Nouveaux concepts pour la réalisation de cellules

Transcription

N° d‟ordre 2007-ISAL-0106
Année 2007
Thèse
Nouveaux concepts pour la réalisation de
cellules photovoltaïques à contacts
interdigités sur substrats minces en
silicium cristallin
présentée devant
L‟Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
pour obtenir
le grade de docteur
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique
Spécialité : Dispositifs de l‟Electronique Intégrée
par
Pierre PAPET
Ingénieur ENSIM (Le Mans)
Soutenue le 21 decembre 2007 devant la Commission d‟examen
Jury
GOAER Gilles
GUILLOT Gérard
HILALI Mohamed
KAMINSKI Anne
LEMITI Mustapha
MARTINUZZI Santo
MULLER Jean-Claude
TERAO Akira
VESCHETTI Yannick
Directeur Technique (PHOTOWATT, Bourgoin)
Professeur (INL, Lyon)
Docteur (ADVENT SOLAR, USA)
Maître de Conférences (INL, Lyon)
Professeur (TECSEN, Marseille)
Docteur Habilité (InESS, Strasbourg)
Responsable Technique (SUNPOWER, USA)
Docteur (CEA-GENEC, Grenoble)
Invité
Directrice
Directeur
Rapporteur
Rapporteur
Invité
Invité
Cette thèse a été préparée à l’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INSA de Lyon)
1
Ecoles Doctorales
SIGLE
CHIMIE
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ECOLE DOCTORALE
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SCIENCES DES SOCIETES, DE
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2
Pierre PAPET / Thèse en Physique / 2007 / INSA de LYON
3
SOMMAIRE
Introduction Générale .......................................................................................... 7
Bibliographie de l’introduction .................................................................................................................... 10
----------
Chapitre I - La cellule photovoltaïque en silicium ........................................... 12
Introduction ................................................................................................................................................... 12
I .1 - Notions préliminaires sur le rayonnement solaire............................................................... 12
I .2 - Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque ............................................ 13
I.2.1 - Historique.......................................................................................................................................... 13
I.2.2 - L’effet photovoltaïque ...................................................................................................................... 14
I.2.2.1 - Le transfert de l’énergie du photon à l’électron ........................................................................ 14
I.2.2.2 - La collecte des porteurs photogénérés ....................................................................................... 16
I .3 - Facteurs limitant le rendement ............................................................................................. 18
I.3.1 - Pertes engendrées par l’utilisation du silicium .................................................................................. 18
I.3.2 - Les pertes technologiques ................................................................................................................. 19
I .4 - Technologies pour la réduction des pertes ........................................................................... 20
I.4.1 - Passivation des faces avant et arrière ................................................................................................ 20
I.4.2 - Couche antireflet ............................................................................................................................... 20
I.4.3 - Texturation de la surface ................................................................................................................... 21
I.4.4 - Contacts face avant et arrière ............................................................................................................ 21
I.4.5 - BSF ................................................................................................................................................... 21
I .5 - Les principaux types de cellules à base de silicium cristallin ............................................. 22
I.5.1 - La cellule PERL ................................................................................................................................ 22
I.5.2 - La cellule standard industrielle ......................................................................................................... 23
I.5.3 - Les Structure HIT ............................................................................................................................. 24
I.5.4 - Les cellules RCC............................................................................................................................... 25
I .6 - La filière silicium sur couche mince ..................................................................................... 26
I.6.1 - Le coût des cellules Photovoltaïques ................................................................................................ 26
I.6.2 - Les avantages des couches minces .................................................................................................... 27
I.6.3 - Le procédé ELIT (Epitaxial Layer for Interdigitated back contacts on Transferred solar cells) ....... 28
I.6.4 - L’utilisation des cellules à jonction arrière dans le procédé couche mince ELIT ............................. 29
Conclusion ...................................................................................................................................................... 30
Bibliographie du Chapitre I ......................................................................................................................... 31
----------
Chapitre II - Les techniques de caractérisation ................................................ 34
Introduction ................................................................................................................................................... 34
II .1 - La caractérisation I-V sous éclairement ............................................................................. 34
II.1.1 - Le principe ....................................................................................................................................... 34
II.1.2 - Le système de mesure ...................................................................................................................... 36
II .2 - La mesure Suns-Voc ............................................................................................................. 38
II .3 - La mesure I-V sous obscurité .............................................................................................. 40
II .4 - La mesure des résistances de contact par la méthode TLM ............................................. 42
II .5 - La mesure de durée de vie effective .................................................................................... 44
II.5.1 - Les recombinaisons radiatives ......................................................................................................... 44
II.5.2 - Les recombinaisons Auger .............................................................................................................. 45
II.5.3 - Les recombinaisons dues aux défauts dans le substrat .................................................................... 45
4
II.5.4 - Les recombinaisons en surfaces ....................................................................................................... 46
II.5.5 - Les structures de mesure de durée de vie effective .......................................................................... 48
II.5.6 - La mesure de la durée de vie effective par la méthode PCD ........................................................... 49
II .6 - La mesure de réflectivité ...................................................................................................... 52
II .7 - La mesure de réponse spectrale........................................................................................... 53
II.7.1 - Principe de la mesure ....................................................................................................................... 53
II.7.2 - La réponse spectrale des cellules à jonction arrière ......................................................................... 54
II .8 - La mesure de courant induit par faisceau laser (LBIC) ................................................... 57
Conclusion ...................................................................................................................................................... 59
Bibliographie du Chapitre II ........................................................................................................................ 60
----------
Chapitre III - La réalisation des cellules à jonction arrière ............................ 62
Introduction ................................................................................................................................................... 62
III .1 - Le procédé technologique standard ................................................................................... 62
III.1.1 - Le protocole de fabrication............................................................................................................. 62
III.1.2 - Le dimensionnement des cellules ................................................................................................... 65
III.1.3 - Le choix de la résine ....................................................................................................................... 67
III.1.4 - La formation de la barrière de diffusion par croissance ou dépôt d’oxyde de silicium .................. 68
III.1.5 - L’utilisation d’une couche de SiNx en face arrière ......................................................................... 69
III.1.6 - L’utilisation d’un contact partiel émetteur-métal ........................................................................... 69
III .2 - La texturation par TMAH.................................................................................................. 71
III.2.1 - Introduction .................................................................................................................................... 71
III.2.2 - Expérimental .................................................................................................................................. 72
III.2.3 - L’uniformité et la fiabilité du procédé de texturisation .................................................................. 73
III.2.4 - Optimisation des paramètres de gravure ........................................................................................ 75
III.2.5 - La qualité de passivation des surfaces texturées ............................................................................ 77
III.2.6 - La caractérisation de la contamination de l’oxyde de silicium par les solutions de texturation ..... 78
III.2.7 - Les améliorations optiques engendrées par la texturisation et le dépôt de la couche antireflet ...... 79
III .3 - La simplification du procédé de fabrication des cellules ................................................. 80
III.3.1 - Les différents procédés simplifiés ................................................................................................. 80
III.3.2 - Notre procédé auto-aligné .............................................................................................................. 81
III.3.3 - La formation des ponts ................................................................................................................... 83
Conclusion ...................................................................................................................................................... 85
Bibliographie du Chapitre III. ..................................................................................................................... 86
-----------
Chapitre IV - L’optimisation des cellules à jonction arrière ............................ 88
Introduction ................................................................................................................................................... 88
IV .1 - Influence de la face avant sur le rendement des cellules .................................................. 88
IV.1.1 - Simulation de l’influence de la face avant sur le rendement des cellules ...................................... 88
IV.1.2 - Tests de différentes structures de passivation en face avant .......................................................... 90
IV.1.2.1 - Influence de la face avant sur la caractéristique I-V sous éclairement ................................... 90
IV.1.2.2 - Etude de la vitesse de recombinaison en surface par des mesures de durée de vie ................ 92
IV.1.2.3 - Evolution des caractéristiques I-V sous obscurité en fonction de la face avant ..................... 93
IV.1.2.4 - Comparaison entre les différentes méthodes de mesures ....................................................... 94
IV.1.3 - L’utilisation d’une double couche antireflet .................................................................................. 96
IV .2 - Influence de l’émetteur en face arrière ............................................................................. 98
IV.2.1 - L’influence du dopage sur la réalisation de cellule standard.......................................................... 98
IV.2.2 - La prise de contact partiel sur l’émetteur ..................................................................................... 101
IV.2.2.1 - Influence d’un diélectrique sur la réflectivité de la face arrière ........................................... 101
IV.2.2.2 - Evolution de la passivation de l’émetteur avec un diélectrique ............................................ 101
IV.2.2.3 - La structure point contact ..................................................................................................... 104
5
IV.2.2.4 - L’influence de la zone entre les contacts .............................................................................. 105
IV .3 - Influence de l’épaisseur du substrat ................................................................................ 107
IV.3.1 - Evolution des paramètres I-V sous éclairement en fonction de l’épaisseur du substrat ............... 107
IV.3.2 - Influence de l’épaisseur du substrat sur la résistance série .......................................................... 108
IV.3.2.1 - Evolution de la cartographie LBIC des cellules en fonction de l’épaisseur du substrat ....... 110
IV .4 - L’influence du champ arrière p+ et du contact p ............................................................ 112
IV .5 - La structure auto alignée .................................................................................................. 114
IV .6 - La réalisation de cellule sur couche mince ...................................................................... 115
Conclusion .................................................................................................................................................... 117
Bibliographie du Chapitre IV ..................................................................................................................... 118
----------
Chapitre V - La cellule Emitter Wrap Through .............................................. 120
Introduction ................................................................................................................................................. 120
V .1 - La cellule EWT.................................................................................................................... 121
V.1.1 - Les intérêts de cette structure ........................................................................................................ 122
V.1.2 - Les principaux résultats obtenus dans la littérature ....................................................................... 122
V .2 - Les points spécifiques à la réalisation des cellules EWT ................................................. 123
V.2.1 - La formation des trous ................................................................................................................... 123
V.2.2 - La distribution des trous ................................................................................................................ 123
V.2.3 - Définition de la jonction sur la face arrière ................................................................................... 125
V .3 - Advent solar, Inc ................................................................................................................. 126
V.3.1 - Présentation de l’entreprise ........................................................................................................... 126
V.3.2 - La technologie ............................................................................................................................... 126
V .4 - Mise en place de l’émetteur sélectif ................................................................................... 127
V.4.1 - Etude de l’influence du dopage de l’émetteur en face arrière ....................................................... 127
V.4.2 - Premiers tests sur la passivation surfacique et volumique ............................................................. 130
V .5 - La réalisation de cellules EWT par émetteur sélectif ...................................................... 132
V.5.1 - Réalisation de cellules EWT à émetteur sélectif ........................................................................... 132
V.5.2 - Evolution de la durée de vie entre le procédé standard et le procédé à émetteur sélectif .............. 135
V .6 - Le rôle de la texturisation de surface ................................................................................ 136
V.6.1 - L’effet de la texturation sur le procédé standard ........................................................................... 136
V.6.2 - Emetteur sélectif sur plaques texturées ......................................................................................... 138
V .7 - Gravure du silicium multicristallin à l’aide du TMAH................................................... 140
V .8 - La passivation surfacique par Oxyde Nitrure .................................................................. 143
V.8.1 - Caractérisation de la passivation par SiO2/SiNx ............................................................................ 143
V.8.2 - Réalisation de cellules présentant une passivation par double couche SiO2/ SiNx ........................ 144
Conclusion .................................................................................................................................................... 145
Bibliographie du Chapitre V ...................................................................................................................... 146
---------
Conclusions Générales ..................................................................................... 148
Perspectives ....................................................................................................... 150
6
Introduction Générale
La demande en énergie est sans cesse en augmentation suite au développement
de l‟industrie, du transport et de la croissance à travers le monde. Selon la majorité des
prévisionnistes, la consommation d‟énergie primaire commerciale devrait doubler d‟ici
2030, puis tripler aux environs de 2050. C‟est pour cette raison que la production
d‟énergie est une problématique centrale de notre société avec des retombées à tous
niveaux (économique, géopolitique, environnemental, social…).
Actuellement, la production mondiale d‟énergie repose à plus de 85% sur les
énergies fossiles et fissibles (2004 : pétrole 34.3%, charbon 25.1%, gaz naturel 20.9%,
uranium 6.5%) [1]. Cependant, ces dernières sont disponibles en quantité limitée et leurs
délais d‟épuisement sont estimés à quelques décennies. De plus, la combustion des
énergies fossiles entraîne l‟augmentation des émissions de gaz à effet de serre qui
confronte la planète aux phénomènes de réchauffement climatique.
La production d‟électricité repose aux 2/3 sur les énergies fossiles (2004 :
charbon 39.8%, gaz 19.6%, pétrole 6.7%). Les sources d‟énergies renouvelables sous
leurs multiples formes : hydroélectrique, solaire photovoltaïque, biomasse, géothermie
profonde… permettent de produire cette énergie électrique sans dégrader
l‟environnement et elles constituent des ressources pratiquement inépuisables.
a)
b)
Figure I-1 : a) Surface de capteurs photovoltaïques nécessaire pour couvrir les besoins
énergétiques des Etats-Unis avec des modules à 10% de rendement [2]. b) Evolution de la
production mondiale de cellules photovoltaiques [MWc].
L‟énergie photovoltaïque, basée sur la transformation directe de l‟énergie
lumineuse du soleil en électricité, se distingue des autres énergies renouvelables par son
important potentiel énergétique. En effet, la quantité totale d‟énergie reçue par le
rayonnement solaire au niveau du sol pendant une semaine dépasse l‟énergie productible
par l‟ensemble des réserves mondiales de pétrole, de charbon, de gaz et d‟uranium [3].
Cependant la conversion de l‟énergie du rayonnement solaire en électricité n‟est pas
totale. La Figure I-1(a) illustre la surface de capteurs photovoltaïques nécessaire afin de
couvrir la consommation des Etats-Unis (premier émetteur de gaz à effet de serre). Ce
n‟est qu‟une représentation imagée car l‟approvisionnement continu en énergie se doit
d‟être multi-sources (hydraulique, éolien, biomasse, géothermie profonde, force maréemotrice...). Néanmoins, le domaine photovoltaïque présente de nombreux avantages :
7
l‟énergie solaire est relativement bien répartie à la surface du globe et la production
d‟électricité photovoltaïque coïncide avec les pics de consommation (journée). De plus,
ces systèmes exigent peu d‟entretien, sont fiables, modulables, non polluants et
silencieux. Enfin, le retour sur investissement « énergétique » est relativement court : il
faut en moyenne 3 à 4 ans pour rembourser l‟énergie consommée par la fabrication des
panneaux (pour une durée de vie de 25 à 50 ans)[2].
L‟énergie photovoltaïque peut de plus revêtir un aspect social : actuellement, un
quart de la population mondiale n‟a pas accès à l‟électricité [4]. Cette population,
majoritairement regroupée dans les zones rurales des pays en voie de développement,
obtiendrait par l‟installation de panneaux photovoltaïque un accès à l‟éle ctricité qui
jouerait un rôle majeur dans l‟évolution de leur niveau de vie. Dans ces zones rurales, le
développement d‟un système de connexion longue distance est beaucoup trop onéreux et
l‟installation de système photovoltaïque serait la solution la plus économique.
La production mondiale d‟énergie solaire photovoltaïque connaît depuis 1992
une croissance annuelle de 10 à 30% et a littéralement explosé depuis 2004 avec une
croissance d‟environ 40% par an, Figure I-1(b). En 2005, 1GWc a été installé et les
projections les plus courantes prévoient un marché annuel de l‟ordre de 3GWc pour
l‟année 2010 et entre 9 et 21GWc pour 2020. Cette augmentation de production entraîne
une baisse progressive du prix des modules d‟environ 5% par an (aujourd‟hui compris
aux environs de 2.25 €/Wc). L‟objectif de la recherche et du développement est de
diminuer le coût des cellules à moins de 1€/Wc aux horizons de 2020 tout en utilisant
des procédés de fabrication dans le respect de l‟environnement afin de créer un véritable
marché concurrentiel aux autres sources d‟énergie (fossiles, nucléaires,
hydroélectriques), considérées jusqu‟à aujourd‟hui comme moins coûteuses.
Les cellules photovoltaïques industrielles sont réalisées à 95% à partir de
silicium [5]. Ce matériau est le second élément le plus abondant sur terre (après
l‟oxygène), il est non toxique et sa technologie est facilement industrialisable. Pour
réaliser des cellules photovoltaïques, le silicium est généralement purifié afin d‟être de
qualité électronique. Alors que l‟industrie photovoltaïque utilisait il y a quelques années
les déchets de la micro électrique pour subvenir à ses besoins en silicium, le marché
photovoltaïque est maintenant, par son dynamisme, le premier acheteur de silicium (de
qualité électronique). De ce fait, la demande en ce matériau évoluant beaucoup plus
rapidement que l‟offre, on assiste depuis quelques années à l‟envolée de son cours.
Dans le coût d‟une cellule, le substrat de silicium intervient à 50% de sa valeur
et de nombreuses études visent à réduire son importance. De nouvelles techniques de
purification du silicium de qualité métallurgique sont en plein essor [6] et permettront
prochainement d‟obtenir du silicium en plus grande quantité et à faible coût.
La diminution des coûts de revient passe aussi par une diminution de l‟épaisseur
des plaques de silicium (de 350-300µm à 220-150µm) et l‟utilisation de silicium de
moins bonne qualité électronique [7].
Dans ce cadre, l‟INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon) développe depuis
quelques années des procédés de réalisation de cellules photovoltaïques sur couche s
minces. Ces couches de silicium monocristallin d‟environ 50µm sont réalisées par
épitaxie (en phase liquide ou gazeuse), puis par une technique de transfert de couche,
elles peuvent être collées sur substrat étranger (céramique ou verre). En adéquation a vec
ce procédé de croissance et dans le but d‟obtenir de bonnes performances
photovoltaïques, nous avons décidé de développer des cellules photovoltaïques à
contacts arrière interdigités sur les couches épitaxiées. Les premières études ont été
8
réalisées, sur ce sujet, par O.Nichiporuk [10] et J. Kraiem [9] qui ont obtenu des
résultats très prometteurs mais certains points restaient à approfondir.
Les travaux présentés à travers cette thèse sont orientés vers la compréhension
et l‟amélioration des procédés de fabrication des cellules à contacts arrière interdigités.
Ce rapport de thèse se décompose de la façon suivante :
Le premier chapitre présente le fonctionnement de la cellule photovoltaïque en
silicium. Le principe de la conversion photovoltaïque est rappelé, ainsi que les différents
facteurs influençant l‟efficacité des cellules. Nous introduisons les principaux types de
cellules sur silicium cristallin et les intérêts du développement des couches minces.
Dans le second chapitre sont décrites les techniques, méthodes et dispositifs de
caractérisation des cellules photovoltaïques. Chaque système disponible au laboratoire
de l‟INL est présenté de manière générale et certaines spécificités liées aux cellules à
contacts arrière interdigités sont développées.
Le troisième chapitre est axé sur la réalisation de cellules à jonction arrière.
Dans cette partie, deux procédés de fabrication sont détaillés. Le premier est con stitué
de nombreuses étapes technologiques et il a pour but de produire des cellules à haut
rendement. Le deuxième procédé a quant à lui été développé pour produire des cellules
avec le moins d‟étape possible. Ce chapitre présente aussi une nouvelle méthod e de
texturation qui a été développée au cours de cette thèse.
Le quatrième chapitre résume les principaux résultats obtenus sur les cellules à
jonction arrière. L‟influence des différents éléments constituant la cellule y est
présentée, ainsi que les améliorations que j‟ai pu leur apporter.
Le cinquième chapitre est dédié aux cellules à jonctions arrière de type EWT
(Emitter Wrap Trough). Ce type de cellules présente un potentiel énorme dans le marché
photovoltaïque actuel car leur fabrication ne nécessite pas de substrats de silicium
onéreux (multicristallin, fin) pour obtenir des rendements équivalents voire supérieurs
aux cellules conventionnelles. Dans ce chapitre sont développées les études que j‟ai
réalisées au sein de l‟unique fabricant de cellules EWT, Advent Solar, Inc.
9
Bibliographie de l’introduction
[1]
Key World Energy Statistics [en ligne]. International Energy Agency, 2006, 82 p.
Disponible sur : <http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2006/key2006.pdf> (consulté le
15/10/07)
[2]
BALLIF C. Energie photovoltaïque: richesse d’une science et potentiel d’applications
[en ligne]. IMT – Université de Neuchâtel, 2006, 37 p. Disponible sur :
<http://www2.unine.ch/webdav/site/imt/shared/documents/agenda/lecon_inaug_ballif_avril_0
6.pdf> (consulté le 01/02/07)
[3]
Observ’Er Baromètre du solaire Photovoltaïque, Systèmes Solaires, Avril 2004,
N°160, pp. 69-83.
[4]
Key World Energy Statistics [en ligne]. International Energy Agency, 2005, 1 p.
Disponible sur : < http://www.iea.org/Textbase/work/2005/poverty/blurb.pdf > (consulté le
15/10/07)
[5]
Swanson R.M. A Vision for crystalline silicon photovoltaics. Prog. Photovolt: Res.
Appl. 2006, vol. 14, pp. 443-453.
[6]
Einshaus R., Kraiem J., Cocco F. et Al. Photosil-Simplified Production of Solar
Silicon from Metallurgical Silicon. Proc. 21th European Solar Energy Conference, Dresden,
Germany, 2006, pp. 580-584.
[7]
Seren S., Hahn G., Gutjahr A. Ribbon Growth on substrate – a roadmap to higher
efficiencies. Proc. 21th European Solar Energy Conference, Dresden, Germany, 2006, pp.
668-675.
[8]
NICHIPORUK O. Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaiques à
contacts arrière interdigités, Thèse LPM. Lyon : INSA de Lyon, 2005, 154 p.
[9]
KRAIEM J. Epitaxie et transfert de films minces de silicium pour applications
photovoltaiques. Thèse LPM. Lyon : INSA de Lyon, 2005, 176 p.
10
11
Chapitre I - La cellule photovoltaïque en silicium
Introduction
Ce chapitre présente les bases indispensables à la compréhension du sujet. Nous
abordons quelques notions sur la source d‟énergie que représente le sol eil et son
application dans le domaine photovoltaïque. Le fonctionnement des cellules
photovoltaïques, leurs caractéristiques principales et leurs limites sont décrits. Nous
décrirons aussi les principaux types de cellules réalisées sur silicium cristallin et
l‟importance croissante des couches minces dans le domaine photovoltaïque. Le procédé
ELIT développé au sein de l‟INL dans le cadre de l‟étude des couches minces est décrit
et nous finirons sur les objectifs de cette thèse.
I .1 - Notions préliminaires sur le rayonnement solaire
Le développement, l‟optimisation et la caractérisation de cellules
photovoltaïques impliquent une certaine connaissance de la source d‟énergie utilisée : le
soleil. La surface de celui-ci se comporte comme un corps noir à la température
d‟environ 5800 K conduisant à un pic d‟émission situé à une longueur d‟onde de 0,5
µm[1]. Le rayonnement solaire moyen obtenu hors atmosphère terrestre est d‟environ
1.36kW/m2. A son entrée dans l‟atmosphère, l‟irradiance du soleil va être pondérée par
divers facteurs présents à la surface de la terre : l‟absorption par les différentes couches
de l‟atmosphère, les conditions climatiques, la longitude et l‟altitude d‟observation ainsi
que la saison. Des gaz comme l‟ozone (O 3 ) pour des longueurs d‟onde inférieures à 0,3
µm, le dioxyde de carbone (CO 2 ) et la vapeur d‟eau (H 2 O) pour les infrarouges au
dessus de 2 µm, absorbent les énergies proches de leur énergie de liaison, ce qui conduit
à des «trous» dans le spectre solaire visible au sol, (Figure I-1). Par ailleurs, les
poussières et aérosols présents dans l‟atmosphère conduisent à une absorption répartie
quasiment sur toute la gamme spectrale, ce qui entraîne une baisse globale de la
puissance incidente.
Figure I-1 : Représentation graphique des spectres AM0 et AM1.5 d’après [1]. Le domaine
spectral utile aux cellules en silicium est mis en évidence.
12
L‟intensité lumineuse et le spectre du soleil variant à la surface de la Terre, des
références appelées Air Mass (AM) ont été établies afin de comparer et d‟unifier les
performances des cellules photovoltaïques élaborées dans le monde. AM0 correspond à
l‟irradiance hors atmosphère. AM1 correspond à l‟irradiance du soleil lorsqu‟il est au
zénith, distance minimum à parcourir par les photons à travers l‟atmosphère. La
référence la plus utilisée est AM1.5G, elle correspond à une position à 45° du soleil par
rapport au zénith et permet d‟obtenir un rayonnement d‟environ 1kW/m 2 . Le «G»
représente le rayonnement "Global" incluant rayonnement direct et rayonnement diffus.
Il apparaît que la partie la plus importante du spectre solaire à la surface de la
terre concerne le domaine du visible et du proche infrarouge. Les irradiances définies
par le nombre AM ne tiennent toutefois pas compte de la variété des conditions
climatiques, et de l‟altitude du lieu. La terre présente ainsi de grandes disparités dans la
répartition de la puissance solaire : par exemple, en France avec la Figure I-2.
Figure I-2 : Moyennes annuelles de l’énergie reçue sur une surface orientée au sud et
inclinée d’un angle égal à la latitude (en kWh/m2.jour) [1].
I .2 - Le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
I.2.1 - Historique
L‟effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par E. Becquerel, père d‟Henri
Becquerel qui découvrit en 1896 la radioactivité. Il mit en évidence pour la première
fois la propriété qu‟ont certains matériaux de convertir directement la lumière en courant
électrique. Pratiquement un siècle plus tard, les bases théoriques du photovoltaïque
furent posées par Albert Einstein, en 1912. Il postula que la lumière entrant dans ce type
de matériaux était à l‟origine de collisions entre les photons et les atomes, provoquant
ainsi l‟expulsion des électrons de leur orbite et créant ainsi un courant électrique. Mais
ce n‟est qu‟en 1954 que la première cellule photovoltaïque en semi-conducteur a été
mise au point par des chercheurs du laboratoire Bell aux USA permettant d‟obtenir un
rendement de 4,5% [3].
13
I.2.2 - L’effet photovoltaïque
L‟effet Photovoltaïque est la transformation directe d‟une énergie
électromagnétique (rayonnement) en énergie électrique de type continu utilisable. Les
cellules photovoltaïques sont donc capables à la fois de permettre le transfert d‟énergie
du photon absorbé à un électron et la collecte de cet électron de plus haute énergie par
un circuit extérieur.
I.2.2.1 - Le transfert de l’énergie du photon à l’électron
A chaque photon, on associe une longueur d‟onde λ telle que E ph = hν où ν est la
fréquence associée à la longueur d‟onde. Pour passer de l‟énergie du photon E ph à la
longueur d‟onde, on utilise la relation suivante où λ est en μm :
E ph 
h.c

