus forte conductivité peut être obtenue, par exemple, en
augmentant la fraction cristalline des couches a-Si:H. Ces meilleures propriétés de conduction
limiteraient les pertes résistives dans les couches mais également au contact. Un même
matériau de contact pourrait alors éventuellement être utilisé sur les couches dopées (n) et (p).
2. Structure de la face avant
L‟obtention d‟une simple couche anti-reflet de passivation à une température
inférieure à 200°C semble difficile. Les couches a-SiNx:H, a-SiCx:H et ITO étudiées ne
permettent pas d‟atteindre des vitesses effectives de recombinaisons de surface (Seff) assez
faibles pour une utilisation en face avant de nos cellules Si-HJ IBC. Certaines de ces couches
peuvent être cependant utilisées comme couche de confinement optique. L‟insertion d‟une
fine couche a-Si:H de passivation entre le substrat c-Si et cette couche de confinement optique
est alors nécessaire. L‟épaisseur des couches a-Si:H de passivation joue un rôle clé dans
l‟optimisation de cette structure en face avant. En effet deux paramètres augmentent avec
l‟épaisseur de a-Si:H: la Seff et l‟absorption. Ces deux paramètres ayant une influence opposée
sur la valeur du courant collecté dans le dispositif, il existe une épaisseur optimale de la
couche a-Si:H. Le meilleur compromis est atteint pour une épaisseur de a-Si:H proche de 8
nm.
L‟utilisation d‟une couche légèrement dopée (n) a été favorisée par rapport à une
couche purement intrinsèque (i). En effet, la première permet de passiver efficacement la
surface même à faible injection grâce au mécanisme d‟effet de champ, ce dont est incapable la
couche (i). Cette caractéristique est particulièrement importante car en utilisation réelle, les
cellules photovoltaïques sont souvent soumises à un éclairement d‟intensité inférieure à celle
du spectre AM1.5. Il est donc préférable d‟utiliser en face avant un matériau permettant une
Seff aussi bonne, voire meilleure, à faible injection que sous éclairement AM1.5.
Pour améliorer les propriétés de l‟empilement (couche mince de passivation / couche
de confinement optique), l‟utilisation d‟un matériau différent du a-Si:H doit être envisagée.
L‟oxyde d‟aluminium déposé par ALD rassemble les qualités nécessaires, à savoir une faible
absorption et une excellente passivation de surface. Pour se passer de la couche mince de
CONCLUSION GÉNÉRALE
- 171 -
passivation, des étapes à haute température sont envisageables. La réalisation d‟un léger
dopage thermique en face avant permettrait, par exemple, d‟utiliser une couche anti-reflet
optimisée uniquement sur ses propriétés optiques, et non pas sur sa Seff.
3. Procédés de localisation en face arrière
Différents procédés de localisation ont été étudiés pour localiser les empilements en
face arrière. Les méthodes testées, basées sur l‟utilisation de gravures LASER ou de pâtes
sérigraphiées, n‟ont pas permis d‟obtenir une précision et une propreté suffisante pour
localiser les couches a-Si:H. Un procédé de métallisation basé sur la sérigraphie de pâte
masquante, suivie d‟un polissage mécanique, a cependant été développé avec succès. Il
permet de métalliser en une seule fois, mais avec un même matériau, les zones d‟émetteur et
de BSF
Un procédé complet a été développé pour la fabrication des dispositifs Si-HJ IBC. Il
est basé sur l‟utilisation de masques métalliques structurés, alignés mécaniquement. Ce
procédé est adapté à la localisation de couches a-Si:H minces par PECVD car il ne dégrade
que légèrement les propriétés des couches déposées. Il permet de plus une tolérance d‟environ
100 µm entre les dépôts a-Si:H (PECVD) et 150 µm pour les dépôts d‟ITO et métal
(pulvérisation). Son utilisation pour structurer des couches déposées par pulvérisation a
cependant montré certaines limites, comme des phénomènes de dépôts non-conformes.
4. Dispositifs à hétérojonctions silicium et contacts
interdigités en face arrière
Des démonstrateurs de cellules Si-HJ IBC fonctionnels ont pu être fabriqués et
caractérisés. L‟influence de la géométrie de l‟émetteur (conductivité et largeur du contact) a
été étudiée expérimentalement. Des modélisations en deux dimensions menées sur le logiciel
ATLAS nous ont alors permis de comprendre puis d‟améliorer nos résultats expérimentaux.
L‟allure dégradée des courbes J-V sous éclairement obtenues par nos dispositifs Si-HJ IBC a
ainsi pu être expliquée. Dans notre cas, la chute du courant, qui apparaît dès les faibles
tensions, ne s‟explique pas par des phénomènes de courts-circuits. Selon le modèle à deux
diodes, ces phénomènes sont pourtant révélateurs d‟une faible valeur de résistance parallèle.
Un faible dopage de l‟émetteur et/ou une faible largeur du contact sur cet émetteur
peuvent provoquer cette allure dégradée des courbes J-V. Une mauvaise conception de
l‟émetteur et de son contact peut en effet entraîner des pertes résistives « distribuées ». Des
phénomènes de recombinaison dans les zones non contactées sont à l‟origine provoquent alors
dans un premier temps une chute du FF, puis une chute du Jcc. Dans le cas d‟un émetteur peu
CONCLUSION GÉNÉRALE
- 172 -
conducteur (1x10-5
S.cm-1
), il est donc absolument nécessaire que le contact recouvre quasi-
totalement la couche a-Si:H (p). Si une portion importante de cet émetteur n‟est pas contactée,
le dispositif ne peut pas fonctionner correctement, son rendement est donc limité.
Une première optimisation des dispositifs Si-HJ IBC a été effectuée en fonction de ces
résultats. Des cellules de 25 cm2 ont atteint un rendement de 12.7 %. Ceci constitue, à notre
connaissance, la meilleure performance au niveau mondial pour des cellules Si-HJ IBC sur
substrat de type n. La faisabilité de tels dispositifs, ainsi que leur intérêt pour atteindre les
hauts rendements, ont donc été démontrés.
5. Perspectives
De nombreuses améliorations sont encore à mener, au niveau de la géométrie de la
structure et de son procédé de fabrication. Pour résumer, les différents points clés pour
augmenter le rendement des cellules Si-HJ IBC sont les suivants :
La conception de la face arrière doit être optimisée afin de permettre le recouvrement
quasi-total de la zone d‟émetteur a-Si:H (p).
Une couche tampon doit être insérée en face arrière afin d‟augmenter le Vco des
dispositifs. C‟est seulement par ce biais que les dispositifs Si-HJ IBC pourront dépasser les
performances de leurs « concurrents » à homojonctions.
La structure en face avant doit être optimisée du point de vue de ses propriétés
optiques et passivantes. Des étapes à haute température, comme un dopage thermique,
peuvent être envisagées au début du procédé de fabrication.
