[PDF] Etude du comportement thermique et électrique des cellules

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THÈSE

Pour obtenir le grade de

Spécialité : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie (2MGE)

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Frédéric JAY

Thèse dirigée par Anis Jouini et

codirigée par Delfina MuĖ préparée au sein du Laboratoire des cellules solaires à

HETérojonction (LHET) du

Atomiques et aux Energies Alternatives (CEA)

à l-INES)

dans l'École Doctorale Ingénierie-Matériaux Mécanique Energétique Environnement Procédés Production (I-MEP2)

Nouveaux substrats de silicium cristallin

destinés aux cellules photovoltaïques à haut rendement Cas du silicium mono-like et du dopage aux donneurs thermiques liés à cellules à hétérojonction de silicium

Thèse soutenue publiquement le 15/03/2016

devant le jury composé de :

Mme Anne KAMINSKI-CACHOPO

Professeur, IMEP-LAHC / Institut Polytechnique de Grenoble, Présidente

M. Mustapha LEMITI

Professeur, INSA lyon, Rapporteur

M. Ramon ALCUBILLA

Professeur, UPC Barcelone (Espagne), Rapporteur

M. Anis JOUINI

Ingénieur, CEA-INES Chambéry, Directeur de thèse

Mme Delfina MUĕOZ

Ingénieur, CEA-INES Chambéry, Co-encadrante

M. Derk BÄTZNER

Ingénieur, Meyer Burger Research AG Hauterive (Suisse), Examinateur

M. Christophe ALLEBE

Ingénieur, CSEM Neuchatel (Suisse), Membre invité

Remerciements

Ces trois années de thèse ont été, pour moi, iversité François Rabelais de Tours et prolongé durant cinq années au sein du CEA-INES. Je souhaite remercier, dans un premier temps, Anis Jouini et Delfina Munoz de nt ces années. Leur sensibilité, à la fois, pour le silicium cristallin et pour les cellules solaires HET, qui a été nécessaire au bon déroulement de ces travaux. Je remercie également Pierre-Jean Ribeyron et Charles Roux pour leurs conseils toujours avisés

Ce travail de thèse a été entièrement financé par le CEA, à cet égard je le remercie. Je

Vernay et Xavier Brun.

Je remercie Mustapha Lemiti et Ramon Alcubilla pour leur travail de rapporteur ainsi

Christophe Allébé de m

Coté CEA, je

années et plus particulièrement Fabien Ozanne, Christine Denis, Martin Vandenbossche, Nora cellules tout au long de la thèse. Renaud Varache pour ses coups de main sur les simulations et Wilfried Favre pour nos discutions et ses blagues geeko-douteuses. Egalement, toutes les équipes Restaure pour leur conseils et leur

Sans oublier Yannick Vesch

collaboration avec les équipes de

cristallisation. Je remercie donc les équipes matériaux et plus particulièrement Etienne Pihan,

Nelly Plassat, Mickaël Albaric et Jacky Standler. Je tiens à remercier Adrien Danel qui a été le premier à me faire confiance au sein de s grand merci à Benoit Martel et Jordi Veirman pour leur disponibilité et leur patience ainsi que leur compagnie dans les différents voyages que ce soit dans des capitales étrangères ou sur la véloroute.

Je ne peux pas oublier Florent Souche, avec qui j

lointains ; Raphaël " caboul » Cabal, pour ces conversations capillaires ; Bernadette

" bernie » Grange, et sa légendaire technique de ski ; Samuel Harrison, le dernier supporter de

Lyon, Guillaume " iouvéééééé

un match de foot sans parler de ski ; Thibaut " Gros TD » Desrues, le seul qui écoute de la

bonne musique en Savoie ; et le meilleur pour la fin, Lofti " le sage » Bounaas, qui a été mon

partenaire de cha inspiration pour essayer " de très bien écrire » ce manuscrit. Je ne peux pas passer à côté des open-spaciens, qui ont marqué de leur bonne humeur ces années de thèse et bien plus. Je voudrais citer, dans le désordre pour ne pas faire de jaloux, Adeline Lanterne, Sylvain " » DeVecchi, Fabien Dauzou, Nora Najid, Oriol Nos, Jordan " la pépite du milieu de terrain » Le Calvez, Romain " guichave » Champory, Mathieu " la machine » Tomassini, Miguel Cascant, Florent " le grand Robert » Tanay,

Aurélie Fauveau, Elénore Letty, Médéric Descazeaux, David Bertrand, les derniers

survivants, Tristan " on dit bien plusse je peux bien dire moinse » Carrere, et bien sûr Thomas

" blévouse » Blévin mon cher voisin Chambéry, JB, Cha, Marion, Flo, Guigui, Nico, Je remercie également les tourangeaux, Rom, Denis, Léa, Alex, Kaïs, Marina, Seb,

Laurence, Simon

époque je faisais partie

vais enfin pouvoir prendre la ra Je le remercie aussi pour sa manière de couper le saucisson, comme par chez nous, et son cou (mais regardez-moi ça). Je remercie les berrichons, Amélie Anso, Babar, Chonli, Fanny, Fio, Greg, Klm, La roma, La corne, Mara. T Finalement, je remercie ma famille, mes parents, mon frangin (un talent à suivre), mes

beaux-parents et celle qui a été la plus importante durant ces dernières années, Emelyne.