(I-1)
La cellule solaire est sensible seulement dans un domaine de longueurs d‟onde
particulier et seul un matériau semi-conducteur dispose de la structure de bande
nécessaire à la génération, à partir du rayonnement solaire, de paires électrons -trous
utilisables.
En effet, dans un métal, tous les niveaux supérieurs au niveau de Fermi sont
autorisés et toutes les longueurs d‟onde sont donc susceptibles d‟être absorbées.
Cependant, les paires électrons-trous générées se recombinent quasi-instantanément (10 12
à 10-13 s), ce qui ne laisse pas la possibilité de les exploiter.
Dans un isolant, le photon n‟interagira avec un électron qu‟en lui fournissant
une énergie supérieure à celle du gap, à savoir supérieure à 8 eV, ce qui correspond à
des λ<0,15 μm. Ainsi, le rayonnement solaire ne sera pas absorbé.
Dans un semi-conducteur, la structure des bandes de conduction et de valence
définissent un gap plus faible que dans le cas des isolants : de 0.3 eV à 2 ou 3 eV. La
génération de paires électrons-trous est engendrée par absorption d‟un photon qui
permet à un électron de la bande de valence de passer dans la bande de conduction.
Celui-ci laisse une pseudo-charge positive dans la bande de valence : le trou. Cette
transition est régie par les lois de la conservation de l‟énergie et de la quantité de
mouvement.
Figure I-3 : Transitions inter-bandes d’électrons dans un semiconducteur. Le cas a)
correspond à un semiconducteur à gap direct, le cas b) à un gap indirect (d’après [4]).
14
La Figure I-3 présente les différentes transitions possibles selon la nature du
gap. Quand le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de
valence coïncident dans l‟espace des K, il s‟agit d‟un gap direct. Les transitions interbandes s‟effectuent verticalement, et sont donc radiatives (Figure I-3 (a)). Ceci illustre
le fonctionnement des semi-conducteurs binaires III-V, tels que le GaAs, beaucoup
utilisés en optoélectronique. Dans le cas du silicium, le gap est indirect : les transitions
électroniques entre les extrema des bandes sont obliques, donc non radiatives
puisqu‟elles impliquent un changement du vecteur d‟onde de l‟électron. Les électrons du
sommet de la bande de valence peuvent toutefois être directement excités vers le
minimum relatif central de la bande de conduction grâce à un photon de plus grande
énergie. Pour que la transition s‟effectue dans le gap indirect, il faut qu‟un phon on soit
au préalable absorbé (ou émis) par l‟électron, afin que le vecteur d‟onde de ce dernier
corresponde au maximum de la bande de valence, pour absorber un photon ( Figure
I-3(b)). Notons que la valeur du gap indirect du silicium est de 1,12 eV à 300 K (ce qui
correspond à une longueur d‟onde de 1107 nm) mais que celle du premier gap direct
vaut 3,4 eV (soit 365 nm).
L‟interaction entre les photons et les électrons se traduit pour le Silicium par le
coefficient d‟absorption. Il correspond au nombre de photons absorbés par unité
d‟épaisseur de matériau en fonction de la longueur d‟onde. Pour le silicium ( Figure I-4),
la majorité des photons ayant une énergie supérieure au gap direct de 3,4 eV (365nm) est
absorbée dans les 10 premiers nanomètres du matériau. Ces transitions directes ne sont
plus possibles pour des longueurs d‟onde plus importantes. Il faut alors qu‟un (ou
plusieurs) phonon vienne assister l‟électron pour que ce dernier passe dans la bande de
conduction, réduisant ainsi la probabilité de transition. Le coefficient d‟absorption
diminue donc pour des longueurs d‟onde croissantes. Lorsque l‟énergie du photon
devient inférieure à celle du gap du matériau (à l‟énergie d‟un photon pr ès), la transition
n‟est plus possible et le photon n‟est pas absorbé.
Figure I-4 : Coefficient d’absorption du silicium et profondeur de pénétration des photons en
fonction de la longueur d’onde, d’après [1].
15
L‟interaction photon/électron au sein du semi-conducteur se traduit finalement
par la génération d‟une paire électron-trou, qui modifie localement la conductivité du
matériau. Le dopage du silicium (p ou n) étant en général supérieur au taux de
photogénération (régime de basse injection), les porteurs minoritaires (électrons dans un
matériau de type p et trous dans un matériau de type n) sont métastables et n‟existeront
en moyenne que pour un temps égal à la durée de vie τ. Elle correspond au temps moyen
entre la création d‟une paire électron-trou et sa recombinaison. Il faut donc pour créer un
courant électrique dissocier les paires électrons-trous photogénérées et les collecter dans
un circuit électrique extérieur avant qu‟elles ne se recombinent librement au sein du
matériau.
I.2.2.2 - La collecte des porteurs photogénérés
La séparation des paires électrons-trous est en général réalisée dans les cellules
photovoltaïques par la création d‟une barrière de potentiel dans le semi-conducteur. Les
types de barrières les plus communes sont l‟homojonction (jonction p/n dans le même
semi-conducteur), hétérojonction (jonction p/n entre deux matériaux différents) et
barrières Schottky (métal/ semiconducteur). Dans le cas des cellules photovoltaïque,
l‟homojonction par sur-dopage du silicium est la solution la plus utilisée, Figure I-5.
Figure I-5 Structure (image gauche) et diagramme de bande (image droite) d’une cellule
photovoltaïque. Les dimensions respectives des différentes zones ne sont pas respectées.
Les photo-porteurs auront un comportement différent suivant la région où ils
sont créés :
 Dans la zone n ou p, les porteurs minoritaires qui atteignent la zone de charge
d'espace sont "envoyés" par le champ électrique dans la zone p (pour les trous)
ou dans la zone n (pour les électrons) où ils seront majoritaires. On aura un
photo-courant de diffusion.
 Dans la zone de charge d'espace, les paires électrons-trous créées par les
photons incidents sont dissociées par le champ électrique : les électrons vont
aller vers la région n, les trous vers la région p. On aura un photo-courant de
génération.
16
Ces deux courants s‟ajoutent pour donner le photocourant Iph qui est
proportionnel à l‟intensité lumineuse. Ce courant s‟oppose au courant de diode I obs qui
résulte de la polarisation du composant. Le courant résultant est :
I (V )  I ph  I obs (V )
(I-2)
Pour une cellule photovoltaïque idéale, l‟équation peut être écrite sous la forme
suivante :
I (V )  I ph  I s (exp(qV / kT )  1)
(I-3)
Avec : Is : courant de saturation de la diode, q : charge élémentaire, k :
constante de Boltzmann, T : température.
Sous éclairement, la caractéristique d‟une cellule photovoltaïque idéale est donc
la superposition d‟un générateur de courant d‟intensité I ph et de la caractéristique de
cette diode sous obscurité. La cellule produit donc de l‟énergie et par convention, on
inverse l‟axe des courants, comme illustré sur la Figure I-6.
I
I
(a)
(b)
Sous
obscurité
Voc
Iph
V
Im
Puissance
utile
Vm
V
Sous
éclairement
Icc
Figure I-6 : (a) Caractéristiques courant-tension de la cellule photovoltaïque sous
éclairement et sous obscurité et (b) représentation conventionnelle de la courbe I(V).
A partir de la caractéristique I(V) sous éclairement de la cellule photovoltaïque,
on déduit les paramètres électriques propres à la cellule et notamment :
 Icc : Courant de court-circuit (obtenu pour V=0)
 Vco : Tension en circuit ouvert (obtenu pour I=0)
 Im : Courant à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule
photovoltaïque
 Vm : Tension à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule
photovoltaïque
 FF : facteur de forme
FF 
Vm I m
Vco I cc
(I-4)
17
  : rendement de conversion
η = (Puissance électrique maximale fournie) / (Puissance solaire
incidente):