L‟augmentation de la taille des cellules est nécessaire, à la fois pour limiter les effets
de bord et pour se rapprocher des standards industriels. Dans cette optique, des métallisations
épaisses (30 µm) doivent pouvoir être réalisées.
La géométrie doit être simplifiée pour se rapprocher d‟un procédé de fabrication
industrialisable. Une structure n‟utilisant pas de couche de passivation dans le gap est
envisageable, mettant en contact les zones a-Si:H (n) et (p).
Ce travail a permis d‟identifier la plupart des verrous technologiques liés à la
fabrication des cellules Si-HJ IBC. Certains des verrous les plus limitants ont pu être levés, en
alliant résultats expérimentaux et modélisations. La poursuite de l‟étude devra concilier
l‟augmentation du rendement des cellules Si-HJ IBC avec un procédé de fabrication
progressivement industrialisable.
- 173 -
RÉFÉRENCES
Aberle AG, Wenham SR, Green MA. A new method for accurate measurements of
the lumped series resistance of solar cells. Conference records of the 23rd
IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, New York, USA, pages 133-138, 1993
Aberle AG. Surface Passivation of Crystalline Silicon Solar Cells: A Review.
Progress in Photovoltaics: Research & Applications, volume 8, pages 473-487, 2000
Aberle AG. Overview on SiN Surface Passivation of crystalline silicon solar cells.
Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 65, pages 239-248, 2001
Alpuim P, Chu V, Conde JP. Doping of amorphous and microcrystalline silicon
films deposited at low substrate temperatures by hot-wire chemical vapour deposition.
Journal of Vacuum Science and Technology A, volume 19, numéro 5, pages 2328-2334, 2001
Angermann H, Korte L, Rappich J, Conrad E, Sieber I, Schmidt M, Hübener K,
Hauschild J. Optimisation of electronic interface properties of a-Si:H/c-Si hetero-
junction solar cells by wet-chemical surface pre-treatment. Thin Solid Films, volume 516,
pages 6775-6781, 2008
Araujo GL, Cuevas A, Ruiz JM. The effect of distributed series resistance on the
dark and illuminated I-V characteristics of solar cells. IEEE Transactions on Electron
Devices, volume 33, pages 391-401, 1986
Arch JK, Rubinelli FA, Hou JY, Fonash SJ. Computer analysis of the role of p-layer
quality, thickness, transport mechanisms, and contact barrier height in the performance
of hydrogenated amorphous silicon p-i-n solar cells. Journal of Applied Physics, volume
69, numéro 10, pages 7057-7066, 1991
Basore PA. Extended spectral analysis of internal quantum efficiency. Conference
records of the 23rd
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New York, USA, pages 147-
152, 1993
Bettinelli A, Desrues T. Dispositif photovoltaïque à structure à hétérojonctions
interdigitée discontinue. Demande de brevet FR2914501, 2007
Blakers AW, Green MA. 20% efficiency silicon solar cells. Applied Physics Letters,
volume 48, pages 215–217, 1986
Bowden S, Das U, Herasimenka S, Birkmire R. Stability of amorphous/crystalline
silicon heterojunctions. Conference records of the 33rd
IEEE Photovoltaic Specialists
Conference, San Diego, USA, 2008
Bubert H, Jenett H. Surface and Thin Film Analysis; A compendium of Principles,
Instrumentation, and Applications, Wiley-VCH , 336 pages, 2002
Carlson DE. The Doping of Hydrogenated Amorphous Silicon and its Impact on
Devices. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, volume 16, numéro 6, pages
417-435, 1990
RÉFÉRENCES
- 174 -
CARMA (Carbon Monitoring for Action). Data table by country. Disponible sur
http://carma.org/dig/show/world+country, 2008
Centurioni E, Iencinella D. Role of Front Contact Work Function on Amorphous
Silicon-Crystalline Silicon Heterojunction Solar Cell Performance. IEEE Electron Device
Letters, volume 24, numéro 3, pages 177-179, 2003
Chapin DM, Fuller CS, Pearson GL. A new silicon p-n junction photocell for
converting solar radiation into electrical power. Journal of Applied Physics, volume 25,
pages 676-677, 1954
Chen FW, Cotter JE, Abbott MD, Li TA, Fisher KC. The Influence of Parasitic
Effects on Injection-Level-Dependent Lifetime Data. IEEE Transactions on Electron
Devices, volume 54, numéro 11, pages 2960-2968, 2007
Chkoda L, Heske C, Sokolowski M, Umbach E, Steuber F, Staudigel J, Stoßel M,
Simmerer J. Work function of ITO substrates and band-offsets at the TPD/ITO interface
determined by photoelectron spectroscopy. Synthetic Metals, volume 111-112, pages 315-
319, 2000
Cotter JE, Guo JH, Cousins PJ, Abbott MD, Chen, FW, Fisher KC. P-type vs. N-type
Silicon Wafers: Prospects for High-efficiency Commercial Solar Cells. IEEE Transactions
on Electron Devices, volume 53, numéro 8, pages 1893-1901, 2006
Cousins PJ. Solar cell having doped semiconductor heterojunctions contacts.
Demande de brevet WO2007130188A2, 2007a
Cousins PJ. Solar cell having polymer heterojunctions contacts. Demande de brevet
WO20070151599A1, 2007b
Cuevas A, Kerr MJ, Samundsett C, Ferrazza F, Coletti G. Millisecond minority
carrier lifetimes in n-type multicrystalline silicon. Applied Physics Letters, volume 81,
numéro 26, pages 4952-4954, 2002
Cuevas A. The effect of emitter recombination on the effective lifetime of silicon
wafers. Solar Energy Materials & Solar Cells, volume 57, pages 277-290, 1999
Damon-Lacoste J. Vers une ingéniérie de bande des cellules photovoltaïques à
hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Rôle prépondérant de l’hydrogène. Thèse de Doctorat, École
Polytechnique, 2007
Das UK, Burrows M, Lu M, Bowden S, Birkmire RW. Surface passivation quality
and structure of thin a-Si:H layers on n-type crystalline Si (100) and (111) wafers.
Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie,
pages 1290-1293, 2007
Dauwe S, Mittelstadt L, Metz A, Schmidt J, Hezel R. Low-temperature rear surface
passivation schemes for >20% efficient silicon solar cells. Proceedings of the 3rd
World
Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Osaka, Japon, volume 2, pages 1395- 1398,
2003
Dauwe S. Low-temperature surface passivation of crystalline silicon and its
application to the rear side of solar cells. Thèse de Doctorat, Universität Hannover, 2004
RÉFÉRENCES
- 175 -
De Ceuster D, Cousins P, Rose D., Vicente D, Tipones P, Mulligan W. Low Cost,
high volume production of >22% efficiency silicon solar cells. Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie, pages 816-819, 2007
del Canizo C, del Coso G, Sinke WC. Crystalline Silicon Solar Module Technology:
Towards the 1 euro Per Watt-Peak Goal. Progress in Photovoltaics: Research &
Applications, volume 17, pages 199-209, 2009
Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Souche F, Veschetti Y,
Bettinelli A, Roca i Cabarrocas P, Labrune M, Diouf D, Kleider JP, Lemiti M. New process
integration for Interdigitated Back Contact (IBC) a-Si:H/c-Si heterojunctions solar cells.
Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne,
pages 1673-1676, 2008
DeWolf S, Kondo M. Abruptness of a-Si:H/c-Si interface revealed by carrier
lifetime measurements. Applied Physics Letters, volume 90, pages 042111-3, 2007a
DeWolf S, Kondo M. Boron-doped a-Si:H/c-Si interface passivation: Degradation
mechanism. Applied Physics Letters , volume 91, pages 112109-3, 2007b
Dicker J. Analysis of rear contacted solar cell structures for cost-effective
processes and materials. Conference Record of the 28th
IEEE Photovoltaic Specialists
Conference, Anchorage, USA, pages 387-390, 2000
Dicker J, Schumacher O, Warta W, Glunz SW. Analysis of one-sun monocrystalline
rear-contacted silicon solar cells with efficiencies of 22.1%. Journal of Applied Physics,
volume 91, numéro 1, pages 4335-4343, 2002
Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Interdigitated back contact a-Si:H/c-
Si heterojunction solar cells modelling: limiting parameters influence on device
efficiency. Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference,
Valencia, Espagne, pages 1949-1952, 2008
Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Study of interdigitated back contact
silicon heterojunctions solar cells by two-dimensional numerical simulations. Materials
Science and Engineering: B, volume 159-160, pages 291-294, 2009
Dubois S. Influence des interactions impureté-défaut et impureté-impureté sur le
rendement de conversion des cellules photovoltaïques au silicium cristallin. Thèse de
Doctorat, Université Paul Cézanne Aix-Marseille III, 2007
Duerinckx F, Szlufcik J. Defect passivation of industrial multicrystalline solar cells
based on PECVD silicon nitride. Solar Energy Materials & Solar Cells, volume 72,
numéros 1-4, pages 231-246, 2002
Eades WD, Swanson RM. Calculation of surface generation and recombination
velocities at the Si-SiO2 interface. Journal of Applied Physics, volume 58, numéro 11, pages
4267-4276, 1985
EF (The Energy Foundation). Energy Foundation study finds residential and
commercial rooftops could support vast U.S. market for solar power. Communication à la
presse en 2005, disponible sur http://www.ef.org/documents/PV_pressrelease.pdf, 2005
RÉFÉRENCES
- 176 -
Einsele F, Rostan PJ, Schubert MB, Rau U. Recombination and resistive losses at
ZnO/a-Si:H/c-Si interfaces in heterojunction back contacts for Si solar cells. Journal of
Applied Physics, volume 102, pages 094507-6, 2007
Engelhart P, Harder NP, Neubert T, Plagwitz H, Fischer B, Meyer R, Brendel R.
LASER processing of 22 % efficient back-contacted silicon solar cells. Proceedings of the
21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, Allemagne, pages 773-777,
2006
EPIA (European Photovoltaic Industry Association). Solar Generation V – 2008,
Solar electricity for over one billion people and two million jobs by 2020. Disponible sur
http://www.epia.org/publications/epia-publications.html, 2008
EPIA (European Photovoltaic Industry Association). Global market outlook for
photovoltaics until 2013. Disponible sur http://www.epia.org/publications/epia-
publications.html, 2009
Fantoni, Y. Vigranenko, M. Fernandes, R. Schwarz, M. Vieira. Influence of the band
offset on the performance of photodevices based on the c-Si/a-Si:H heterostructure. Thin
Solid Films, volume 383, numéros 1-2, pages 314-317, 2001
Ferré R. Surface passivation of crystalline silicon by amorphous silicon carbide
films for photovoltaic application. Thèse de Doctorat, Universitat Politecnica de Catalunya,
2008
Fesquet L, Olibet S, Vallat-Sauvain E, Shah A, Ballif C. High quality surface
passivation and heterojunction fabrication by VHF-PECVD deposition of amorphous
silicon on crystalline Si: theory and experiments. Proceedings of the 22nd
European
Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie, pages 1678-1681, 2007
Fourmond E. Développement de techniques de dépôt plasma et photo assistées
pour la réalisation de couches antireflets passivantes en SiNx:H sur silicium
multicristallin pour applications photovoltaïques. Thèse de Doctorat, Institut National des
sciences Appliquées de Lyon, 2002
Froitzheim A, Stangl R, Elstner L, Schmidt M, Fuhs W. Interface recombination in
amorphous-crystalline silicon solar cells, a simulation study. Conference Record of the
29th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, USA, pages 1238- 1241, 2002
Fuhs W. Heterojunctions of Amorphous Silicon and Silicon Single Crystals.
Proceedings of the International Conference on Tetrahedrally Bonded Amorphous
Semiconductors, New York, USA, pages 345-350, 1974
Fujiwara H, Kondo M. Impact of epitaxial growth at the heterointerface of a-
Si:H/c-Si solar cells. Applied Physics Letters, volume 90, pages 013503-3, 2007a
Fujiwara H, Kondo M. Effects of a-Si:H layer thicknesses on the performance of a-
Si:H/c-Si heterojunction solar cells. Journal of Applied Physics, volume 101, pages 054516-
9, 2007b
Garín M, Martín I, Bermejo S, Alcubilla R. Fixed charge density in dielectrics
deposited on c-Si using space charge region dominated lifetime measurements. Journal of
Applied Physics, volume 101, pages 123716-7, 2007
RÉFÉRENCES
- 177 -
Giessibl F. Advances in Atomic Force Microscopy. Reviews of Modern Physics,
volume 75, pages 949-983, 2003
Goldstein J, Newbury D, Echlin P, Joy D, Lyman C, Lifshin E, Sawyer L, Michael J.
Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 3e
Édition. Kluwer Academic /
Plenum Publishers, New York, 689 pages, 2003
Granek F, Hermle M, Huljic DM, Schultz-Wittmann O, Glunz SW. Enhanced
Lateral Current Transport Via the Front N+ Diffused Layer of N-type High-efficiency
Back-junction Back-contact Silicon Solar Cells. Progress in Photovoltaics: Research and
Applications, volume 17, numéro 1, pages 47-56, 2008a
Granek F, Hermle M, Reichel C, Grohe A, Schultz-Wittmann O, Glunz S. Positive
effects of front surface field in high-efficiency back-contact back-junction n-type silicon
solar cells. Conference records of the 33rd
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San
Diego, USA, 2008b
Granek F, Reichel C, Hermle M, Huljić DM, Schultz O, Glunz SW. Front surface
passivation of n-type high-efficiency back-junction silicon solar cells using front surface
field. Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano,
Italie, pages 1262-1265, 2007
Green MA, Emery K, Hishikawa Y, Warta W. Solar Cell Efficiency Tables v.33.