7

Table des matières

Introduction ....................................................................................................... 13

................................................................................................... 17

aïque ...................................... 23

Chapitre : I - Du silicium brut à la plaquette ................................................. 25

I.1 Purification du silicium.................................................................................................................... 25

I.1.1 De la silice au silicium métallurgique ............................................................................................ 25

I.1.2 Du silicium métallurgique au silicium électronique ....................................................................... 25

I.2 Cristallisation des lingots de silicium ......................................................................................... 26

I.2.1 Procédé de solidification dirigée .................................................................................................... 26

I.2.2 Procédé Czochralski ....................................................................................................................... 27

I.2.3 Procédé Float-Zone ........................................................................................................................ 28

I.3 Découpe de lingot en plaquettes .................................................................................................. 29

I.4 Défauts dans le silicium ................................................................................................................... 29

I.4.1 Défauts dans la maille cristalline .................................................................................................... 29

I.4.2 Impuretés métalliques ..................................................................................................................... 31

I.4.3 Dopage du silicium ......................................................................................................................... 31

I.4.4 Ségrégation des impuretés métalliques et dopantes ........................................................................ 33

................................................................................................................................. 34

I.4.6 . Recombinaison et durée de vie des porteurs de charge minoritaire ........................ 36

I.5 Conclusion chapitre 1 ....................................................................................................................... 41

Chapitre : II Cellules solaires à hétérojonction de silicium .......................... 43

II.1 Cellules solaires à homojonction : procédé basse température ...................................... 43

II.2 Cellule solaires à hétérojonction de silicium ........................................................................ 45

II.2.1 Propriétés du silicium amorphe hydrogéné ....................................................................... 46

II.2.2 Diagramme de bande ..................................................................................................................... 47

II.2.3 Interface a-Si:H et c-Si ................................................................................................................. 48

................................................................. 49

II.3.1 Etapes de texturation des surfaces ................................................................................................ 49

II.3.2 Nettoyages des surfaces ................................................................................................................ 49

II.3.3 Désoxydation des surfaces ............................................................................................................ 51

II.3.4 Déposition des couches de silicium amorphe hydrogéné .............................................................. 51

......................................................... 51

II.3.6 Métallisation des cellules ............................................................................................................. 51

II.4 Emetteur en face avant vs émetteur en face arrière ............................................................ 52

II.5 Procédés de fabrication utilisés durant ce travail de thèse .............................................. 53

II.6 Conclusion chapitre II ..................................................................................................................... 54

Chapitre : III - le silicium cristallin pour les cellules solaires SHJ .............. 57

III.1 Choix du dopage de type-n ........................................................................................................... 57

III.1.1 Historique .................................................................................................................................... 57

III.1.2 Affinité du silicium dopé avec la structure SHJ ........................................................................... 57

III.1.3 Influence de la durée de vie volumique sur les performances PV ............................................... 59

III.2 Silicium cristallins non-standards ............................................................................................ 60

III.3 Epaisseur des plaquettes et performances PV ..................................................................... 61

III.4 Conclusion du chapitre III ............................................................................................................ 62

8 Chapitre : IV - Caractérisation des échantillons : matériaux et cellules ..... 67

IV.1 Caractérisation du silicium cristallin ....................................................................................... 67

IV.1.1 Mesure de la concentration en oxygène interstitiel ...................................................................... 67

IV.1.1.a FTIR .......................................................................................................................................... 67

IV.1.1.b OXYMAP ................................................................................................................................. 68

IV.1.2 Observations de joints de grains et dislocations .......................................................................... 70

IV.1.2.a Photoluminescence (PL) ........................................................................................................... 70

IV.1.2.b Révélation chimique de défauts ponctuels : attaque Sopori ...................................................... 70

IV.1.3 Mesure de la résistivité du silicium ............................................................................................. 71

IV.1.3.a Méthodes des 4 pointes ............................................................................................................. 71

IV.1.3.b Méthodes du courant de Foucault (eddy current) ..................................................................... 72

IV.1.4 Mesure de la durée de vie des porteurs de charges ...................................................................... 73

IV.1.4.a Passivation des surfaces et choix des couches passivantes ....................................................... 73

IV.1.4.b Préparation des échantillons et améliorations de la passivation ............................................... 74

IV.1.4.c Technique de décroissance de la photoconductivité (µW-PCD) ............................................... 75