Vm I m FF .Vco .I cc

i S
i S
(I-5)
Avec i : flux d‟éclairement reçu par unité de surface ; S : surface de la cellule
photovoltaïque.
Ces paramètres électriques variant avec l‟intensité lumineuse, la convention est
d‟utiliser pour les tests sous éclairements les conditions d‟ensoleillement standard
AM1.5 et une température de 25°C. On exprimera alors la puissance maximale en Watt crête (Wc) pour spécifier que les mesures ont été réalisées sous ces conditions standard.
I .3 - Facteurs limitant le rendement
En pratique, la conversion d‟énergie lumineuse en énergie électrique n‟est pas
totale. Différentes pertes viennent influencer le rendement d‟une cellule. Ces pertes
peuvent être classées en deux catégories : les pertes dues à la nature du matériau et les
pertes dues à la technologie utilisée[5].
I.3.1 - Pertes engendrées par l’utilisation du silicium
 Pertes par les photons de longueur d’onde supérieure au gap : tous les photons
possédant une longueur d‟onde supérieure à celle associée au gap du semiconducteur (λ>λ g) ne fournit pas assez d‟énergie pour faire passer un électron
de la bande de valence à la bande de conduction. Son énergie sera alors
perdue. Les mécanismes d‟absorption assistée par phonons permettent
néanmoins de repousser la limite inférieure de l‟énergie correspondant au gap
du matériau (1.052eV au lieu de 1.124eV dans le cas d‟une absorption assistée
par un phonon dans le silicium [6]). Sous éclairement AM1.5, ces pertes sont
évaluées à 23,5% dans le silicium [7].
-2
-1
Irradiance (W.cm .µm )
énergie
cinétique
en excès
(électrons)
Eph > Eg  33%

Thermalisation des
porteurs (conversion de
l’énergie cinétique par
émission de phonons)
Gap du silicium à 300K
Eph < Eg  23.5%
énergie
cinétique
en excès
(trous)