Progress in Photovoltaics: Research and Applications, volume 17, numéro 1, pages 85-94,
2008
Green MA. Limits on the open-circuit voltage and efficiency of silicon solar cells
imposed by intrinsic Auger processes, IEEE Transactions on Electron Devices, volume 31,
numéro 5, pages 671-678, 1984
Green MA. The Path to 25% Silicon Solar Cell Efficiency: History of Silicon Cell
Evolution. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, volume 17, numéro 3,
pages 183-189, 2009
Griffiths PR, De Haseth JA. Fourier Transform Infrared Spectrometry. Wiley-
Interscience, 529 pages, 2007
Gruenbaum PE, Sinton SA, Swanson RM. Stability problems in point contact solar
cells. Conference records of the 20th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas,
USA, pages 423-428, 1988
Guo JH, Tjahjono BS, Cotter JE. 19.2% efficiency n-type laser-grooved silicon
solar cells. Conference records of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Lake
Buena Vista, USA, pages 983- 986, 2005
Haque MS, Naseem HA, Brown WD. Aluminum-induced crystallization and
counter-doping of phosphorous doped hydrogenated amorphous silicon at low
temperatures. Journal of Applied Physics, volume 79, numéro 10, pages 7529-7536, 1996
Harder NP, Mertens V and Brendel R. Buried emitter solar cell structures:
Decoupling of metallisation geometry and carrier collection geometry of back contacted
solar cells. Physica Status Solidi (Rapid Research Letters), volume 2, numéro 4, pages 148–
150, 2008
RÉFÉRENCES
- 178 -
Haynos J, Allison J, Arndt R, Meulenberg A. The Comsat non-reflective silicon
solar cell: a second generation improved cell. International Conference on Photovoltaic
Power Generation, Hamburg, pages 487-490, 1974
Hermle M, Granek F, Schultz-Wittmann O, Glunz. Shading Effects in Back-
Junction Back-Contacted Silicon Solar Cells. Conference records of the 33rd
IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, USA, 2008
Hoex B, Heil S, Langereis E, van de Sanden M, Kessels W. Ultralow surface
recombination of c-Si substrates passivated by plasma-assisted atomic layer deposited
Al2O3. Applied Physics Letters, volume 89, pages 042112-03, 2006
Honsberg C, Bowden S. PVCDROM. Disponible sur http://pvcdrom.pveducation.org/
index.html, 2009
Huljić DM, Zerres T, Mohr A, v. Maydell K, Petter K et al. Development of a 21%
back-contact monocrystalline silicon solar cell for large-scale production. Proceedings of
the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, Allemagne, pages 765-
768, 2006
Ide D, Taguchi M, Yoshimine Y, Baba T, Kinoshita T, Kanno H, Sakata H, Maruyama
E, Tanaka M. Excellent power-generating properties by using the HIT structure.
Conference records of the 33rd
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, USA,
2008
IEA (International Energy Agency). Key world energy statistics 2009. Disponible sur
http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2009/key_stats_2009.pdf, 2009
Iencinella D, Centurioni E, Zebaze Kana MG, Rizzoli R, Summonte C, Desalvo A,
Zignani F. Silicon heterojunction solar cells with epitaxial buffer layer on textured
substrates. Proceedings of the 20th
European Photovoltaic Solar Energy Conference,
Barcelona, Espagne, pages 992-995, 2005
Jancovici JM. Ne suffit-il pas d'attendre d'avoir moins d'énergie fossile ?
Disponible sur http://www.manicore.com/documentation/serre/fossile.html, 2008
Jellison GE, Modine FA. Parametrization of the optical functions of amorphous
materials in the interband region. Applied Physics Letters, volume 69, numéro 3, pages
371-373, 1996
Jellison GE, Merkulova VI, Puretzkya, Geohegana DB, Eresa G, Lowndesa DH,
Caughman JB. Characterization of thin-film amorphous semiconductors using
spectroscopic ellipsometry. Thin Solid Films, volumes 377-378, pages 68-73, 2000
Jensen N, Hausner RM, Bergmann RB, Werner JH, Rau U. Optimization and
characterization of amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cells. Progress in
Photovoltaics: Research and Applications, volume 10, numéro 1, pages 1-13, 2002
Kaminski A, Jouglar J, Mergui M, Jourlin Y, Bouille A, Vuillermoz PL, Laugier A.
Infrared characterization of hot spots in solar cells with high precision due to signal
treatment processing. Solar Energy Materials & Solar Cells, volume 51, numéros 3-4, pages
233-242, 1998
RÉFÉRENCES
- 179 -
Kane DE, Swanson RM, Measurement of the emitter saturation current by a
contactless photoconductivity decay method. Proceedings of the 18th
IEEE Photovoltaic
Specialists Conference, Las Vegas, USA, pages 578-583, 1985
Kerr MJ and Cuevas A. General parameterization of Auger recombination in
crystalline silicon. Journal of Applied Physics, volume 91, numéro 1, pages 2473-2480,
2002a
Kerr MJ, Campbell P, Cuevas A. Lifetime and efficiency limits of crystalline silicon
solar cells. Conference Record of the 29th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New
Orleans, USA, pages 438- 441, 2002b
Kerr MJ, Cuevas A. Generalized analysis of the illumination intensity vs. open-
circuit voltage of solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells, volume 73, numéros 1-
3, pages 263-267, 2004
King RR, Sinton SA, Swanson RM. Front and back surface fields for point-contact
solar cells. Conference records of the 20th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las
Vegas, USA, pages 538-544, 1988
King RR, Swanson RM. Studies of Diffused Boron Emitters: Saturation Current,
Bandgap Narrowing, and Surface Recombination Velocity. IEEE Transactions on
Electron Devices, volume 38, numéro 6, pages 365-371, 1991
Korte L, Conrad E, Angermann H, Stangl R, Schmidt M. Overview on a-Si:H/c-Si
heterojunction solar cells – physics and technology. Proceedings of the 22nd
European
Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie, pages 859-866, 2007
Kraiem J, Amtablian S, Nichiporuk O, Papet P, Lelièvre JF, Fave A, Kaminski A,
Ribeyron PJ, Lemiti M. ELIT Process: Epitaxial Layer for interdigitated back contacts
on transferred solar cells. Proceedings of the 21th
European Photovoltaic Solar Energy
Conference, Dresden, Allemagne, pages 1268-1272, 2006
Kray D, Hermle M and Glunz SW. Theory and Experiments on the Back Side
Reflectance of Silicon Wafer Solar Cells. Progress in Photovoltaics: Research and
Applications, volume 16, pages 1-15, 2008