IV.1.4.d Technique de mesure de photoconductivité en régime quasi-stationnaire (Qss-PC) ................ 76

IV.1.4.e Technique de mesure de photoconductivité en régime transitoire (tr-PCD) ............................. 76

IV.2 Caractérisation des cellules solaires ........................................................................................ 77

IV.2.1 Mesure tension-courant sous éclairement .................................................................................... 77

IV.2.2 Mesure tension-courant sous obscurité ........................................................................................ 78

IV.2.3 Modèle à 2 diodes ........................................................................................................................ 78

IV.2.4 Mesure de courants induits par un faisceau lumineux (LBIC) .................................................... 79

IV.3 Simulation AFORS-HET .................................................................................................................. 80

IV.4 Conclusion chapitre IV ................................................................................................................... 81

Chapitre : V - Le silicium Mono-like pour les cellules SHJ .......................... 83

V.1 Présentation de la technologie de cristallisation mono-like ............................................ 83

V.2 Cristallisation des lingots .............................................................................................................. 85

V.3 Evaluation et préparation des plaquettes pour la fabrication de cellules solaires .. 86

V.3.1 Propriétés électriques du matériau après cristallisation ................................................................ 86

V.3.2 Amélioration des propriétés électriques du silicium ..................................................................... 89

V.3.2.a Effet getter : diffusion Phosphore .............................................................................................. 89

V.3.2.b Hydrogénation : nitrure de silicium hydrogéné .......................................................................... 90

V.3.2.c Choi ................................................ 90

V.3.2.d Application aux plaquettes destinées aux cellules solaires ........................................................ 92

performances photovoltaïques` .......................................................................................................... 93

................................................................ 93

V.4.2 Performances photovoltaïques des briques mono-like .................................................................. 94

V.4.3 Influence de la zone multicristalline sur le Jcc ............................................................................... 95

V.4.4 Influence des dislocations sur le rendement de conversion ........................................................... 96

V.5 Mono-like pour les hauts rendements ...................................................................................... 98

V.6 Conclusion du chapitre V et perspectives ................................................................................ 99

Chapitre : VI - Dopage du silicium par les donneurs thermiques ............. 103

VI.1.1 Origine et mécanisme de génération des DT ............................................................................. 104

VI.1.2 Cinétique de génération des DT et dopage du silicium ............................................................. 106

VI.1.3 Destruction des DT .................................................................................................................... 108

VI.1.4 Propriétés de recombinaisons des DT ........................................................................................ 108

VI.1.5 Les DT dans les lingots Cz industriels pour les cellules solaires SHJ ....................................... 110

VI.1.6 Objectif du chapitre : Les DT pour contrôler les propriétés électriques du silicium ................. 112

VI.2.1 Description et caractérisation des lingots Cz-DT 1 et Cz-DT 2 ................................................. 115

VI.2.2 Génération des DT et ajustement du dopage ............................................................................. 117

VI.2.2.a Détermination des durées de recuits à 450°C ......................................................................... 117

9

VI.2.2.b Description du four et des recuits à 450°C ............................................................................. 117

VI.2.2.c Evolution de la résistivité ........................................................................................................ 118

VI.2.3 Effet de la concentration de DT sur la durée de vie des porteurs de charge .............................. 119

VI.2.4 Performances Photovoltaïques des cellules solaires SHJ .......................................................... 122

VI.2.4.a Procédé de fabrication des cellules adapté ............................................................................. 122

VI.2.4.b Influence de la génération de DT sur les performances photovoltaïques ............................... 122

VI.2.4.c Simulation des performances cellules ..................................................................................... 125

VI.2.4.d Amélioration des performances photovoltaïques des cellules SHJ ......................................... 127

...................................................................... 128

VI.2.4.f Simulation de profil de dopage et leur influence sur les performances photovoltaïques ......... 129

VI.2.4.g Influence du profil de dopage en profondeur sur les performances PV .................................. 130

VI.2.5 Conclusion intermédiaire 1 - Spécifications du matériau dopé aux DT destinées à la fabrication

de cellules solaires SHJ à hauts rendements ......................................................................................... 131

VI.3.1 Description et caractérisation du lingot Cz ................................................................................ 132

VI.3.2 Ajustement du dopage du lingot Cz par génération de DT ........................................................ 135

VI.3.2.a Description du four et contrôle des recuits ............................................................................. 135

VI.3.2.b Ajustement de la résistivité ...................................................................................................... 136

VI.3.3 Caractérisation du silicium dopé aux DT................................................................................... 137

VI.3.3.a Mesure de résistivité et oxygène interstitiel ............................................................................ 137

............ 139

VI.3.3.c Mesures de contaminations métalliques .................................................................................. 141

VI.3.4 Performances Photovoltaïques des cellules solaires SHJ .......................................................... 142

VI.3.5 Conclusion intermédiaire 2 ................................. 146quotesdbs_dbs50.pdfusesText_50

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