Figure I-7 : Principales pertes intrinsèques pour une cellule photovoltaïque en silicium. 
Pertes des photons de grandes longueurs d’onde.  Pertes dues à l’énergie excédentaire des
photons. L’insert illustre le phénomène de thermalisation.
18
 Pertes dues à l’énergie excédentaire des photons : les photons possédant une
énergie supérieure au gap génèrent une seule paire électron-trou. L„excès
d‟énergie, supérieur à la largeur de la bande interdite, est dissipé sous forme
de chaleur (thermalisation)-(Figure I-7). Sous éclairement AM1.5, ces pertes
sont évaluées à 33% de la puissance totale dans le cas du silicium [7].
 Facteur de forme FF : les équations courant-tension sont régies par les
équations de Boltzmann sous la forme exponentielle (exp[qV/kT]). La courbe
I(V) ne peut donc avoir une forme rectangulaire et, même dans le cas d‟une
cellule idéale, le facteur de forme ne peut dépasser 0.89 [8]. Ce terme dépend
également de la qualité de la jonction p-n, de la résistance série et parallèle
[9].
 Chute de tension en circuit ouvert : cette tension devrait correspondre à la
tension du gap E g/q mais les meilleures V oc obtenues sont de l‟ordre de
700mV. Cette différence est principalement due aux chutes de potentielles au
niveau des contacts, à la jonction P-N (Band gap narrowing)…
I.3.2 - Les pertes technologiques
 Les réflexions : l‟indice de réfraction du silicium (n=4 à 650nm) étant différent
de l‟air (n=1.5 à 650nm), à leurs interfaces vont se produire des réflexions qui
limiteront le rendement de la cellule. Le coefficient de réflexion R peut être
optimisé par la mise en œuvre de couche antireflet ainsi que de traitements de
surface pour des réflexions multiples.
 Le taux d’ombrage : sur les cellules standard, les contacts métalliques présents
sur la face avant pour permettre la collection des porteurs, forment une partie
opaque qui limite l‟entrée des photons dans la cellule. Les dimensions des
métallisations sont alors un compromis entre les pertes optiques dues à la
couverture partielle de l‟émetteur et les pertes de facteur de forme provoquées
par la résistance série, liées à la taille des métallisations.
 Le rendement d’absorption : du fait de l‟épaisseur limitée de la cellule, une
partie des photons qui, bien qu‟ayant l‟énergie nécessaire, traversent
l‟épaisseur de la cellule sans être absorbés. Ce terme devient important quand
la cellule est très fine (<100µm), et peut être minimisé en utilisant une couche
réfléchissante sur la face arrière de la cellule (réflecteur arrière).
 Rendement de collecte : c‟est le rapport entre le nombre de porteurs
effectivement collectés et le nombre total de porteurs photogénérés. En effe t,
certains porteurs se recombinent dans le volume ou à la surface avant leur
collecte. Ce phénomène dépendant de la durée de vie τ des porteurs
minoritaires (temps moyen entre la génération et la recombinaison d‟un
porteur minoritaire). Ces recombinaisons peuvent être réduites en mettant en
œuvre différents traitements qui seront abordés plus loin dans ce rapport.
19
I .4 - Technologies pour la réduction des pertes
Comme nous l‟avons vu précédemment le fonctionnement des cellules
photovoltaïques est basé sur trois mécanismes : l‟absorption des photons, la conversion
de l‟énergie optique en énergie électrique et la collecte de cette énergie sur un circuit
extérieur. Chacun de ces mécanismes engendrent des pertes et la partie suivante présente
les principaux composants utilisés à ce jour pour améliorer le rendement de conversion.
Ces composants sont utilisés dans de nombreuses structures de cellules et nous les
présenterons sur la structure la plus commune : la cellule photovoltaïque avec contacts
sur les deux faces, (Figure I-8).
Figure I-8 : Eléments d’une cellule photovoltaïque.
I.4.1 - Passivation des faces avant et arrière
La surface des semi-conducteurs contient une densité importante de défauts
(liaisons pendantes, impuretés, etc.) entraînant des pertes non négligeables liées à la
recombinaison en surface. La passivation consiste à améliorer les qualités électroniques
de la surface et du volume du matériau en neutralisant les effets de ses défauts
électriquement actifs. Diverses couches de passivation sont utilisées en
photovoltaïque mais les principales sont l‟oxyde thermique de silicium (SiO 2 ) et le
nitrure de silicium hydrogéné (SiN x:H). Nous aborderons la passivation de la surface de
silicium avec plus de précision dans le Chapitre V.
I.4.2 - Couche antireflet
Pour minimiser la réflexion de la lumière, une couche antireflet (CAR) est
utilisée. Le principe d‟action des couches antireflet est basé sur l‟interférence des
faisceaux lumineux dans les couches diélectriques minces (voir insertion sur la Figure
I-8). Si l‟épaisseur de la couche diélectrique est égale à :
d CAR 
(2  N  1)  
,
4  nCAR
N  0, 1, 2, 3...
(I.6)
20
On obtiendra l‟annulation des faisceaux réfléchis à l‟interface air/CAR et
CAR/semi-conducteur. Pour les cellules photovoltaïques à haut rendement, une double
couche antireflet est utilisée (avec deux diélectriques différents).
Différentes CAR sont utilisées en photovoltaïque : TiO2, SiO2, ZnS, MgF2,
SiNx, etc, … [10].
I.4.3 - Texturation de la surface
La texturation du silicium est utilisée pour diminuer la réflectivit é de la surface
de la cellule. Cette opération vise à développer en surface un relief micrométrique,
généralement de forme pyramidale. La longueur d‟onde de la lumière incidente étant
inférieure aux dimensions des structures ainsi réalisées, les rayons incidents suivent les
lois de l‟optique géométrique.
L‟insertion sur la Figure I-8 présente le principe de réflexions multiples propre
à la texturation. Le relief de la surface entraîne une baisse de la réflexion en f ace avant :
un rayon arrivant à incidence normale (par rapport au plan de la cellule) sur une
pyramide sera réfléchi sur la face d‟une pyramide adjacente, cette double réflexion sur
les pyramides diminue le coefficient de réflexion totale, qui ne vaut plus R mais R².
D‟autre part, un rayon d‟incidence normale sera transmis dans la cellule avec un angle
de réfraction θ différent de 0°. Le trajet de ce rayon au sein du silicium sera donc
augmenté d‟un facteur 1/sin par rapport au cas d‟une surface plane et perpendiculaire à
l‟éclairement, ce qui aura pour effet d‟augmenter la part de photons absorbés par le
matériau. Pour finir, la texturation de la surface entraîne un piégeage plus important de
la lumière pénétrant dans la cellule. Sur la face arrière de la cellule, il existe un angle
d‟incidence critique c à partir duquel le rayon est totalement réfléchi et prolonge son
trajet au sein du semi-conducteur, augmentant là aussi l‟absorption des photons. En
appliquant la loi de Descartes, on trouve que cet angle vaut 17° dans le cas du silicium
dans l‟air. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas des cellules de
faible épaisseur, et peut être renforcé par une texturation de la face arrière et/ou une
couche antireflet sur cette même face.
Différents procédés sont utilisés pour texturer la surface du silicium : attaques
chimiques de la surface (KOH, NaOH [11], acides [12]), texturation mécanique [13]
(laminage à froid sous un peigne dentelé), texturation laser [14].
I.4.4 - Contacts face avant et arrière
Les contacts métalliques à l‟émetteur et au substrat servent à collecter le courant
de porteurs photogénérés. Les contacts doivent être ohmiques, c'est-à-dire que la
caractéristique I=f(V) du contact doit être linéaire. La résistance des contacts est un
paramètre très important. La forte résistance des contacts augmente la résistance série de
la cellule et baisse le facteur de forme et le rendement [15].
Différents procédés sont utilisés pour réaliser les contacts. Dans le cadre des
cellules photovoltaïques industrielles en silicium multicristallin, les contacts sont
généralement réalisés par sérigraphie. Pour les cellules photovoltaïques à haut
rendement, la pulvérisation cathodique ou l‟évaporation sous vide sont utilisées.
I.4.5 - BSF
Le champ électrique arrière (BSF : Back Surface Field) consiste à créer une
barrière de potentiel (par exemple, jonction p +-p) sur la face arrière de la cellule pour
assurer une passivation. La barrière de potentiel induite par la différence de niveau de
21
dopage entre la base et le BSF tend à confiner les porteurs minoritaires dans la base
(voir l‟insertion sur la figure I-8). Ceux-ci sont donc tenus à l‟écart de la face arrière qui
est caractérisée par une vitesse de recombinaison très élevée.
I .5 - Les principaux types de cellules à base de silicium cristallin
Les cellules photovoltaïques sont principalement fabriquées à partir de silicium
soit sous sa forme monocristalline soit multicristalline. Le Tableau I-1 présente les
principaux résultats obtenus avec ces deux classes de matériau à partir de technologies
différentes.
Partie Substrat
Silicium
I.5.1 Monocristallin
I.5.2 Multicristallin
-
η (%)
I.5.2
-
18.1±0.5 137.7
Multicristallin
Aire
(cm3)
24.7±0.5 4
Voc
(V)
0.706
Jcc
FF
Institut (technologie)
(mA/cm2) (%)
42.2
82.8 UNSW (PERL)
12-16
0.590.63
30-35
0.636
36.9
100441
7580
Photowatt,
Photovoltec, Qcells,
RWE Schott Solar,
Suntech, Sunrays,
ErSl (standard)
77.0 Univ. Konstanz
(contact enterrés par
laser)
79.0 Sanyo (HIT type n)
I.5.3 Monocristallin 21.8±0.5 100.4 0.718 38.4
CZ
I.5.4 Monocristallin 21.8±0.7 147.4 0.677 40.0
80.6 Sunpower (RCC BJ)
FZ
I.5.4 Multicristallin 15.9
100
0.588 36.1
74.7 Advent solar (EWT)
Tableau I-1 : Résultats de cellules photovoltaïques en silicium pour différents types de
technologies [16][17]
I.5.1 - La cellule PERL
Cette cellule à haut rendement, Figure
I-9, a été élaborée par l‟Université de New
South Wales avec des procédés de la
microélectronique. Elle a été réalisée sur un
substrat de Silicium cristallin Float Zone de
type P. La face avant (face éclairée) de la
cellule est texturée en «pyramides inversées».
Ce type de texturation permet une réduction
importante du coefficient de réflexion et des
Figure I-9 : Cellule PERL en Si
pertes optiques dans la cellule.
monocristallin à haut rendement (24.7%)
Une jonction p-n peu profonde est
réalisée sur toute la surface avant pour assurer la séparation des porteurs de charge.
L‟émetteur ainsi réalisé est peu dopé afin de limiter les recombinaisons en surface. Le
contact ohmique sur l‟émetteur est déposé sous forme de grille. La géométrie de cette
grille doit assurer une faible résistance série tout en limitant l‟ombrage de la cellule.
22
Pour obtenir un contact ohmique, la région sous le contact avant est surdopée n +
(émetteur sélectif, [18]).
Une fine couche d‟oxyde thermique (de haute qualité) est formée sur l‟émetteur
pour réduire la recombinaison sur la face avant de la cellule. Sur l‟oxyde, une double
couche anti-réfléchissante est déposée pour réduire les pertes par réflexion.
De même que la face avant, la face arrière de la cellule est passivée par de
l‟oxyde thermique avec des trous pour prendre le contact. Pour assurer un bon contact
arrière, la région du contact est dopée p+. Néanmoins, le contact entre le métal et le
silicium n‟est pas continu afin de limiter la recombinaison sur le contact et dans la
région fortement dopée p+. Par contre, la métallisation de la face arrière est continue :
elle couvre les zones de contact et l‟oxyde de passivation servant ainsi de r éflecteur
arrière.
I.5.2 - La cellule standard industrielle
Contact
+
Les cellules standard de type Texturisation
sérigraphié
couche antireflet
industriel sont principalement produites à
partir de silicium multicristallin. Elles
présentent en moyenne des rendements de
conversion de l‟ordre de 15%.
La
différence de rendement entre les cellules n+ émetteur
PV industrielles et la cellule PERL
mc-Si
(élaborée en laboratoire et qui détient le
substrat type p
Al-Si BSF
record de rendement) s‟explique par un
Al/Ag contact sérigraphié
compromis entre le coût de production et le
rendement. En effet, certains matériaux et
Figure I-10 : Structure d’une cellule
techniques (lithographie, silicium FZ,
photovoltaïque
industrielle en silicium
double couche antireflet, texturation en
Multicristallin (mc-Si)
pyramides inversées) utilisés pour la cellule
PV record ne peuvent pas être adaptés pour l‟industrie car ils sont trop chers.
La plupart des cellules photovoltaïques en silicium massif industriali sées ont la
structure présentée sur la Figure I-10. La structure de la cellule PV industrielle est
simplifiée afin de réduire son coût. Par exemple, la texturation de la face avant est
réalisée sous forme de «pyramides aléatoires» ou texturation acide et on dépose ensuite
une simple couche antireflet. De même, le champ électrique face arrière (BSF) est
obtenu par un alliage eutectique Al-Si formé par recuit d‟une couche en Al déposée par
sérigraphie.
Un dépôt de nitrure de silicium (SiN) est généralement utilisé comme couche
antireflet car en plus de ses qualités optiques il permet d‟améliorer la passivation de la
cellule. Le dépôt SiN entraîne une hydrogénation du substrat qui dans le cas du silicium
multicristallin améliore la longueur de diffusion des porteurs minoritaires.
Comme sur la structure PERL, la mise en place d‟émetteur sélectif est étudiée
par des procédés moins coûteux : à l‟aide d‟un laser pour former des contacts enterrés
[19] ou une double sérigraphie [20].
23
I.5.3 - Les Structure HIT
Les cellules à hétérojonction silicium amorphe/silicium cristallin (a -Si :H/Si),
ou encore dites HIT pour Heterojonction with Intrinsic Thin layer, sont basées sur
l‟architecture standard. Elles comportent une ou deux hétérojonctions a-Si :H/Si, Figure
I-11.
Electrodes
TCO
~ 10nm
p
i
a-Si:H
c-Si
n-type
~ 250µm
~ 20nm
i
n
a-Si:H
TCO
Figure I-11 : Structure HIT produite par Sanyo à double hétérojonctions[21]
L‟hétérojonction en face avant constitue l‟émetteur alors que la seconde, en face
arrière, joue le rôle de champ de répulsion ou BSF. La zone intrinsèque
permet d‟améliorer l‟état de surface au niveau de la jonction et une cou che d‟oxyde
conducteur transparent (TCO) est déposée pour assurer un contact entre la couche
amorphe et le métal. L‟hétérojonction est technologiquement obtenue par dépôt d‟une
couche de quelques nanomètres de silicium amorphe hydrogéné, dopé ou non, a -Si:H.
Les propriétés du silicium amorphe hydrogéné sont intéressantes pour
l‟application photovoltaïque pour différentes raisons :
 Un gap plus élevé que le silicium cristallin, autour de 1,8 eV, mieux adapté aux
radiations solaires.
 Un procédé d‟élaboration à basse température (T< 250 °C) qui permet de
réduire le budget thermique de fabrication et d‟intégrer des substrats en verre
dans le procédé.
 Une meilleure stabilité en température menant à un rendement annuel plus
important.
 Une tension de circuit ouvert plus élevée due à la présence de l‟hétérojonction.
 Une excellente passivation de surface.
24
I.5.4 - Les cellules RCC
La cellule à contacts arrière IBC (Interdigitated Back Contact) ou RCC (Rear
Contact Cell) représente une option prometteuse pour compléter le champ d‟application
des cellules photovoltaïques (Figure I-12).
Dans cette structure, les contacts sont présents sur la face opposée au
rayonnement et sont réalisés à l‟aide de deux grilles interdigitées (collect e des trous et
des électrons). Cette structure n‟est donc pas soumise au phénomène d‟ombrage en face
avant par des contacts et la géométrie des contacts peut être plus librement optimisée
afin de diminuer la résistance série.
Figure I-12 : Structure RCC à jonction arrière développée par Sun Power
Corp.[22].
Il existe trois types de cellules à contacts arrière interdigités : les back junction,
les MWT et les EWT. On nommera les cellules back jonction, cellules à jonction arrière
tout au long de cette thèse. Dans cette structure, les porteurs minoritaires générés en
forte densité dans les premiers micromètres de la cellule doivent traverser une distance
équivalente à l‟épaisseur du substrat pour atteindre les contacts. Ce concept nécessite
une bonne qualité de passivation de la surface avant, et le ratio longueur de diffusion des
porteurs minoritaires sur épaisseur du substrat doit être élevé. Ce concept est
principalement utilisé pour des approches couche mince et haut rendement (A300 [23],
RISE [24]). Le silicium multicristallin étant trop limité par sa faible durée de vie pour ce
type de structure deux structures alternatives ont été développées :
 La structure MWT (Metallisation Wrap-through) qui est un concept très proche
des cellules conventionnelles. Dans ces cellules, l‟émetteur est situé sur la face
avant mais une partie de ses contacts sont placés en face arrière. En général, le
busbar est déplacé en face arrière, et des trous dans le substrat permettent de
faire le contact entre une fine grille en face avant et les lignes de collections
plus épaisses en face arrière.
 Nous verrons dans le chapitre V, que la totalité des contacts peuvent être mise
en face arrière avec la structure EWT (Emitter Wrap Through). Dans ce cas,
l‟émetteur en face avant est connecté via la face arrière par une multitude de
trous dopés. Cette structure à la même apparence que les cellules à jonction
arrière mais elle fonctionne avec du silicium multicristallin de faible qualité
électronique.
25
I .6 - La filière silicium sur couche mince
I.6.1 - Le coût des cellules Photovoltaïques
Comme nous l‟avons vu dans l‟introduction, l‟industrie photovoltaïque repose
essentiellement sur la technologie silicium cristallin et plus particulièrement celle du
silicium multicristallin (mc-Si). Or, malgré son faible coût par rapport aux autres
technologies, le prix du watt crête mc-Si demeure encore trop élevé pour concurrencer
les énergies fissile et fossile. Il faut donc réduire les coûts de production.
Si l‟on regarde la répartition du prix d‟un module photovoltaïque en silicium
multicristallin, près de la moitié du coût de production est due au coût des plaquettes de
silicium non processées, c‟est à dire le prix de la matière première, de la mise en forme
et de la découpe des lingots jusqu'à leur mise en forme en substrats plats. Il est donc
clair que la réduction du coût du module passe par la réduction du coût de l‟élaboration
du substrat. La méthode la plus accessible pour les industriels est la réduction de
l‟épaisseur des plaques de silicium tout en améliorant la passivation des surfaces et le
confinement optique [25]. Une diminution de l‟épaisseur de 350µm à 150µm à
rendement égal, entraînerait une diminution du coût de près de 14% [26]. Cette voie est
cependant limitée car il est difficile de descendre en dessous de 150 µm d‟épaisseur sur
des plaques de grande surface à cause des risques de casse lors de la réalisation de la
cellule. De plus, les étapes de découpe et de sciage à fil utilisées en production
entraînent la perte d‟environ 1/3 de la matière première silicium.
Figure I-13 : Evolution de l’offre et de la demande en Silicium pour l’industrie
Photovoltaïque.
De nombreux travaux de recherche et de développement sont aujourd‟hui en
cours pour limiter la consommation de silicium, car sa forte demande (Figure I-13) pour
l‟énergie photovoltaïque a fait envoler son cours
L‟une des solutions pour réduire le prix des substrats de manière importante
consiste à réaliser des cellules photovoltaïques sur couches minces de silicium. Nous
aborderons cette approche dans le paragraphe suivant.
26
I.6.2 - Les avantages des couches minces
Mis à part une consommation moins importante de silicium, la réalisation de
cellules sur couche mince présente un avantage intéressant : la diminution de l‟épaisseur
du substrat s‟accompagne d‟une diminution du taux de recombinaisons en volume.
Sachant que l‟absorption de la lumière reste presque inchangée (80µm de silicium
suffisent à absorber 90% des photons incidents), il est alors possible avec un matériau de
qualité moyenne d‟obtenir des cellules présentant des rendements plus élevés sur couche
mince (moins de 100µm) que sur couche épaisse (300µm) à condition de confiner la
lumière.
En effet, lorsque la longueur de diffusion dans le matériau est plus faible que
l‟épaisseur du substrat, une partie des porteurs minoritaires se recombinent avant d‟être
collectée et ces cellules présentent une faible efficacité. Cependant, si les substrats
utilisés sont plus minces, les porteurs minoritaires ont une distance plus faible à
parcourir et leur collecte sera plus efficace. Avec une bonne passivation de surface et un
bon confinement optique, le rendement peut alors être équivalent voire supérieur.
Figure I-14 : Influence de la taille des grains constituant le substrat sur le rendement de
conversion des cellules photovoltaïques en silicium [27].
Le développement des couches minces s‟est orienté dans un premier temps vers
la fabrication de cellules photovoltaïques basée sur du silicium microcristallin (µc -Si).
Les substrats étaient élaborés sur verre et présentaient une taille de grains g < 1µm.
Malheureusement, avec de si petits cristaux les rendements de conversion obtenus
étaient voisins de 10%.
Dans un second temps, la recherche s'est dirigée vers l'utilisation de silicium
poly-cristallin (poly-Si) à larges grains déposé sur des substrats résistants à haute
température (graphite ou céramique). Les rendements de conversion sont alors de l'ordre
de 15% (16,6% par exemple pour le procédé Silicon Film développé par la société
Astropower [28]). Ces substrats permettent en effet une plus haute température de dépôt
donc les grains formés sont de plus grandes tailles. Comme on peut le voir sur la Figure
I-14, le rendement des cellules dépend de la structure granulaire du matériau utilisé.
Aujourd'hui, une part importante des efforts de recherche se porte sur la
réalisation de couches minces en silicium monocristallin. Ces couches transférées sur un
substrat économique peuvent permettre d‟atteindre des rendements de plus de 20%. Cela
27
a entre autres, été réalisé par Zhao et ses collaborateurs [29] qui ont obtenu un
rendement de 21,5% sur une couche de 47µm. Ils avaient alors utilisé la technologie
PERL qui, avec des wafers de 300µm ultra purs, avait permis d‟obtenir le rendement
record de 24,7% [10]. La diminution de l‟épaisseur du substrat n‟a donc pas une très
forte influence sur le rendement des cellules si un bon confinement optique est assuré.
De nos jours, de nombreuses solutions sont proposées de part le monde pour
réaliser le report de couches minces monocristallines sur substrat économique :
ELTRAN [30], ψ-process [31], QMS [32], VEST [33],…. La technologie ELIT
développée au sein de l‟INL fait partie de ces méthodes, et elle est présentée dan s la
partie suivante[34].
I.6.3 - Le procédé ELIT (Epitaxial Layer for Interdigitated back contacts on
Transferred solar cells)
Ce procédé est composé de sept étapes (Figure I-15) qui sont détaillées à travers
les points suivants :
 Une double couche de silicium poreux est formée par gravure électrochimique
sur un substrat de silicium monocristallin dopé au bore. Cette gravure, réalisée
en deux étapes à base d‟une solution d‟HF, crée à la surface du silicium d eux
couches de porosités différentes. La première d‟entre elles qui est en surface
mesure 1µm et présente une porosité de 23%. Cette couche légèrement poreuse
servira de précurseur à une croissance de bonne qualité cristalline. La
deuxième couche est quant à elle fortement poreuse (70%), elle permettra le
décrochement lors du transfert.
 Avant de commencer la croissance épitaxiale, la couche de silicium poreux est
recuite sous hydrogène durant 10 minutes. Pendant cette étape, la
restructuration du silicium poreux entraîne sa densification en surface et sa
fragilisation au niveau de la couche de forte porosité. L‟épitaxie en phase
vapeur permet alors de former des couches monocristallines de 70µm avec un
dopage au bore d‟environ 10 16 at/cm -3.
 La cellule à jonction arrière est formée sur la face accessible de la couche
épitaxiée. Les raisons du choix de cette structure sont présentées dans la partie
suivante.
 La couche épitaxiée est reportée sur un support économique (plaque de verre,
céramique). Le collage est réalisé via une cire adaptée.
 L‟ensemble de la structure est alors soumise à une agitation ultrasonique dans
un bain d‟eau et d‟éthanol. Cette sollicitation mécanique fragilise la zone
poreuse jusqu'à sa rupture. On obtient alors d‟un coté le substrat ser vant à
l‟épitaxie et de l‟autre la couche épitaxiée reportée sur le support économique.
La face avant de la cellule, recouverte de silicium poreux, peut alors être
gravée et texturée chimiquement avant le dépôt de la couche antireflet.
 Le silicium poreux présent sur le support d‟épitaxie est enlevé par gravure
chimique et ce support est réutilisé pour un nouveau cycle de croissance. Six
transferts consécutifs ont été réalisés à partir d‟un même substrat et chaque
cycle a uniquement consommé 5µm du substrat initial [35].
28
6 - Suppression de la
couche poreuse pour une
réutilisation du substrat
1 - Formation d’une
double couche de silicium
poreux
5 - Séparation
cellule/substrat
2 - Croissance d’une
couche de Si par épitaxie
en phase Vapeur (VPE)
4 - Report sur substrat
économique
3 - Réalisation de la cellule
solaire : technologie à
contacts interdigités
Figure I-15 : Procédé ELIT permettant la réalisation de cellule à jonction arrière sur
couche mince épitaxiée
I.6.4 - L’utilisation des cellules à jonction arrière dans le procédé couche mince ELIT
Comme nous l‟avons présenté précédemment, les cellules à jonction arrière font
partie de la famille des cellules à contacts arrière interdigités. Les cellules à jonction
arrière présentent de nombreux avantages (pas de taux d‟ombre, taille des contacts
libre…) et nous avons choisi plus spécifiquement ce type de cellule pour les atouts
techniques suivants :
 Les couches épitaxiées ont une épaisseur de moins de 100µm et une surface de 2
pouces à 4 pouces. Ces couches sont donc très fragiles et il est pratiquement
impossible de les manipuler si elles ne se trouvent pas sur un support. Suite à
la croissance, la couche épitaxiée et le substrat de silicium sont reliés via la
couche de silicium poreux. L‟ensemble de cette structure est entièrement
constituée de silicium et les traitements thermiques (formation de l‟émetteur et
du BSF) peuvent être réalisés sans entraîner de rupture par dilatation de la
couche épitaxiée. Ces traitements seraient irréalisables si la couche épitaxiée
se trouvait sur un substrat économique comme le verre. Et pour la même
raison, la réalisation de cellules standard est impossible car chacune des faces
doit subir un traitement à haut température (soit l‟émetteur soit le BSF). Au
cours du procédé ELIT, seule la texturation et le dépôt de la couche antireflet
ont lieu lorsque la couche épitaxiée est reportée sur le substrat économi que.
Ces procédés sont moins critiques car les températures utilisées sont
inférieures à 400°C.
 Lors de la mise sous module, les cellules à jonction sont connectées en série
uniquement à partir de leur face arrière, elles peuvent donc être disposées de
façon très dense sans risquer la casse du bord des cellules engendrée par les
29
connectiques (cas pour des cellules conventionnelles) et ainsi permettre
l‟utilisation de cellules très fines.
 Les couches épitaxiées ont des longueurs de diffusion d‟environ 150µm [36], on
peut alors avoir un ratio longueur de diffusion sur épaisseur (L d /e) proche de
trois ce qui est très acceptable pour réaliser des cellules à jonction arrière de
haut rendement.
 Les cellules à jonction arrière sont relativement complexes à réaliser (plusieurs
alignements et étapes de masquage) mais sachant que moins de silicium est
utilisé et dans l‟objectif d‟avoir des cellules à haut rendement, le rapport coût
de production sur puissance fournie peut devenir raisonnable.
Les études sur la croissance et le report de couches épitaxiées sont détaillées
dans la thèse de J. Kraiem[36]. Il a développé cette technique au sein de l‟INL sur des
substrats de deux pouces et S.Amtablian étend actuellement cette méthode aux substrats
de 4 pouces.
La thèse d‟O.Nichiporuk [37] a permis de développer les cellules à jonction
arrière au sein de l‟INL. Ses études ont porté sur leur fabrication et surtout sur leur
simulation numérique. Grâce à ses travaux, les premiers procédés de réalisation ont été
établis et des rendements de 11.7% ont été obtenus. Il a aussi développé de nombreuses
solutions technologiques pour améliorer la passivation des cellules et les premiè res
cellules avec le procédé ELIT ont été fabriquées.
L‟objectif de ma thèse est de poursuivre le développement des cellules à
jonction arrière et de mieux contrôler leur fabrication. Pour atteindre ce but, j‟ai
travaillé sur les points suivants :
 Comprendre et optimiser les différents éléments de la cellule pour accroître leur
performance.
 Concevoir et réaliser de nouvelles étapes technologiques (texturisation, contact
partiel…)
 Tester de nouvelles techniques de passivation et les appliquer aux cellules.
 Développer de nouveaux procédés de fabrication (plus économiques, plus
fiables)
 Etudier, adapter et faire progresser les systèmes de caractérisation pour ce type
de cellule.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté les bases indispensables à la
compréhension du sujet. Nous avons rappelé quelques notions sur le rayonnement
solaire, et son application dans le domaine photovoltaïque. Nous avons ensuite expliqué
le fonctionnement des cellules photovoltaïques et leurs caractéristiques principales.
Différentes technologies de cellules sont présentées ainsi que les perspectives apportées
par les couches minces. L‟INL développe le procédé ELIT pour répondre à l‟évolution
du marché photovoltaïque et les objectifs de cette thèse sont détaillés.
Le chapitre suivant présente les principales techniques de caractérisation
utilisées à travers cette thèse et nous développerons certaines spécificités des cellules à
jonction arrière.
30
Bibliographie du Chapitre I
[1]
HONSBERG C., BOWDEN S. Photovoltaics: Devices, Systems and Applications
[CDROM]. Sydney (Aus) : Univ. of New South Wales, 1998.
[2]
Carte solaire de la France [en ligne]. Disponible sur: <http://www.nordnature.org/images/carte_ensoleillement.jpg> [en ligne] (consulté le 10/10/07).
[3]
CHAPIN D.M., FULLER C.S., PEARSON G.L. A new silicon p-n junction photocell
for converting solar radiation into electrical power. J. Appl. Phys., 1954, vol. 25, pp. 676-677.
[4]
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, INSA de Lyon, 2002, 165 p.
[5]
SZLUFCIK J., SIVOTHTHAMAN S., NIJS J.F. et al. Low-Cost Industrial
Technologies of Crystalline Silicon Solar Cells Proc.of the IEEE, 1997, vol. 85, no. 5, pp.
711-730.
[6]
GREEN M.A. Silicon Solar Cells : Advanced Principles and Practice. Sydney,
Australia : Centre for photovoltaic devices and systems, UNSW, 1995, 366 p
[7]
RICAUD A. Photopiles solaires. Lausanne, Suisse : Presse polytechniques et
universitaires romandes, 1997, 332 p.
[8]
SZLUFCIK J. et al. Low-cost industrial technologies of crystalline silicon solar cells.
Proc. of the IEEE, 1997, vol. 85, No. 5, pp. 711-729.
[9]
KAMINSKI A. Etude des étapes technologiques critiques dans la production des
cellules solaires en silicium multicristallin, Thèse, INSA de Lyon, 1997, 165 p.
[10] ZHAO J., WANG A., ALTERMATT P.P. et al. 24% efficiënt perl silicon solar cell:
recent improvements in high efficiency silicon cell research. Sol. Eng. Mat.&Sol. Cells, 1996,
vol. 41/42, pp. 87-99.
[11] ZHENQIANG X., DEREN Y. Investigation of texturization for monocrystalline
silicon solar cells with different kinds of alkaline. Renewable Energy, 2004, Vol. 29, pp.
2101-2107.
[12] STOCKS M.J ., CARR A.J., BLAKERS A.W. Texturing of polycrystalline silicon.
Solar En.Mat.&Sol.Cells, 1996, Vol. 40, pp. 33-42.
[13] FATH P., BORST C. et al. Progress in a novel high-throughput mechanical
texturization technology for highly efficient multicrystalline silicon solar cells. Solar
En.Mat.&Sol.Cells, 1997, Vol. 48, pp. 229-236.
[14] Centre for Photovoltaic Engineering. Annual Report 2003 : Reseach.,
Centre for Photovoltaic Engineering, UNSW (en ligne). Disponible sur
<http://www.pv.unsw.edu.au/documents/Annual%20Report%202003/Research.pdf>
(consulté le 20/10/2007)
[15] BASHAHU M., HABYARIMANA A. Review and test of methods for determination
of the solar cell series resistance. Renewable Energy, 1995, Vol. 6, pp. 129-138.
[16] GREEN M.A., EMERY K., KING D.L. et al. Solar Cell Efficiency Tables. Progress in
Photovoltaics: Research and Applications, 2006, vol.14, pp. 455-461
[17] HACKE P., GEE J.M., HILALI M. et al. Current status of technologies for industrial
emitter wrap-through solar cells”, 21st PVSEC, Dresden, Germany, 2006 pp.761-764
[18] PIROZZI L., ARABITO G. et al. Selective emitters in buried contact silicon solar
cells: Some low-cost solutions. Solar En.Mat.&Sol.Cells, 2001, Vol. 65, pp. 287-295
[19] HORZEL J. et al. Optimization results for an industrially applicable selective emitter
process, 2nd IEEE World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vienna (Autriche),
1998, pp.1483-1486.
[20] HORZEL J., SIVOTHTHAMAN S., NIJS J.F. et al. Screen-printed rapide thermal
processes (RTP) selective emitter solar cells using a single diffusion step, 16th E.C.
Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow (UK), 2000, pp.1087-1090.
31
[21] TAGUSHI M., TERAKAWA A., MARUYAMA E. Obtaining a higher Voc in HIT
Cells, Prog. in Photovolt.: Res. Appl., 2005, Vol. 13, pp. 481-488.
[22] SunPower
Corporation.
Solar
Cells.
[en
ligne].
Disponible
sur
<http://sunpower.de/pdf/SunPower_Technology_August_2005.pdf> (consulté le 20/10/07).
[23]
DICKER J., SCHUMACHER O., WARTA W. et al. Analysis of one-sun
monocrystalline rear-contacted silicon solar cells with efficiencies of 22.1%. J. Appl. Phys.,
2002, vol. 91, pp. 4335-4343.
[24]
ENGELHART P., HARDER N.-P., NEUBERT T. et al. Laser processing of 22%
efficient back-contacted silicon solar cells. 21st PVSEC, Dresden, Germany, 2006, pp. 773776.
[25] PIRROZZI L., ARABITO G. et al. Selective emitters in buried contact silicon solar
cells: Some low-cost solutions. Solar En.Mat.&Sol.Cells, 2001, Vol. 65, pp. 287-295
[26] GREEN M.A., ZHAO J., WANG A. et al. Progress and outlook for high-efficiency
crystalline silicon solar cells. Solar En.Mat.&Sol.Cells, 2001, Vol. 65, pp. 9-16.
[27] BERGMANN R.B., WERNER J.H. The future of crystalline silicon films on foreign
substrates. Thin Solid Films, 2002, vol. 403-404, pp. 162-169.
[28] BARNETT A.M., FORD D.H., CHECCHIS J.C. et al. Very large area Silicon Film
solar cells. Proc. of the 14th European PV Solar Energy Conference, Barcelona, Spain, 1997,
pp. 999-1002.
[29] ZHAO J., WANG A., WENHAM S.R. 21,5% efficient 47 µm thin layer silicon cell.
Proc. of the 13th European PV Solar Energy Conference, Nice, France, 1995, pp. 1566-1569.
[30] YONEHARA T., SAKAGUCHI K., SATO N. Epitaxial layer transfer by bond and
etch back of porous Si, Appl. Phys. Lett., 1994, Vol. 64, pp. 2108-2110.
[31] BRENDEL R. A novel process for ultrathin monocrystalinne silicon silicon solar cells
on glass, Proc. 14th EC PVSEC, Barcelone, 1997, pp. 1354-1357.
[32] BERGAMANN R.B., RINKE T.J., WAGNER T.A. et al. Thin film solar cells on glass
based on the transfer of monocrystalline Si films. , Solar En.Mat.&Sol.Cells, 2001, Vol. 65,
pp. 355-361.
[33] DEGUCHI M., KWAMA Y. et al. Prospect of the high efficiency for the VEST (Viahole Etching for the Separation of Thin films) cell, 1st WCPEC, Hawaï, 1994, pp. 1287-1290.
[34] KRAIEM J., AMTABLIAN S., NICHIPORUK O. et al. ELIT Process: Epitaxial
Layer for interdigitated back contacts on transferred solar cells Proc. 21th European Solar
Energy Conference, Dresden, Germany, 2006, pp. 1268-1272.
[35] KRAIEM J., NICHIPORUK O., PAPET P. et al. Optimization of substrate
reutilization in layer transfer process for thin film silicon solar cells Proc. 14th International
Materials Research Congress, Cancun, Mexico, 2005.
[36] KRAIEM J. Epitaxie et transfert de films minces de silicium pour applications
photovoltaiques. Thèse LPM. Lyon : INSA de Lyon, 2005, 176 p.
[37] NICHIPORUK O. Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaiques à
32
33
Chapitre II - Les techniques de caractérisation
Introduction
Ce chapitre est orienté sur la description et l‟interprétation des résultats obtenus
à l‟aide des principaux systèmes de caractérisation que nous avons employés au cours de
cette thèse. Pour chacune de ces techniques, nous présenterons en premier lieu son
fonctionnement général et ses principales théories, puis à travers un exemple, nous
rentrerons plus en détail sur l‟extraction des paramètres propres à la cellule. Nous
aborderons aussi les spécificités liées à la caractérisation des cellules à jonction arrière.
La compréhension du fonctionnement de ces cellules est peu développée dans la
littérature et nous essayerons à travers ce chapitre de la mettre plus en lumière afin de
mieux aborder les chapitres suivants.
II .1 - La caractérisation I-V sous éclairement
II.1.1 - Le principe
La caractérisation sous éclairement est l‟outil principal d‟évaluation des
cellules. Cette mesure permet d‟extraire ses trois paramètres les plus importants : la
densité de courant de court-circuit (J cc), la tension de circuit ouvert (V co) et le facteur de
forme (FF). Ces éléments permettent alors de déterminer le rendement de la cellule par :