Kuebelbeck A, Zielinski C, Heider L, Stockum W. Dopant pastes for the production
of p, p+, and n, n+ regions in semiconductors. Brevet US6695903(B1), 2004
Kunst M, Beck G. Study of charge carriers kinetics in semiconductors by
microwave conductivity measurement. Journal of Applied Physics, volume 60, pages 3558-
3566, 1986
Lelièvre JF. Élaboration de SiNx:H par PECVD : optimisation des propriétés
optiques, passivantes et structurales pour applications photovoltaïques. Thèse de
doctorat, Institut National des sciences Appliquées de Lyon, 2007
Lu M, Bowden S, Das U, Birkmire R. Interdigitated back contact silicon
heterojunction solar cell and the effect of front surface passivation. Applied Physics
Letters, volume 91, pages 063507-3, 2007a
RÉFÉRENCES
- 180 -
Lu M, Bowden S, Das U, Birkmire R. a-Si/c-Si heterojunction for interdigitated
back contact solar cell. Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy
Conference, Milano, Italie, pages 924-927, 2007b
Lu M, Bowden S, Das U, Birkmire R. Rear surface passivation of interdigitated
back contact silicon heterojunction solar cell and 2d simulation study. Conference
records of the 33rd
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, USA, 2008
MacDonald DH. Recombination and Trapping in Multicrystalline Silicon Solar
Cells. Thèse de doctorat, Australian National University, 2001
Mai L, Hameiri Z, Tjahjono BS, Wenham SR, Sugianto A, Edwards MB. Rear
junction laser doped solar cells on CZ n-type silicon. Conference records of the 34th
IEEE
PVSC, Philadelphia, USA, 2009
Mandelkorn J, Lamneck JH. Simplified fabrication of back surface electric field
silicon cells and novel characteristics of such cells. Record of the 9th Photovoltaic
Specialists Conference, Silver Spring, USA, pages 66-73, 1972
Maruyama E, Terakawa A, Taguchi M, Yoshimine Y, Ide D, Baba T, Shima M,
Sakata H, Tanaka M. Sanyo's Challenges to the Development of High-efficiency HIT
Solar Cells and the Expansion of HIT Business. Conference Record of the 4th
IEEE World
Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Hawai, USA, pages 1455-1460, 2006
McIntosh KR, Cudzinovic MJ, Smith DD, Mulligan WP, Swanson RM. The choice of
silicon wafer for the production of low-cost rear-contact solar cells. Proceedings of the 3rd
World Conference on Photvoltaic Energy Conversion, Osaka, Japon, volume 1, pages 971-
974, 2003
McIntosh KR, Shaw NC, Cotter JE. Light trapping in sunpower’s A-300 solar cells.
Proceedings of the 19th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, pages 844-
847, 2004
MEEDAT (Ministère de l‟Écologie, de l‟Énergie, du Développement durable et de
l‟Aménagement du Territoire). Synthèse publique de l’étude des coûts de référence de la
production électrique. Disponible sur http://www.developpement-durable.gouv.fr/energie
/electric/cout-ref-synthese2008.pdf, 2008
Meier DL, Schröder DK. Contact resistance: Its measurement and relative
importance to power loss in a solar cell. IEEE Transactions on Electron Devices, volume
31, numéro 5, pages 647- 653, 1984
Meier PJ. Life-Cycle Assessment of Electricity Generation Systems and
Applications for Climate Change Policy Analysis. Thèse de Doctorat, University of
Wisconsin, 2002
Mette A, Schetter C, Wissen D, Lust S, Glunz SW, Willeke G. Increasing the
Efficiency of Screen-Printed Silicon Solar Cells by Light-Induced Silver Plating.
Conference Record of the 4th
IEEE World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,
Hawai, USA, volume 1, pages 1056-1059, 2006
H. B. Michaelson. The workfunction of the elements and its periodicity. Journal of
Applied Physics, volume 48, numéro 11, pages 4729-4733, 1977
RÉFÉRENCES
- 181 -
Mihailetchi VD, Geerligs LJ, De Iuliis S. N-type silicon solar cell with Al back
junction: results and modeling. Proceedings of the 16th
crystalline silicon workshop,
Colorado, USA, pages 233-236, 2006
Mihailetchi VD, Sainova DS, Geerligs LJ, Weeber A. High efficiency solar cells with
printed Al-alloyed rear contacts. Solid State Technology, volume 51, numéro 3, pages 52-
55, 2008
Mishima T, Ishikawa N. Photovoltaic element and method of manufacturing the
same. Demande de brevet WO03083955A1, 2003
Mueller T, Schwertheim S, Fahrner WR. Application of wide-bandgap
hydrogenated amorphous silicon oxide layers to heterojunction solar cells for high
quality passivation. Conference records of the 33rd
IEEE Photovoltaic Specialists
Conference, San Diego, USA, 2008
Mulligan WP, Rose DH, Cudzinovic MJ, De Ceuster DM, McIntosh KR, Smith DD,
Swanson RM. Manufacture of solar cells with 21% efficiency. Proceedings of the 19th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, pages 387–390, 2004
Muñoz D. Silicon heterojunction solar cells obtained by Hot-Wire CVD. Thèse de
Doctorat, Université Polytechnique de Catalogne, 2008
Nagel H, Berge C, Aberle AG. Generalized analysis of quasi-steady-state and
quasi-transient measurements of carrier lifetimes in semiconductors. Journal of Applied
Physics, volume 86, pages 6218-6221, 1999
Nakamura K, Isaka T, Funakoshi Y, Tonomura Y, Machida T, Okamoto K.
Development of 20% efficiency mass production Si solar cells. Proceedings of the 20th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Espagne, pages 789–792, 2005
Narasimha S, Rohatgi A. An Optimized Rapid Aluminum Back Surface Field
Technique for Silicon Solar Cells. IEEE Transactions on Electron Devices, volume 46,
numéro 7, pages 1363-1370, 1999
Négawatt (Association). Document de synthèse sur le scénario NégaWatt 2006.
Disponible sur http://www.negawatt.org/
Nichiporuk O. Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaïque à
contacts arrière interdigités. Thèse de Doctorat, Institut National des Sciences Appliquées
de Lyon, 2005
Okuda K, Okamoto H, Hamakawa Y. Amorphous Si/Polycrystalline Si Stacked
Solar Cell Having More Than 12% Conversion Efficiency. Japanese Journal of Applied
Physics, volume 22, pages L605-L607, 1983
Olibet S, Vallat-Sauvain E, Ballif C. Model for a-Si:H/c-Si interface recombination
based on the amphoteric nature of silicon dangling bonds. Physical Review B ,volume 76,
pages 035326-14, 2007
Page MR, Iwaniczko E, Xu Y, Wang Q, Yan Y, Roybal L, Branz HM, Wang TH.
Well Passivated a-Si:H Back Contacts for Double-Heterojunction Silicon Solar Cells.