J cc .Vco .FF
Pi
(II-1)
Pi représente la puissance lumineuse incidente sur la cellule. Le FF permet
d‟évaluer la courbure de la caractéristique I-V et se détermine par :
FF 
Vm .J m
Vco J cc
(II-2)
Vm et J m sont respectivement la tension et la densité de courant au point de
puissance maximum comme la montre la Figure II-1.
34
Jcc
Pmax
Jm
Vm
Vco
Vco (mV)
J cc (mA.cm-2 )
FF (%)
η (%)
Vm (mV)
J m (mA.cm-2 )
604
36.7
76.7
17.1
512
33.5
Figure II-1 : Caractéristiques sous éclairement d’une cellule test (à jonction arrière) sous
AM1.5D. La courbe bleue correspond à la réponse I-V et la courbe rose à l’évolution de la
puissance fournie.
Le fonctionnement d‟une cellule photovoltaïque sous éclairement est approximé
au niveau électrique par le schéma équivalent Figure II-2. Ce modèle à deux diodes a
pour équation[1] :


 q V  JRs   
 q V  JRs    V  JRs
(II-3)
J  J L  J s1 exp 
  1  J s 2 exp 
  1 
n1kT
Rp

 
 n2 kT
 


Cette équation contient 6 variables : le courant de photogénération (J L), la
densité de courant de saturation de la diode (J s1), la densité de courant de fuite à la
jonction (J s2 ), la résistance série (R s), la résistance parallèle (R p) et le facteur d‟idéalité
de la seconde diode (n 2). Le facteur d‟idéalité de la première diode n 1 correspondant aux
recombinaisons dans le matériau et il sera toujours fixé à 1.
Rs
JL
Rp
Js1, n1
V
Js2, n2
Figure II-2 : Modèle à deux diodes d'une cellule sous éclairement
35
II.1.2 - Le système de mesure
Le simulateur optique utilisé au laboratoire est schématisé sur le Figure II-3a.
La lumière est produite par une lampe d‟arc xénon située dans un miroir elliptique. Le
faisceau généré est dévié par un premier miroir et passe à travers un intégrateur pour
homogénéiser spatialement sa puissance. Son spectre est ensuite modifié grâce à un
ensemble de filtres (AM0 et AM1.5D) permettant d‟ajuster le spectre de la lampe xénon
au spectre solaire. Le faisceau est ensuite réfléchi sur un deuxième miroir et focalisé
grâce à une lentille de Fresnel. Les cellules sont disposées perpendiculairement au
faisceau sur un support thermostaté à 25°C. Pour les cellules conventionnelles, ce
support est utilisé afin de prendre le contact en face arrière et permet le refroidissement
de la cellule lors de la mesure. Pour les cellules à jonction arrière, ce système ne peut
être utilisé car les contacts n et p sont disposés sur la face arrière. Nous avons donc
élaboré une plateforme permettant de contacter la cellule.
a)
Support
b)
Pointes de
mesures
Flux lumineux
Ouverture à travers le support
pour le passage des pointes
Cellule
(Semi-transparente
pour le schéma)
Aspiration
Support thermostaté
Barres de cuivre pour la
conduction thermique
Figure II-3: a) schéma du simulateur b) plateforme de mesure des cellules à jonction arrière.
Cette plateforme est constituée de quatre pointes mobiles pour prend re les
contacts et d‟un conduit d‟aspiration pour plaquer la cellule (Figure II-3). Cette structure
est légèrement surélevée par des barreaux de cuivre afin de disposer les pointes et pour
36
prendre la mesure l‟ensemble de cette plateforme est déposé sur le support thermostaté.
Cependant, du fait de l‟important flux lumineux incident, la cellule mesurée n‟est pas
suffisamment refroidie et atteint les 35°C. Pour être dans les conditions de mesure
AM1.5D, la cellule doit se trouver à 25°C [1] ce qui n‟est pas notre cas. Cette plus forte
température, lors de la mesure, diminue la largeur du gap et entraîne une dégradation des
performances de la cellule. Pour corriger cet écart de température, les facteurs cor rectifs
[1] suivant peuvent être appliqués:
 La tension Vco évolue de -2.2 mV/°C
 Le facteur de forme de -0.0015 dFF/FF/°C
 Le Icc de +0.0006 dIcc /Icc/°C
Le Tableau II-1 illustre la prise en compte de ces corrections sur notre cellule
test. Pour toutes les études comparatives réalisées dans le chapitre IV, nous avons décidé
de ne pas effectuer cette correction de température car toutes les cellules ont été
caractérisées dans les mêmes conditions à 35°C.
Vco (mV)
J cc mA.cm -2
FF (%)
η (%)
604
627
36.7
36.5
76.7
77.9
17.1
17.8
Mesure à 35°C
Valeurs estimées à 25°C
Tableau II-1 : Récapitulatif des mesures sous éclairement AM1.5D de la cellule test avant et
après correction de la température.
Les cellules à jonction arrière sont réalisées sur des substrats 2” et mesurent
chacune 1,2cm 2. Pour des soucis de facilité de manipulation, nous avons décidé de ne
pas découper les cellules du substrat pour la mesure mais d‟utiliser un masque à
ouverture locale “shading mask” [3]. Ce masque opaque couvre le substrat et présente
une unique ouverture au dessus de la cellule (Figure II-4a). Cette ouverture délimite la
zone d‟éclairement et elle a une aire égale à la surface des contacts de la cellule
(1,2cm2 ). Lorsque le masque n‟est pas présent, la cellule collecte les photons au dessus
de sa surface de contact mais aussi sur sa périphérie. Dans ce cas, le rendem ent ne peut
pas être calculé car la surface de collecte de la cellule n‟est pas connue. Nous verrons
cependant dans le chapitre IV que cette mesure est intéressante pour la compréhension
de certains types de passivation.
a)
Cellule à
mesurer
Ouverture
locale
Substrat 2”(vu b)
pour le
schéma par
transparence)
Vco (mV)
Icc (mA)
Mesure
avec
masque
608
43.8
Mesure
sans
masque
607
51
Shading mask
(opaque)
Figure II-4 a) Vue schématique de la mesure avec un masque. b) Caractéristiques courant
tension obtenues avec et sans masque sous AM1.5D (surface de la cellule 1.2cm2)
37
II .2 - La mesure Suns-Voc
La méthode Suns-Voc [4] permet d‟obtenir une caractéristique I-V de la cellule
par la mesure du V co de la cellule en fonction d‟une variation d‟intensité. Cette
caractérisation est réalisée grâce à système d‟acquisition qui enregistre simultanément la
variation de l‟intensité produite par la lampe flash au niveau d‟une cellule de référence
et la variation de la tension aux bornes de la cellule à mesurer, Figure II-5. Lors de cette
mesure, J cc n‟est pas mesuré mais il est rentré par l‟utilisateur en fonction des résultats
obtenus sous éclairement.
Alimentation et amorçage de la
lampe flash (lumière blanche)
Lampe flash
produisant une
lumière blanche
Cellule (à jonction arrière)
Cellule de
référence
Oscilloscope
Figure II-5 : Schéma du système de mesure Suns-Voc.
La mesure Suns-Voc permet d‟extraire les courants de saturation de la cellule
(J s1, J s2 ), Vco et le pseudo-FF. Ce terme correspond au facteur de forme de la cellule sans
prendre en compte la résistance série. Un pseudo-rendement, sans l‟influence de R s, peut
de cette manière être obtenu.
Mesure AM1,5D à 35°C
Jcc : 36,7mA/cm2
Voc : 604mV
FF : 76,7%
η : 17,1%
Mesure Suns-Voc à 25°C
(Jcc : 36,7mA/cm2)
Voc : 627mV
Pseudo-FF : 82,4%
Pseudo-η : 18,96%
Figure II-6 : Caractéristiques I-V de la cellule test. La courbe rose représente la mesure I-V
sous éclairement à 35°C et la courbe bleue la réponse Suns-Voc à 25°C.
38
La Figure II-6 représente les résultats mesurés sur notre cellule test. On
remarque sur ce graphique un décalage au niveau de la tension de circuit ouvert entre la
mesure sous éclairement et Suns-Voc de 13mV. Cet écart est principalement dû à la
différence de température lors des deux mesures. En effet, la mesure Suns-Voc
n‟engendre pas d‟échauffement et la caractéristique a été établie à 25°C soit 10°C de
moins que la mesure sous éclairement. La tension V co obtenue avec la méthode SunsVoc correspond donc au standard AM1.5D (Température) et sa valeur est identique à
celle obtenue après correction de la température dans la partie précédente.
Le fonctionnement d‟une cellule photovoltaïque lors de la mesure Suns -Voc est
approximé au niveau électrique par le schéma équivalent Figure II-7. Ce modèle à deux
diodes a pour équation:


 qV  
 qV   Vs
J  J L  J s1 exp 
  1  J s 2 exp 
  1 
 n1kT  
 n2 kT   R p


(II-4)
JL
Rp
Js1, n1
V
Js2, n2
Figure II-7 : Modèle à deux diodes d'une cellule lors de la mesure Suns-Voc
La mesure Suns-Voc n‟étant pas soumise à l‟influence de la résistance série, sa
différence avec la mesure I-V sous éclairement permet de déterminer l‟influence de la
résistance série. Il existe dans la littérature, plusieurs méthodes d‟extraction de la
résistance série à partir de ces deux courbes [5]. Nous avons utilisé au cours de cette
thèse la méthode de comparaison des facteurs de forme.
Cette technique est basée sur l‟évolution linéaire du facteur de forme en
fonction de la résistance série pour de faibles valeurs de résistance série (R s<2
Ohm.cm2 ) et pour J cc, V oc et J m constants. Dans ce cas, FF=f(R s) décroît avec une pente
de [5]:
J m2
m
Vco .J cc
(II-5)
Et on peut déterminer par la mesure du facteur de forme sous éclairement et
avec le système Suns-Voc la valeur de la résistance série par :
Rs 
pseudoFF  FF
m
(II-6)
Pour la cellule test, nous trouvons en appliquant ce calcul une résistance série
de l‟ordre de 0,9 Ohm.cm 2 à 25°C.
39
II .3 - La mesure I-V sous obscurité
La mesure I-V sous obscurité consiste à balayer la caractéristique couranttension de la cellule sous obscurité. Nous utilisons pour cette mesure une alimentation
quatre cadrans délivrant des tensions de 0 à 20V et des courants de 0 à 5A ainsi que
deux multimètres pour la mesure du courant et de la tension. L‟évolution I-V sous
obscurité d‟une cellule peut être approximée par un modèle à deux diodes, Figure II-8.
Ce modèle s‟exprime par la relation :


 q V  JRs   
 q V  JRs    V  JRs
J  J s1 exp 
  1  J s 2 exp 
  1 
n1kT
Rp

 
 n2 kT
 


(II-7)
Rs
Rp
Js1, n1
V
Js2, n2
Figure II-8 : Modèle à deux diodes d'une cellule sous obscurité
La Figure II-9 illustre l‟évolution I-V de notre cellule test sous obscurité ainsi
que l‟influence des différents éléments de l‟équation II-8. A faible tension, la courbe I-V
sous obscurité est dominée par la résistance parallèle. Aux tensions avoisinantes V m, J s2
influence la courbure et en s‟approchant de V oc la caractéristique dépend essentiellement
du courant de saturation de la diode J s1. Lorsque les forts courants (>0,1A) sont atteints
l‟influence de la résistance série apparaît mais dans notre cas son effet reste faible.
Mesure sous
obscurité

 q V  JRs   
J s 2 exp 
  1

 n2 kT
 
V  JRs
Rp

 q V  JRs   
J s1 exp 
  1
n1kT

 

Figure II-9 : I-V sous obscurité de la cellule test (courbe à motif plein). Les trois courbes
à motifs vides représentent les différents éléments du modèle à 2 diodes (eq. II-7).
Nous avons répertorié dans le Tableau II-2 les paramètres extraits de la
caractéristique I-V sous obscurité ainsi que les résultats obtenus à partir de la mesure
40
Suns-Voc. Pour la résistance parallèle, les deux méthodes permettent d‟obtenir des
résultats similaires sachant que la mesure Suns-Voc donne uniquement la borne
inférieure de R p. Au niveau de Is1 nous obtenons une bonne corrélation entre les deux
méthodes. Is1 est très sensible à la température car sa valeur double environ tous les
10°C [1] et un pourcentage de 20% d‟erreur entre les deux techniques est très
satisfaisant.
Rp
J s1
J s2
Rs
n2
2
-2
-2
(Ω.cm )
(A.cm )
(A.cm )
(Ω.cm2 )
I-V obscurité
1050
1,2.10 -12
5.10 -8
2
0,035
-12
-10
Suns-Voc
>800
1.10
1.10
2
0,9
Tableau II-2 : Récapitulatif des courants de saturation et des résistances au sein de la cellule
test à jonction arrière obtenus par la méthode Suns-Voc et I-V sous obscurité.
Par contre pour Is2 et Rs les valeurs obtenues entre les deux méthodes sont très
différentes. Cette différence, non observable sur des cellules conventionn elles, est due à
la technique de mesure. En effet, pour la mesure Suns-Voc, les porteurs sont générés sur
toute l‟épaisseur du substrat et se propagent de façon similaire au fonctionnement sous
éclairement (Figure II-10). Dans ce cas, le flux des porteurs est principalement vertical
de la face avant à la face arrière. Pour la mesure sous obscurité, les porteurs sont
injectés à partir de la face arrière et se propagent horizontalement du peigne n au peigne
p. Cette différence de flux entre les mesures sous éclairement et sous obscurité rend
leurs schémas électriques non superposables. Les paramètres de l‟équation sous
obscurité (eq. II-7) sont différents des paramètres obtenus sous éclairement (eq. II-3).
De ce fait, notre cellule test à jonction arrière a deux valeurs de résistance série : 0,9
Ω.cm2 sous éclairement et 0.035 Ω.cm 2 sous obscurité ; ces deux valeurs sont justes
mais correspondent à deux régimes de fonctionnement différents. La modélisation des
cellules à jonction arrière grâce à un modèle à deux diodes n‟est donc pas valable. Dans
la partie sur l‟étude de la réponse spectrale, nous développerons un modèle plus
complexe qui permet de mieux appréhender leur fonctionnement.
Face avant
Epaisseur de la cellule (U.A.)
Face avant
Zone p+
Zone
passivée
Zone
Emetteur n
passivée
Figure II-10 : Simulation 2D (cf ch. IV) de la distribution du courant de porteurs minoritaires
dans une cellule à jonction arrière présentant le même courant à ses bornes sous obscurité (à
gauche) et sous éclairement (à droite). Les flèches représentent la direction du courant.
Emetteur n
Zone p+
41
II .4 - La mesure des résistances de contact par la méthode TLM
La mesure TLM (Transmission Line Model) [6] est une des méthodes
permettant de caractériser la résistance de contact. Cette technique est basée sur la
propagation horizontale du courant entre deux contacts adjacents d‟écartement variable.
Lors de la réalisation de cellules sur substrat 2“ des motifs TLM sont présents et sont
constitués de 6 plots espacés respectivement de 0,1 ; 0,2 ; 0,3 ; 0,4 ; 0,5mm. Chaque plot
a une longueur de 1mm et une largeur w de 5mm comme le montre la Figure II-11.
Lignes de courant
Figure II-11 : Schéma du système de mesure TLM.
Entre chacun des plots, une caractéristique I-V sous obscurité est réalisée et la
pente de la droite obtenue correspond à la résistance électrique inter plots. On peut alors
tracer l‟évolution de la résistance entre les contacts en fonction de l‟espacement et cette
droite a pour équation:
Rt (l )  2 Rc 
Rshl
w
(II-8)
Avec R c : résistance de contact pour un plot; R sh : Résistance carrée de la
couche entre les contacts ; l : espacement entre les contacts ; w : longueur des contacts.
Pour un contact de longueur d la résistance de contact est égale à [7] :
 d 
Rsk LT
coth  
(II-9)
W
 LT 
Avec LT : longueur de transfert ; R sk : résistance carrée de la couche sous les
contacts. Si d>2LT (contact électriquement long) :
Rc 
Rc 
Rsk LT
W
Et
Rt (l )  2 Rc 
(II-10)
Rshl 2 LT Rsk Rshl


w
w
w
(II-11)
Dans le cas d‟un contact non allié R sh = Rsk (ce qui est notre cas avec les plots
de Ti/Pd/Ag sur l‟émetteur (ch. III)), on peut déterminer la résistivité de contact par:
 c  Rsk LT2
(II-12)
42
Contact Ti/Pd/Ag
(non allié)
Contact Al (allié)
R sh
(Ω/□)
R sk
(Ω/□)
Rc
(Ω)
ρc
(mΩ.cm-2 )
LT
(µm)
25.5
25.5
8,3.10 -3
6,9.10 -7
1.64
130
/
3.9
/
/
Figure II-12 : Evolution de la résistance de contact entre les plots pour différents
espacements. Les points bleus ont été obtenus sur des contacts Ti/Pd/Ag déposés sur
l’émetteur de la cellule de référence. Les points rouges ont été mesurés à partir des plots
d’Aluminium (plot déposé sur un BSF (Rsh≠Rsk)).
Si le contact est allié R sk ≠R sh (cas de l‟Al-BSF (ch. III)) des mesures
complémentaires doivent être réalisées [8].
Pour notre cellule de référence, on remarque que le contact Ti/Pd/Ag qui est
déposé sur l‟émetteur de 25,5 Ω/□ permet d‟obtenir un meilleur contact que l‟aluminium
avec un BSF sur le substrat. Le ρ c du Ti/Pd/Ag se trouve dans notre cas sous la limite de
résolution de cette méthode qui est de 5.10 -6 Ω.cm -2 [8].
43
II .5 - La mesure de durée de vie effective
La durée de vie des porteurs minoritaires est l‟un des moyens permettant de
caractériser les recombinaisons des paires électrons-trous au sein d‟un matériau. Ce
phénomène de recombinaison réduit les performances des cellules (V oc , η) et correspond
à la principale source de perte d‟efficacité des cellules photovoltaïques Erreur ! Source
du renvoi introuvable..
La durée de vie des porteurs minoritaires, τ, peut se définir comme le temps
moyen entre la formation d‟une paire électron-trou et sa disparition par recombinaison.
Cette durée est définie par :

n
U
(II-13)
Avec U représentant le taux de recombinaison et Δn (ou Δp) la densité
d‟électrons (ou de trous) en excès. Dans le cas du photovoltaïque, ces porteurs
excédentaires sont photogénérés (injectés) et en absence de pièges, on a la relation
Δn=Δp. L‟évolution de la durée de vie est due à différents mécanismes de
recombinaison intervenant simultanément en surface et en volume de l‟échantillon. On
définit donc la durée de vie effective τ eff, qui tient compte de l‟ensemble de ces
mécanismes. Les différents taux de recombinaison U x sont considérés comme
indépendants et leurs effets s‟additionnent :
1
 eff

1
x
(II-14)
La durée de vie évoluant avec la concentration de porteurs minoritaires ou
niveau d‟injection, on définit deux principaux régimes de fonctionnement :
 Faible injection : la concentration de porteurs minoritaires est inférieure à la
concentration de dopants actifs dans le matériau.
 Forte injection : la concentration de porteurs minoritaires (MCD) est supérieure
à la concentration de dopants actifs. Dans ce cas, les concentrations de
porteurs minoritaires et majoritaires sont égales.
Nous rappellerons, dans les sous-parties suivantes, les différents mécanismes de
recombinaison et nous présenterons la mesure de la durée de vie effective par
décroissance de photoconductivité (PCD) ainsi que les différents paramètres qui nous
seront utiles à travers les chapitres suivants. Les trois mécanism es de recombinaisons
fondamentaux au sein des semi-conducteurs sont :
 Les recombinaisons radiatives
 Les recombinaisons Auger
 Les pièges dans le gap (Shockley-Read-Hall)
II.5.1 - Les recombinaisons radiatives
Cette recombinaison correspond à l‟annihilation d‟une paire électron-trou avec
émission d‟un photon d‟énergie proche de celle du gap du matériau comme le montre, le
Figure II-13a. La durée de vie radiative τ rad est constante en régime de faible injection et
décroît de façon inverse à la densité de porteurs en haute injection (τ rad = f (1/Δn))
Erreur ! Source du renvoi introuvable.. Toutefois, le taux de recombinaison radiative
44
au sein du silicium est faible en raison de la nature indirecte de son gap et son ef fet est
négligeable par rapport aux autres phénomènes.
II.5.2 - Les recombinaisons Auger
La recombinaison Auger est décrite par un mécanisme à trois entités. Lors de la
recombinaison d‟un électron de la bande de conduction et d‟un trou de la bande de
valence, l‟énergie excédentaire est transférée à une troisième particule libre, électron ou
trou comme le montre le schéma du Figure II-13b. Cette charge perd alors
progressivement son énergie par thermalisation. En régime de basse injection, l a durée
de vie Auger τ Auger est constante mais sa valeur dépendant fortement de la concentration
de dopants (τ Auger =f (1/Ndop2). Pour le régime de forte injection, τ Auger décroît de façon
inversement proportionnelle à la densité de porteurs au carré (τ Auger=f (1/Δn2)) Erreur !
Source du renvoi introuvable.. Ce mode de recombinaison est prédominant sous fort
niveau d‟injection (cas des cellules solaires sous concentration) et pour les zones de
dopage important comme dans le cas des émetteurs. Nous rentrerons plus en détail sur
ce point dans la partie sur les recombinaisons en surface.
a)
b)
c)
(1)
(2)
Figure II-13 : Schémas représentant les différents mécanismes de recombinaison au sein du
silicium a) Recombinaison radiative. b) Recombinaison Auger, l’excès d’énergie peut être
transféré à un électron (1) ou à un trou (2) c) Recombinaison SRH Erreur ! Source du renvoi
introuvable..
II.5.3 - Les recombinaisons dues aux défauts dans le substrat
Les défauts dans les semi-conducteurs qui peuvent être dus à des impuretés ou
des défauts cristallins entraînent la formation de niveaux d‟énergie discrets au sein du
gap du matériau. Ces niveaux “pièges” facilitent la recombinaison des porteurs par un
mécanisme de deux relaxations successives. L‟électron de la bande de conduction va
d‟abord se relaxer sur le niveau d‟énergie intermédiaire lié au défaut puis se relaxer de
nouveau pour atteindre la bande de valence où il va se recombiner avec un trou, Figure
II-13. La durée de vie de ce phénomène τ srh a été décrit par la théorie de Shockley-ReadHallErreur ! Source du renvoi introuvable. et peut être approximée pour du silicium
de type p à [10]:
 srh ( Ni )   p 0 
 n0   p0
N
1 i
N dop
(II-15)
Avec Ni le niveau d‟injection, N dop la concentration de dopant actif, τ n0 et τp0 la
durée de vie fondamentale des électrons et des trous. Ces grandeurs sont liées à la
densité de centres pièges, à la vitesse thermique des porteurs de charge et aux sections
45
de capture efficace des différents types de pièges. Pour un matériau de type p, sachant
que τn0 << τp0 , τsrh augmente avec le niveau d‟injection Erreur ! Source du renvoi
introuvable..
Pour illustrer ces différents phénomènes de recombinaison, la Figure II-14
illustre l‟évolution de la durée de vie effective réalisée sur un substrat p d‟une résistivité
de 1Ω.cm contaminé par un défaut profond (τ n0 =1ms et τp0 =20ms) Erreur ! Source du
renvoi introuvable.. La courbe peut alors être approximée par les différents modèles de
recombinaisons (radiatif, Auger, SRH). On remarque alors que la durée de vie effective
est dominée à basse injection par les recombinaisons SRH et qu‟en régime de haute
injection les recombinaisons Auger sont prédominantes.
Figure II-14 : Evolution de la durée de vie effective pour un échantillon de silicium de type p
(1 .cm) en fonction du niveau d’injection. Les courbes théoriques de durée de vie radiative,
SRH et Auger permettent de modéliser la mesureErreur ! Source du renvoi introuvable. .
II.5.4 - Les recombinaisons en surfaces
La surface constitue une forte discontinuité de la structure cristalline du
silicium. Cette interruption entraîne de nombreux défauts structuraux comme les liaisons
pendantes. Elles correspondent à des atomes de silicium auxquels il manque une liaison
covalente et qui ne sont donc pas dans une configuration électriquement stable. Ces
défauts forment alors au sein du gap du silicium des niveaux d‟énergie qui vont assister
les phénomènes de recombinaisons SRH. On considère généralement que ces défauts en
très grand nombre sont distribués de manière continue dans tout l‟intervalle d‟énergie de
gap (E) avec une densité et des sections de capture efficace dépendantes de leur niveau
d‟énergie (σn(E) et σp(E)). Ces défauts sont qualifiés en utilisant la notion de densité
d‟état d‟interface D it(E), exprimée en cm -2.eV-1. Le taux de recombinaison surfacique U s
peut alors s‟exprimer sous la forme [11] :
Us 
Ec
 th (ns ps  ni2 )
n
Ev
 n1 ps  p1