Conference Record of the 4th
IEEE World Conference on Photovoltaic Energy Conversion,
Hawai, USA, volume 2, pages 1485-1488, 2006
RÉFÉRENCES
- 182 -
Pysch D, Mette A, Glunz SW. A review and comparison of different methods to
determine the series resistance of solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells, volume
91, pages 1698-1706, 2007
Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Damon-Lacoste J, Roca i Cabarrocas P, Gudovskikh
AS, Chouffot R, Kleider JP. Polymorphous/crystalline single heterojunction and double
heterojunctions solar cells optimisation on p-type monocrystalline silicon. Proceedings of
the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, Allemagne, pages 926-
929, 2006
Ribeyron PJ, Baclet N, Boucher H, Desrues T, Vandeneynde A, Souche F, Ozanne
AS. Development of ZnO:Al to replace Indium Tin Oxyde for heterojunction solar cells :
effect on surface passivation quality and short circuit current. Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1449-1452,
2008a
Ribeyron PJ, Desrues T, Vandeneynde A, Souche F, Ozanne AS, Labrune M, Roca i
Cabarrocas P, Chouffot R, Kleider JP. Silicon heterojunction solar cells: surface
passivation quality on large area n type and p type monocrystalline silicon. Proceedings
of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1441-
1444, 2008b
Roca i Cabarrocas P. Science des matériaux et techniques du réacteur dans le
dépôt par procédés plasma RF de photopiles et d’autres dispositifs en silicium amorphe
hydrogéné. Thèse de Doctorat, Université Paris VII, 1988
Rostan PJ, Rau U, Nguyen VX, Kirchartz T, Schubert MB, Werner JH. Low-
temperature a-Si:H/ZnO/Al back contacts for high-efficiency silicon solar cells. Solar
Energy Materials & Solar Cells, volume 90, pages 1345–1352, 2006
Sakata H, Nakai T, Baba T, Taguchi M, Tsuge S, Uchihashi K, Kiyama S. 20.7%
highest efficiency large area (100.5 cm2) HIT
TMcell. Conference Record of the 28
th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, USA, pages 7-12, 2000
Sanyo. SANYO Develops HIT Solar Cells with World’s Highest Energy
Conversion Efficiency of 23.0%. Disponible sur http://us.sanyo.com/News/SANYO-
Develops-HIT-Solar-Cells-with-World-s-Highest-Energy-Conversion-Efficiency-of-23-0-,
2009
Sawada T, Terada N, Tsuge S, Baba T, Takahama T, Wakisaka K, Tsuda S, Nakano S.
High-efficiency a-Si/c-Si heterojunction solar cell. Conference Record of the 24th
IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, Waikoloa, USA, volume 2, pages 1219-1226, 1994
Schlangenotto H, Maeder H, Gerlach W. Temperature dependance of the radiative
recombination coefficient in silicon. Physica Status Solidi (a), volume 21, numéro 1, pages
357-367, 1974
Schmidt W, Woesten B, Kalejs JP. Manufacturing technology for ribbon silicon
(EFG) wafers and solar cells. Progress in Photovoltaics: Research & Applications, volume
10, pages 129-140, 2002
RÉFÉRENCES
- 183 -
Schmiga C, Nagel H, Schmidt J. 19% Efficient N-Type Czochralski Silicon Solar
Cells with Screen-Printed Aluminium-Alloyed Rear Emitter. Progress in Photovoltaics:
Research & Applications, volume 14, numéro 6, pages 533-539, 2006
Schmitt J. Apparatus and method for producing thin films with the aid of a
plasma. Brevet EP0221812B1, 1992
Schröder DK, Meier DL. Solar cell contact resistance - a review. IEEE Transactions
on Electron Devices, volume 31, numéro 5, pages 637-647, 1984
Schropp R, Zeman M. Amorphous and Microcrystalline Silicon Solar Cells.
Kluwer Academic publishers, 1998
Schwartz RJ, Lammert MD. Silicon Solar Cell for high concentration application.
Proceedings of the IEEE International Electron Devices Meeting, pages 350-352, 1975
Schwartz RJ, Bouknight JL, Worley MS. The effects of surface potential on surface
recombinaison and the performance of silicon solar cells. Proceedings of the IEEE
International Electron Devices Meeting, pages 74-77, 1978
Searle T (éditeur). Properties of amorphous silicon and its alloys. INSPEC, 412
pages, 1998
Shi Z, Wenham S, Ji J. Mass production of the innovative PLUTO solar cell
technology. Conference records of the 34th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference,
Philadelphia, USA, 2009
Shockley W, Read WT. Statistics of the Recombinations of Holes and Electron.
Physical Review, volume 87, numéro 5, pages 835–842, 1952
Shockley W, Queisser HJ. Detailed blanace limit of efficiency of p-n junction solar
cells. Journal of Applied Physics, volume 32, numéro 3, pages 510-519, 1961
Shockley W. Research and investigation of inverse epitaxial UHF power
transistors. Report A1-TOR-64-207, Air Force Atomic Laboratory, Wright-Patterson Air
Force Base, Ohio, September 1964
Sinton RA, Swanson RM. Design criteria for Si point-contact concentrator solar
cells. IEEE Transactions of Electron Devices, volume 34, numéro 10, pages 2116-2123, 1987
Sinton RA, Verlinden PJ, Swanson RM, Crane RA, Wickham K, Perkins J.
Improvements in silicon backside contact solar cells for high-value one-sun applications.
Proceedings of the 13th
EPVSC, Nice, France, pages 1586-1589, 1995
Sinton RA, Cuevas A. Contactless determination of current–voltage
characteristics and minority carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state
photoconductance data. Applied Physics Letters, volume 69, pages 2510-2512, 1996
Sinton RA, Cuevas A. A quasi-steady-state open-circuit voltage method for solar
cell characterization. Proceedings of the 16th
EUPVSEC, Glasgow, Royaume-Uni, pages
1152-1155, 2000
Smith DD, Gee JM. Review of back contact silicon solar cells for low cost
application. Proceedings of the 16th
EPVSC, Glasgow, Royaume-Uni, pages 1104-1107, 2000
Stangl R, Froitzheim A, Schmidt M, Fuhs W. Design criteria for amorphous-
crystalline silicon heterojunction solar cells - a simulation study. Proceedings of the 3rd
RÉFÉRENCES
- 184 -
World Conference on Photvoltaic Energy Conversion, Osaka, Japon, volume 2, pages 1005-
1008, 2003
Stangl R, Bivour M, Conrad E, Didschuns I, Korte L, Lips K, Schmidt M. RECASH
a novel high efficiency buried grid rear contact amorphous/crystalline silicon
heterojunction solar cell concept. Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar
Energy Conference, Milano, Italie, pages 870-873, 2007
Stangl R, Haschke J, M Bivour, Schmidt M, Lips K, Rech B. Planar Rear Emitter
back Contact Amorphous/crystalline Silicon Heterojunction solar cells (RECASH /
PRECASH). Proceedings of the 33rd
IEEE PVSC Photovoltaic Specialists Conference, San
Diego, USA, 2008
Stevenson DT, Keyes RJ. Measurement of Carrier Lifetimes in Germanium and
Silicon. Journal of Applied Physics, volume 26, pages 190-195, 1955
Street RA. Doping and the Fermi Energy in Amorphous Silicon. Physical Review
Letters, volume 49, pages 1187-1190, 1982
Swanson RM. Point contact solar cells: theory and modelling. Proceedings of the
18th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, USA, pages 604-610, 1985
Swanson RM. Approaching the 29 % limit efficiency of silicon solar cells.
Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Lake Buena Vista, USA,
pages 889-894, 2005
Swanson RM. Back side contact solar cell with doped polysilicon regions. Brevet
US7468485B1, 2008
Sze SM. Physics of Semiconductor Devices. Wiley, New York, 1981.
Szlufcik J, Sivoththaman S, Nlis JF, Mertens RP, Van Overstraeten R. Low-cost
industrial technologies of crystalline silicon solar cells. Proceedings of the IEEE, volume
85, numéro 5, pages 711-730, 1997
Taira S, Yoshimine Y, Baba T, Taguchi m, Kanno H. Our approaches for achieving
HIT solar cells with more than 23 % efficiency. Proceedings of the 22nd
European
Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie, pages 932-935, 2007
Tanaka M, Taguchi M, Matsuyama T, Sawada T, Tsuda S, Nakano S, Hanafusa S,
Kuwano Y. Development of new a-Si/c-Si heterojunction solar cells: ACJ-HIT
(Artificially Constructed Junction-Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Japanese
Journal of Applied Physics, volume 31, pages 3518-3522, 1992
Tauc J. Amorphous and liquid semiconductors. Plenum Publishing Corporation,
1974
Thanailakis A. Contacts between simple metals and atomically clean silicon.
Journal of Physics C: Solid State Physics, volume 8, pages 655-668, 1975
Tiedje T, Yablonovitch Y, Cody GD, Brooks BG. Limiting Efficiency of Silicon
Solar Cells. IEEE Transactions on Electron Devices, volume 31, numéro 5, pages 711-716,
1984
Tucci M, Serenelli L, De Iuliis S, Caputo D, Nascetti A, de Cesare G.
Amorphous/crystalline silicon heterostructure solar cell based on multi-crystalline
RÉFÉRENCES
- 185 -
silicon. Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden,
Allemagne, pages 902-904, 2006
Tucci M, Serenelli L, Salza, De Iuliis S, Geerligs LJ, de Cesare G, Caputo D,
Ceccarelli M. Novel scheme of amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cell.
Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie,
pages 1600-1603, 2007
Tucci M, Serenelli L, Salza E, Pirozzi L, de Cesare G, Caputo D, Ceccarelli M,
Martufi P, De Iuliis S, Geerligs LJ. BEHIND (Back Enhanced Heterostructure with
INterdigitateD contact) solar cell. Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar
Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1749-1752, 2008
Van de Walle CG, Yang LH. Band discontinuities at heterojunctions between
crystalline and amorphous silicon. Journal of Vacuum Science and Technology B, volume
13, pages 1635-1638, 1995
Van Kerschaver E, Beaucarne G. Back-contact solar Cells: A Review. Progress in
Photovoltaics: Research and Applications, volume 14, pages 107-123, 2006
Verlinden P, Sinton RA, Wickham K, Crane RA, Swanson RM. Backside-contact
silicon solar cells with improved efficiency for the ’96 world solar challenge. Proceedings
of the 14th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Barcelona, Espagne, pages 96-
99, 1997
Veschetti Y, Chevalier I, Desrues T, Bettinelli A, Monna R. Fabrication of
interdigitated back contact solar cells on large area with screen printed metallization.
Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie,
pages 1179-1182, 2007
Wang Q, Page MR, Iwaniczko E, Xu YQ, Roybal L, Bauer R, To B, Yuan HC, Duda
A, Yan YF. Crystal silicon heterojunction solar cells by hot-wire CVD. Conference
records of the 33rd
IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, USA, 2008
Wang TH, Iwaniczko E, Page MR, Levi DH, Yan Y, Yelundur V, Branz HM, Rohatgi
A, Wang Q. Effective interfaces in silicon heterojunction solar cells. Conference Record of
31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Lake Buena Vista, USA, pages 955-958, 2005
Wenham S. Buried-contact silicon solar cells. Progress in Photovoltaics: Research
and Applications, volume 1, numéro 1, pages 3-10, 1993
Wolf M, Rauschenbach H. Series resistance effects on solar cell measurements.
Advanced Energy Conversion, volume 3, pages 455-479, 1963
Wu BR, Wuu DS, Wan MS, Mao HY, Horng RH. Fabrication of selective-emitter
silicon heterojunction solar cells using hot-wire chemical vapor deposition and laser
doping. Thin Solid Films, volume 517, pages 4749-4752, 2009
Zhao J, Wang A, Green MA. 24.5% Efficiency silicon PERT cells on CZ substrates
and 24.7% efficiency PERL cells on FZ substrates. Progress in Photovoltaics: Research
and Applications, volume 7, numéro 6, pages 471-474, 1999
Zhao J, Wang A. Rear emitter n-type passivated emitter, rear totally diffused
silicon solar cell Structure. Applied Physics Letters, volume 88, pages 242102-3, 2006
- 187 -
PUBLICATIONS DE L’AUTEUR
1. Communications scientifiques en rapport avec la thèse:
1.1 Publications dans des revues à comité de lecture
Desrues T, Ribeyron PJ, Diouf D, Kleider JP. Development of 25 cm2 Interdigitated
Back Contact a-Si:H / c-Si heterojunction solar cells on n-type single-crystalline silicon.
Progress in Photovoltaics: Research and Applications, soumise le 31 Juillet 2009
Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Souche F, Munoz D, Denis C,
Diouf D, Kleider JP. B-Doped a-Si:H contact improvement on silicon heterojunctions
solar cells and interdigitated back contact structure. À paraître dans Physica Status Solidi
(c) „current topics in solid state physics’, 2009
Munoz D, Desrues T, Ribeyron PJ, Orpella A, Martin I, Voz C, Alcubilla R.
Development of LASER fired contacts on silicon heterojunction solar cells for the
application to rear contact structures. À paraître dans Physica Status Solidi (c) „current
topics in solid state physics’, 2009
Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Effects of the front surface field in n-
type interdigitated back contact silicon heterojunctions solar cells. Acceptée dans Physics
Procedia, 2009
Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Study of interdigitated back contact
silicon heterojunctions solar cells by two-dimensional numerical simulations. Materials
Science and Engineering: B, volume 159-160, pages 291-294, 2009
1.2 Actes de conférences internationales
Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Munoz D, Souche F, Denis C,
Heslinga D, Diouf D, Kleider JP. Progress in contacting a-Si:H/c-Si heterojunction solar
cells and its application to interdigitated back contact structure. Proceedings of the 24th
European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2009
Munoz D, Ozanne AS, Vandeneynde A, Souche F, Denis C, Desrues T, Ribeyron PJ.