 p (E)  n (E)
Dit ( E )dE
(II-16)
s
Avec n s et p s les concentrations d‟électrons et de trous à la surface, v th la vitesse
thermique des porteurs de charge et le facteur n 1 (p1 ) est défini comme la densité
46
d‟électrons (de trous) dans la bande de conductions E c (bande de valence E v) lorsque le
niveau de Fermi coïncide avec le niveau énergétique du piège.
Cette expression théorique est en pratique simplifiée à :
U s  Seff ns
(II-17)
Avec S eff représentant la vitesse de recombinaison en surface (cm.s -1 ) et Δns la
concentration de porteurs minoritaires au niveau de la surface. D‟après l‟équation II -17,
il existe deux mécanismes pour minimiser les recombinaisons à la surface :
 Diminuer les défauts d‟interface en réduisant leurs densités D it ainsi que
l‟amplitude des sections de capture efficace σ. Cela peut, par exemple, être
obtenu en déposant une couche diélectrique qui passive les liaisons pendantes
(SiN x:H, SiO2 ) [11].
 Réduire la concentration de porteurs minoritaires à la surface. Cet effet peut être
obtenu en dopant la surface à l‟aide d‟un BSF (Tableau II-3a) ou d‟un
émetteur flottant (Tableau II-3c). Une autre technique consiste à exploiter les
charges fixes présentes dans une couche de diélectrique déposée sur le substrat
de silicium. On obtient alors, suivant le type de charge présent dans le
diélectrique, des phénomènes d‟accumulation (Tableau II-3c) ou d‟inversion
(Tableau II-3d).
BSF
a)
Accumulation
porteurs minoritaires en surface : électrons
Charges
BSF du
positives
diélectrique
b)
Emetteur
Inversion
porteurs minoritaires en surface : trous
Si – type n
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
BC
EF
BV
Charges
positives
du
Émetteur
diélectrique
Si – type p
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
EF
d)
c)
Accumulation
Inversion
Accumulation
Inversion
(a)
(b)
porteurs minoritaires en surface : électrons
porteurs minoritaires
en surface : trous
_
Charges
Charges
négatives
positivesdu
du
diélectrique
diélectrique
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+++
+++
+
+
+
Si Si
– type
p n
– type
BCBC
EF
EF
BVBV
Charges
Charges
négatives
positivesdu
du
diélectrique
diélectrique
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
++
++
+++
+
+
+
+
Si Si
– type
n p
– type
BC
EF
EF
BV
Tableau II-3
(a) : Techniques permettant de repousser les porteurs minoritaires de la surface
(b) [11].
_
_
_
Si
–
type
p
Si –mécanismes
type n
L‟oxyde de _silicium et le nitrure de silicium utilisent ces
deux
de
_
_
_
BC forte quantité de charges fixes positives
BCet
passivation. Ils contiennent
tous deux une
_
_
Charges
Charges
E
F
réduisent
significativement
la densité d‟états
d‟interface
[11].
négatives
du __
négatives
du _ +
EF
_ ++
Lorsque la surface
du silicium est
par un émetteur,
il est possibleBVde
diélectrique
diélectrique
_ ++
_ +++
BV passivée
+++
_
_
relier la densité de courant
de
saturation
de
l‟émetteur
J
à
la
durée
de
vie τ. En prenant
oe
_
_
un émetteur fortement
dopé, la concentration de porteurs minoritaires
est, dans cette
_
_
zone, faible et les recombinaisons Auger vont dominer les autres types de
recombinaisons. L‟émetteur sera généralement, du fait de son dopage, toujours en
régime de basse injection impliquant une durée de vie des porteurs minoritaires
47
constante (dans l‟émetteur). Le taux de recombinaison dans l‟émetteur s‟exprime alors,
ramené au volume du substrat, comme Erreur ! Source du renvoi introuvable. :
U emetteur 
J rec
np
 J oe
qW
qWni2
(II-18)
Avec n et p la concentration d‟électrons et de trous dans la base, q la charge
d‟un électron et W l‟épaisseur du substrat.
La durée de vie dans l‟émetteur est alors exprimée pour les basses (τ émetteur, bas)
et fortes injections (τ émetteur, haut ) à :
 emetteur ,bas 
qWni2
J oe Ndop
 emetteur ,haut 
qWni2
J oe n
(II-19)
Le τ émetteur est donc constant à basse injection et décroît de façon inverse à la
densité de porteurs en forte injection (τ emetteur = f (1/Δn)).
Une surface passivée par un émetteur peut aussi être exprimée comme une
simple recombinaison de surface par :
J rec
N  n
np
 J oe 2  Seff  J oe d 2
q
qni
qni
II.5.5 - Les structures de mesure de durée de vie effective
U emetteur  U s  Seff n 
(II-20)
La durée de vie effective est la résultante de l‟ensemble des recombinaisons
présentées précédemment :
1
 eff

1
 rad

1
 Auger

1
 srh

1
 surface

1
(II-21)
 emetteur
Les trois premiers termes sont généralement groupés sous la durée de vie du
volume τbulk. En négligeant les recombinaisons radiatives, on obtient :
1
 bulk
a)

1
 rad

1
 Auger

1
 srh

1
 Auger

1
(II-22)
 srh
b)
Diélectrique (SiO2, SiN)
Diélectrique (SiO2, SiN ou rien)
Substrat Si
Substrat Si
Zones
diffusées
Figure II-15 : Structures tests utilisées au cours de cette thèse : a) la surface est recouvert
d'un diélectrique b) la surface est diffusée (émetteur) et peut être recouvert d’un diélectrique
Au cours de cette thèse, nous avons étudié les deux structures présentées dans la
Figure II-15. La première structure (a) est composée d‟un substrat de silicium recouvert
sur ses deux faces d‟un même film diélectrique. Le taux de recombinaison est égal à :
U eff  U bulk  2U surface
n
 eff

n
 bulk

2 S ns
W
(II-23)
48
En prenant pour hypothèse que le profil des porteurs minoritaires est uniforme
dans la structure et que S est faible, on a Δn=Δn s :
1
1
2S
(II-24)


τeff étant
 bulk variable
W
avec le niveau d‟injection, nous prendrons pour calculer S un
eff
niveau d‟injection compris entre 5.10 14 cm-3 et 1015 cm -3 pour être dans des conditions
proches de l‟éclairement AM1.5D.
Pour la seconde structure test (b), le substrat est dopé sur ses deux faces par un
émetteur identique et quelle que soit la passivation en surface on définit :
U eff  U bulk  2U émetteur
n
 eff

n
 bulk

2 J oe np
qWni2
(II-25)
Qui peut se simplifier, comme pour l‟équation II-25 en :
1
 eff

1
 bulk

2 J oe ( N d  n )
qWni2
(II-26)
En régime de forte injection, cette fonction évolue sous forme d‟une droite de
pente 2J oe/qWni2 et coupe l‟axe des abscisses en 1/τ bulk. Cette méthode est utilisée dans
la partie suivante pour extraire J oe et τbulk.
II.5.6 - La mesure de la durée de vie effective par la méthode PCD
La technique PCD (Photo-Conductance Decay) consiste à mesurer la variation
de conductivité Δσ d‟un échantillon suite à l‟illumination de celui -ci. L‟évolution de la
conductivité est mesurée sans contact grâce à un pont RF (Radio Fréquence) qui produit
une tension proportionnelle à la conductivité. L‟évolution de l‟intensité lumineuse est
quant à elle enregistrée à partir d‟une cellule étalon.
La durée de vie effective des porteurs minoritaires dans l‟échantillon est
obtenue par la résolution de l‟équation de continuité [12] :
n
1
 G  U  J
t
q
(II-27)
Avec G : taux de photogénération, U : taux de recombinaison, q : charge
élémentaire et J la densité de courant de porteurs minoritaires.
En prenant pour hypothèse que la photogénération et la durée de vie sont
spatialement uniformes dans l‟échantillon : J=0, la solution de l‟équation II-27 est :
 eff (n) 
n(t )
d n(t )
G (t ) 
dt
(II-28)
Le taux de photogénération, estimé grâce à la mesure de l‟intensité lumineuse,
est donné par [13] :
G (t ) 
f abs N ph
W
(II-29)
Avec W : épaisseur de l‟échantillon, N ph : le nombre de photons incidents par
seconde et par unité de surface ayant une énergie supérieure au gap et f abs la fraction de
photons absorbés (dépend de la réflectivité et du coefficient d‟absorption).
La densité de porteurs dans l‟échantillon est fonction de sa conductivité par :
49
  qW ( µn  µ p )n
(II-30)
Avec µn et µp correspondant aux mobilités des électrons et des trous. Ces deux
valeurs sont connues dans la littérature en fonction du dopage de l‟échantillon et du taux
d‟injection. Ainsi à partir de la variation de conductivité et de l‟intensité lumineuse il est
possible de remonter à la durée de vie effective. En pratique, nous u tilisons au
laboratoire un système Sinton Lifetime Tester qui permet d‟obtenir la variation de la
durée de vie effective en fonction du niveau d‟injection de porteurs minoritaires. Pour
couvrir une large gamme de durée de vie et de niveau d‟injection, ce système dispose de
trois modes de mesure
Le mode transitoire
Il consiste à envoyer un flash très court sur l‟échantillon et à enregistrer la
variation de conductivité au sein de l‟échantillon lorsque le flash est fini. L‟expression
théorique de cette mesure est exprimée par :
n(t )
 eff (n) 
(II-31)
d n(t )
dt
Ce mode de mesure permet de mesurer des échantillons présentant une durée de
vie effective supérieure à 100µs. La densité de porteurs minoritaires (MCD) est
généralement faible dans ce cas car il n‟y a pas de génération lors de la mesure.
Le mode quasi-stationnaire (QSS)
Ce mode développé par Sinton et Cuevas [14] est un mélange entre une mesure
stationnaire et transitoire. Dans le cas d‟une mesure purement stationnaire, c'est-à-dire à
éclairement constant, il n‟y a pas de variation de quantité de porteurs minoritaires donc :
 eff (n) 
n
G
Car G(t) = cte et
d n(t )
0
dt
(II-32)
Par cette méthode, pour réaliser un spectre τ eff en fonction de la MCD, il faut
mesurer et faire varier précisément l‟intensité lumineuse sans échauffer radiativement
l‟échantillon, ce qui n‟est pas simple. Sinton et Cuevas ont alors eu l‟idée d‟utiliser un
flash long ayant une constante de temps élevée permettant pour un échantillon de faible
durée de vie d‟être proche de la condition stationnaire (pendant un temps dt) sans subir
d‟échauffement. Dans ce cas, τeff s‟exprime comme :
n
G(t ) d n
 eff (n) 
Car
(II-33)
N ph f abs d n
t
dt

W
dt
Cette mesure est sur notre système valable uniquement pour les durées de vie
effective inférieures à 50µs.
Le mode généralisé
Ce mode développé par Nagel [13] permet d‟unifier les mesures réalisées en
mode transitoire et QSS. Ce mode utilise directement l‟équation générale II-28 mais sera
plus sensible aux incertitudes de mesure que les deux autres modes dans leurs domaines
spécifiques. Il sera alors principalement utilisé pour caractériser les durées de vie
comprises entre 50 et 100µs.
50
Alimentation et
amorçage de la lampe
flash
Lampe
flash
diffuseur
Filtre IR
diffuseur
échantillon
Cellule de
référence
U(t) ~ σph(t) ~ ∆n
Pont RF
U(t) ~ G(t)
Figure II-16 : schéma de fonctionnement et image du dispositif de mesure de la durée de
vie par la technique PCD [11]
Le dispositif expérimental de mesure, représenté en Figure II-16, est composé
d‟un flash, d‟une bobine existée sous RF permettant de mesurer la conducti vité de
l‟échantillon, d‟une cellule étalon et d‟une interface informatique. La lumière du flash
est uniformisée et filtrée à l‟aide d‟un filtre infrarouge et de deux diffuseurs. Seules les
longueurs d‟onde supérieures à 700nm sont transmises permettant ainsi une génération
uniforme dans la profondeur de l‟échantillon (eq. II-24). Ce dernier est, lors de la
mesure, disposé sur la plateforme comportant le circuit RF et la cellule étalon. Le pont
est asservi en température et un étalonnage est réalisé lors de chaque série de mesure.
Durant l‟acquisition, l‟intensité du flash lumineux est enregistrée par la cellule étalon et
la modification de la quantité de porteurs au sein de l‟échantillon affecte sa conductivité
ainsi que l‟inductance de la bobine. Une tension proportionnelle à la conductivité est
alors mesurée sur le pont RF et transmise à l‟interface informatique. Cette tension avec
la mesure de l‟intensité lumineuse permet de déterminer l‟évolution de la durée de vie
effective en fonction de la densité de porteurs minoritaires comme le montre la Figure
II-17.
Figure II-17 : Mesure PCD de la durée de vie effective en fonction de la densité de porteurs
minoritaires (MCD) avec ses trois modes de mesure. La méthode transitoire permet
d’analyser les faibles valeurs de MCD, le mode QSS est faux pour les τ supérieurs à 100µs
mais permet d’analyser les fortes MCD.
51
II .6 - La mesure de réflectivité
Cette caractérisation est l‟outil indispensable pour évaluer la qualité de la
texturation et de la couche antireflet. Cette mesure consiste à éclairer un échantillon
avec une lumière monochromatique et à mesurer l‟intensité réfléchie à l‟aide d‟un
photodétecteur. Cette caractéristique est alors étendue à tout le spectre solaire utilisé
pour la conversion photovoltaïque (350 à 1100nm).
Les réflexions produites par l‟échantillon sont généralement diffuses (surface
texturée) et nous utilisons une sphère intégrante pour faire converger les différentes
réflexions vers le photodétecteur [15]. La lumière produite par le monochromateur est
relativement faible et pour améliorer le rapport signal sur bruit, une détection synchrone
a été ajoutée associée à un système rotatif de hachage du signal lumineux, Figure II-18a.
L‟extraction de la réflectivité d‟un échantillon en fonction du signal mesuré sur
le photodétecteur est réalisée en deux temps. En premier lieu, l‟intensité réfléchie par
l‟échantillon est mesurée sur tout le spectre puis une seconde mesure est réalisée en
intervertissant l‟échantillon avec un étalon. Ce dernier a un spectre de réflectivité connu
et par corrélation entre les deux spectres mesurés, la réflectivité de l‟échantillon est
obtenue, Figure II-18b.
a)
b)
20
1400
Réflectivté (%)
18
1200
16
14
1000
12
10
800
8
600
6
400
2
400
500
600
700
800
900
200
1000 1100
Longueur d'onde (nm)
Figure II-18: a) Schéma du système de mesure de réflectivité b) Exemple d’une mesure de
réflectivité en noir et spectre d’irradiance du soleil sous AM1.5G en bleu.
Afin de comparer les spectres entre eux, on calcule la réflectivité effective
(R eff). Il s‟agit de l'intégrale de la réflectivité R(λ) pondérée par rapport à l'irradiance du
spectre solaire J 0 (en général considéré sous AM 1.5, Figure II-18) :
 sup
R eff 