Progress in scaling-up silicon heterojunction solar cells: 16% efficiency obtained on 125
PS monocrystalline silicon. Conference records of the 34th
IEEE Photovoltaic Specialists
Conference, Philadelphia, USA, 2009
Desrues T, Ribeyron PJ, Vandeneynde A, Ozanne AS, Souche F, Veschetti Y,
Bettinelli A, Roca i Cabarrocas P, Labrune M, Diouf D, Kleider JP, Lemiti M. New process
integration for Interdigitated Back Contact (IBC) a-Si:H/c-Si heterojunctions solar cells.
Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne,
pages 1673-1676, 2008
PUBLICATIONS DE L’AUTEUR
- 188 -
Ribeyron PJ, Desrues T, Vandeneynde A, Souche F, Ozanne AS, Labrune M, Roca i
Cabarrocas P, Chouffot R , Kleider JP. Silicon heterojunction solar cells: surface
passivation quality on large area n type and p type monocrystalline silicon. Proceedings
of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1441-
1444, 2008
Diouf D, Kleider JP, Desrues T, Ribeyron PJ. Interdigitated back contact a-Si:H/c-
Si heterojunction solar cells modelling: limiting parameters influence on device
efficiency. Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference,
Valencia, Espagne, pages 1949-1952, 2008
Ribeyron PJ, Baclet N, Boucher H, Desrues T, Vandeneynde A, Souche F, Ozanne
AS. Development of ZnO:Al to replace Indium Tin Oxyde for heterojunction solar cells :
effect on surface passivation quality and short circuit current. Proceedings of the 23rd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, Espagne, pages 1449-1452, 2008
1.3 Présentations orales lors de conférences internationales
Desrues T. B-Doped a-Si:H contact improvement on silicon heterojunctions solar
cells and interdigitated back contact structure. 23rd
International Conference on
Amorphous and Nanocrystalline Semiconductors, Utrecht, Pays-Bas, 2009
1.4 Brevets
Bettinelli A, Desrues T. Dispositif photovoltaïque à structure à hétérojonctions
interdigitée discontinue. Demande de brevet FR2914501, 2007
2. Autres communications scientifiques
Jourdan J, Veschetti Y, Dubois S, Desrues T, Monna R. Formation of boron-doped
region using spin-on dopant: Investigation on the impact of metallic impurities. Progress
in Photovoltaics: Research and Applications, volume 16, pages 379–387, 2008
Veschetti Y, Chevalier I, Desrues T, Bettinelli A, Monna R. Fabrication of
interdigitated back contact solar cells on large area with screen printed metallization.
Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano, Italie,
pages 1179-1182, 2007
Desrues T, Jourdan J, Veschetti Y, Monna R. N-type Si solar cells with B-doped
emitter using spin-on dopants (SOD). Proceedings of the 22nd
European Photovoltaic Solar
Energy Conference, Milano, Italie, pages 1209-1212, 2007
Résumé général
Cette thèse explore une nouvelle voie pour améliorer le rendement des cellules solaires à
base de silicium cristallin. Cette nouvelle approche utilise la technologie des hétérojonctions
a-Si:H / c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts en face arrière interdigités (IBC).
Les dispositifs combinant ces deux technologies (Si-HJ IBC) peuvent théoriquement atteindre
des rendements supérieurs à 25 % avec un procédé entièrement à basse température (≤
200°C). Dans cette étude, les cellules solaires sont fabriquées sur des substrats c-Si de type n
de 25 cm2. Les procédés de fabrication utilisés sont potentiellement adaptés à une
industrialisation (PECVD, pulvérisation, sérigraphie, LASER, masques métalliques). Des
couches a-Si:H ultra-minces (entre 5 et 30 nm) dopées sont utilisées pour réaliser les zones
d‟émetteur et de BSF en face arrière des cellules solaires. Des matériaux a-Si:H, a-SiNx:H, a-
SiCx:H et ITO sont également étudiés pour des applications comme couches de passivation et
/ ou anti-reflet. Pour fabriquer les cellules Si-HJ IBC, différentes couches sont localisées à
l‟aide de masques métalliques structurés et alignés mécaniquement.
Le plus haut rendement atteint par les dispositifs Si-HJ IBC réalisés atteint ici 12.7%. Il
s‟agit, à notre connaissance, du meilleur résultat obtenu au niveau mondial par ce genre de
structures sur du c-Si de type n. Les performances des dispositifs expérimentaux restent
principalement limitées par une faible valeur de FF. Des modélisations 2D des structures Si-
HJ IBC montrent que la conception de l‟émetteur et de son contact en face arrière peut
entraîner des limitations à la fois sur ce FF mais également sur le Jcc. Ces phénomènes
peuvent être attribués à une résistance série « distribuée » importante sur les cellules Si-HJ
IBC. Différentes perspectives d‟amélioration sont proposées, au niveau de la géométrie de la
structure principalement. Ces optimisations devraient permettre à la fois une simplification
des cellules Si-HJ IBC ainsi que l‟augmentation de leur rendement.
Abstract
This thesis explores a new way to enhance the efficiency of solar cells based on
crystalline silicon. This new approach uses a-Si:H / c-Si heterojunctions (Si-HJ) technology
applied on Interdigitated Back Contact (IBC) structures. Devices combining both technologies
can theoretically reach more than 25 % efficiency using a low temperature (≤ 200°C)
fabrication process. In this study, solar cells are fabricated on 25 cm2 n-type c-Si substrates.
The fabrication processes which are used are potentially suitable with industrialization
(PECVD, sputtering, screen-printing, LASER, metallic masks). Ultra-thin (between 5 and 30
nm) doped a-Si:H layers are used to fabricate both emitter and BSF regions at the rear of the
solar cells. Different a-Si:H, a-SiNx:H, a-SiCx:H and ITO materials are also studied to be
applied as passivating and / or anti-reflective coatings. To fabricate Si-HJ IBC solar cells,
different layers are localized through the use of patterned metallic masks which are
mechanically aligned.
The highest efficiency obtained by Si-HJ IBC devices reach here 12.7% efficiency. This
is to our knowledge the best result worldwide on n-type c-Si for this structure. The
performances of experimental devices are mainly limited by a low FF value. 2D-modelling of
Si-HJ IBC shows that the rear emitter and contact design can lead to some limitations on the
FF, but also on the Jsc values. This phenomenon can be attributed to a large “distributed”
series resistance in the Si-HJ IBC cells. Different ways to enhance the cell geometry are
proposed, as well as a simplified fabrication process. These optimizations should help to
obtain Si-HJ IBC solar cells with higher efficiency.
Top Related