R  J 0 .d 
 inf
 sup

(II-34)
J 0 .d 
 inf
 inf. et  sup. correspondent aux bornes du spectre étudié qui est généralement de
350 à 1100nm. Une réflectivité effective de 100% correspond à un miroir parfait et pour
une cellule la valeur minimum sera recherchée. Dans notre exemple, Figure II-18, la
réflectivité relative est de 2,7%.
52
-1
0
-2
4
Irradiance AM1,5G (W.m .µm )
1600
22
II .7 - La mesure de réponse spectrale
II.7.1 - Principe de la mesure
Un faisceau monochromatique génère dans le silicium des paires électrons-trous
avec une distribution spatiale de :
G  (1  R) N  x
(II-35)
Avec N représentant le flux incident, R la partie réfléchie par la surface, α le
coefficient d‟absorption et x la profondeur. Une cellule solaire absorbant des photons
sur une large gamme de longueur d‟onde, sa réponse spectrale est un moyen de mesure
intéressant pour caractériser ses performances.
On définit le rendement quantique externe comme le rapport entre le nombre de
paires électrons-trous collectées par les contacts sur le nombre de photons incidents pour
une longueur d‟onde donnée :
EQE 
J ph ( )
qN ( )
(II-36)
J ph(λ) : densité de courant fournie sous éclairement à la longueur d‟onde λ.
N(λ) : nombre de photons incidents par unité de surface.
q : la charge d‟un électron.
Pour s‟affranchir de la réflectivité de la face avant R(λ) on définit le rendement
quantique interne :
IQE 
J ph ( )
qN ( )[1  R ( )]
(II-37)
Le silicium présentant un coefficient d‟absorption très variable en fonction de la
longueur d‟onde, comme nous l‟avons vu sur la Figure I-4, on peut estimer à partir de la
réponse IQE l‟influence de différents paramètres de la cellule :
 λ<500nm, α est élevé et les paires électrons-trous seront générées dans les
premiers nanomètres du silicium. Cette partie de la réponse IQE caractérisera
donc l‟influence de la face avant (recombinaisons).
 500nm<λ<900nm, α est plus faible et la génération sera répartie sur une plus
grande profondeur du silicium. La partie correspondante de l‟IQE est
généralement élevée et permet par simulation de la cellule d‟extraire le τ bulk.
 900nm<λ<1100nm, α devient faible et la création de paires électrons-trous est
réalisée à plusieurs centaines de micromètres de la surface. Cette partie de la
réponse IQE est liée à la face arrière (réflectivité, recombinaisons). Au-delà de
l‟énergie du gap, plus aucune paire électron-trou n‟est générée.
Le banc de mesure est en partie identique à celui utilisé pour la réflectivité. Le
monochromateur délivre un faisceau qui est modulé par un hacheur. La lumière
monochromatique vient alors par un système de levier insoler successivement la cellule
à caractériser et une cellule de référence. Un convertisseur courant-tension transforme
alors le courant de court-circuit produit aux bornes de chacune des cellules en tension.
Ces signaux sont traités par la détection synchrone qui en extrait la partie utile. Et pour
finir, une interface informatique extrait l‟EQE de la cellule testée grâce à une corrélation
avec la réponse de la cellule de référence.
53
II.7.2 - La réponse spectrale des cellules à jonction arrière
La théorie concernant la réponse spectrale des cellules solaires conventionnelles
est bien connue [16][17][18]. Pour les cellules EWT, l‟émetteur en face avant étant
connecté, la partie d‟IQE correspondant à λ<900nm peut être interprétée de la même
façon que pour une cellule conventionnelle. Pour les plus grandes longueurs d‟onde, la
collection des porteurs minoritaires sur la face arrière [19] rend, en revanche,
l‟extraction des paramètres plus difficile.
Dans le cas des cellules à jonction arrière, sachant qu‟on ne se trouve plus dans
une configuration n + /p/p + (p+/n/n +) verticale, les modèles des cellules conventionnelles
ne peuvent être utilisés.
La Figure II-19 représente la réponse spectrale d‟une cellule à jonction arrière
sous différentes intensités de lumière continue (bias light). Cela correspond à l‟ajout
d‟une source lumineuse d‟intensité constante sur la cellule durant la mesure de réponse
spectrale. La cellule présente alors à ses bornes un photo-courant I composé d‟une
composante continue, dû à l‟éclairement constant, et d‟un signal haché correspondant au
photo-courant produit par le faisceau issu du monochromateur et modulé par le hacheur.
Au niveau de notre chaîne de mesure, la détection synchrone va considérer la
composante continue du courant comme du bruit et seule la partie engendrée par le
faisceau monochromatique va être extraite. La caractéristique IQE d‟une cellule
conventionnelle n‟est pas affectée par l‟ajout d‟un bias light car son cou rant de courtcircuit dépend linéairement de l‟intensité lumineuse. Pour les cellules à jonction arrière
cette linéarité n‟existe pas et la réponse IQE de la cellule dépend donc de l‟intensité du
bias, Figure II-19, mais aussi de l‟intensité du faisceau issu du monochromateur comme
nous allons le voir par la suite.
Figure II-19 : Mesure IQE d'une cellule à jonction arrière pour différentes intensités de
bias light. Les bias sont d’intensité croissante.
Au niveau du fonctionnement de la cellule, cette dépendance entre le courant de
court-circuit et l‟intensité lumineuse s‟explique par la présence en face avant d‟un
émetteur flottant [21]
54
En effet durant cette thèse, nous avons réalisé deux types de structures pour
passiver la face avant:
 Un émetteur formé par diffusion thermique de POCl 3 recouvert d‟une couche de
nitrure de silicium. On a alors une structure n +/p en face avant. Cet émetteur
n‟étant pas connecté aux bornes de la cellule, il possède un potentiel électrique
flottant et on le nomme de par ce fait, émetteur flottant.
 Un dépôt de nitrure de silicium directement réalisé sur le substrat de type P. Ce
diélectrique possède une grande quantité de charges fixes positives et crée
ainsi à la surface du silicium une couche d‟inversion. Cette couche inversion
crée à la surface le même type de diagramme de bande qu‟un émetteur flottant
et son fonctionnement en régime de basse injection sera considéré comme
identique.
On peut déterminer les recombinaisons au sein d‟un émetteur flottant à l‟aide
d‟un modèle à deux diodes (eq. II-7) :
J rec  J o1 (e
qV f / kT )
 1)  J o 2 (e
qV f / 2 kT )
 1) 
Vf
Rp
(II-38)
Avec J o1 : la densité de courant de saturation, J o2 la densité de courant de fuite
dans la jonction et R p la résistance parallèle.
La tension à travers la jonction flottante en fonction du niveau d‟injection dans
la base est définie comme [21]:
n  nop (e
qV f / kT )
 1)
(II-39)
Avec q : la charge élémentaire, k : la constante de Boltzmann, T la température
de la cellule, n op : la densité de porteurs minoritaires à la surface de l‟émetteur flottant et
Vf la tension à travers la jonction flottante.
D‟après l‟équation II-20, la vitesse de recombinaison en surface, engendrée par
un émetteur flottant, est alors égale à:
Seff 
qV / 2 kT )
V f / Rp
J rec
J
J (e f
 1)
 Seff , Jo1  Seff , Jo 2  Seff , Rp  o1  o 2 qVf / kT

qn
qnop qnop (e
 1) qnop (eqV f / kT  1)
(II-40)
La Figure II-20 représente l‟évolution de cette équation. La vitesse de
recombinaison est donc fortement décroissante en fonction du niveau d‟injection. Cette
tendance est en accord parfait avec l‟évolution de l‟IQE observée en Figure II-19. Le
bias light permet, dans ce cas, de générer davantage de porteurs minoritaires et ains i
diminuer la vitesse de recombinaison en surface (émetteur flottant) ; cette modification
engendre alors une amélioration de la réponse IQE de la cellule. Lorsque cette dernière
est sous AM1.5D, la densité de porteurs minoritaires dans le substrat est pro che de
1015 cm -3 et ainsi la présence d‟un émetteur flottant entraîne une bonne passivation de la
face avant.
Pour réaliser la réponse spectrale d‟une cellule à jonction arrière, il faut donc
utiliser un niveau d‟injection équivalent au régime de fonctionnement de la cellule, dans
notre cas, AM1.5D. Ce niveau d‟injection peut être obtenu avec un bias light et la
mesure peut alors être réalisée avec un faisceau monochromatique d‟intensité faible.
La manipulation de réponse spectrale, disponible au laboratoire, n‟est pas
équipée pour ce type de mesure (Bias light). Nous avons donc ajouté des DEL mais les
55
mesures étaient difficilement répétitives (position des diodes) et le système d‟acquisition
était souvent en saturation car un courant trop important était fourni par la cellule (du
fait du bias light). Notre système de mesure n‟étant pas fiable, nous ne présenterons que
très peu de réponses IQE à travers cette thèse.
Pour réaliser la mesure en Figure II-19
Seff
Seff,Jo2
Jeff,Jo1
Seff,Rp
Figure II-20 : Evolution de Seff en surface en fonction du niveau d’injection pour un émetteur
flottant (Jo1=7.10-14A.cm-2, Jo2=5.10-9A.cm-2 et Rp=2000 ohm.cm2)
PC1D est un logiciel de simulation des composants semi-conducteurs à une
dimension mais nous avons expérimenté son utilisation sur les cellules à jonction arrière
(Figure II-21). L‟évolution de l‟IQE en fonction de l‟intensité du bias par cette
simulation est en accord avec les mesures de la Figure II-19. Seul le maximum local
d‟IQE aux courtes longueurs d‟onde lors de la mesure avec le bias 3 et 4 n‟est pas
obtenu par simulation et semble être dû à une erreur de mesure.
Jo2=5.10-7A.cm-2 Charges positives
Qss=1,2.10-11cm-2
Rp = ∞
e = 150µm
Sav= 5000cm/s
Ld =260µm
7ohm.cm
B
Emetteur
35ohm/sq
Sar=10000cm/s
E
Figure II-21 Structure de la cellule simulée avec PC1D à gauche et simulation de l’évolution
du IQE en fonction du bias light à droite. Nous avons posé Rp=∞ car les résultats présentés
dans la Figure II-19 ont été réalisés sur une cellule passivée par une simple couche de SiN
sans émetteur diffusé.
56
II .8 - La mesure de courant induit par faisceau laser (LBIC)
Cette mesure permet de caractériser l‟uniformité de génération de courant sur la
surface d‟une cellule photovoltaïque. Le courant est, lors de la mesure, généré par un
faisceau laser monochromatique qui balaye la surface de l‟échantillon. L‟intérêt du laser
est de pouvoir générer une très grande quantité de porteurs avec un très petit spot. Des
lasers de plusieurs longueurs d‟onde peuvent être utilisés pour cette mesure et on peut
ainsi réaliser une cartographie à deux dimensions de la réponse spectrale de la cellule.
La cellule est, pour la mesure, en régime de court-circuit et une table de translation XY
est utilisée pour la déplacer, Figure II-22a.
a)
b)
Figure II-22 : Le schéma de gauche correspond au banc de mesure LBIC (deux lasers sont
disponibles, l’un à 780nm et l’autre à 980nm). La cartographie LBIC (λ=780nm) d'une
cellule à jonction arrière est représentée à droite. Le carré noir représente la périphérie des
contacts de la cellule.
La Figure II-22b représente la cartographie d‟une cellule à jonction arrière à
l‟aide d‟un laser à 780nm. Chaque couleur représente une fraction du courant maximum
mesuré qui est ici obtenu dans les zones rouges. Sur ce graphique, nous avons rajouté
trois rectangles collés. Ils représentent de gauche à droite : la position du busbar N, la
position des doigts des peignes N et P et enfin la position du busbar P. Nous obtenons
dans ce cas un photo-courant beaucoup plus élevé au dessus du busbar N que de la zone
des doigts N&P et sur le busbar P le photo-courant est pratiquement nul. Cette
différence déjà observée sur ce type de cellule dans la littérature [20] est due à la
différence de vitesse de recombinaison sur la face arrière entre les zones dopées p + et n+.
Le BSF ne permet pas d‟obtenir sur un substrat de type p une aussi bonne passivation de
surface qu‟un émetteur. Ce phénomène sera étudié plus en détail dans le chapitre IV. On
peut aussi remarquer sur la Figure II-22b que la cellule collecte des porteurs générés audelà de la surface de ses contacts. Ce phénomène est dû à la diffusion des porteurs
minoritaires et explique la différence de courant de court-circuit observée lors de la
mesure I-V sous éclairement avec et sans shading mask (cf. première partie de ce
chapitre).
57
La mesure LBIC peut aussi être utilisée pour déterminer la longueur de
diffusion des porteurs minoritaires [22]. Pour cela, un faisceau laser balaye la surface
d‟un échantillon ayant localement une structure permettant la collection des porteurs
minoritaires. Cette structure peut être réalisée, par exemple, par diffusion locale n + dans
le substrat de type p. Lors du balayage par un faisceau d‟énergie supérieure au gap, la
génération des paires électrons-trous se fera dans et hors de la zone diffusée mais la
collecte ne sera possible qu‟à proximité de la jonction p-n. A la limite de la zone
diffusée, la densité de courant diminue exponentiellement avec la distance
faisceau/jonction p-n suivant la relation suivante :
n
I ( x)  A.x e

x
Ld
(II-41)
Avec n : coefficient compris entre 0,5 et 1,5 [10] ; Ld : longueur de diffusion ;
x : distance faisceau laser - zone de collecte.
Sur nos cellules, cette mesure peut être réalisée depuis la face arrièr e de la
cellule en balayant le faisceau perpendiculairement au busbar n, Figure II-23. En
première approximation, L d est de l‟ordre de 800µm mais l‟équation ci-dessus n‟est
valable que si la longueur de diffusion est largement inférieure à l‟épaisseur du substrat
ce qui n‟est pas notre cas car elle est d‟environ 300µm. Nous ne pouvons donc pas
déterminer la longueur de diffusion mais elle est au moins supérieure à 300µm.
Busbar n
Émetteur
Déplacement
Faisceau laser
Substrat p
Figure II-23 : Principe de mesure en bas et évolution du photo-courant en haut
58
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons décrit les techniques de caractérisation utilisées et
mises en œuvre pour l‟analyse des cellules photovoltaïques. Les mesures sous
éclairement donnent accès au rendement, au facteur de forme, à la tension de circuit
ouvert et au courant de court-circuit. Les mesures Suns-Voc permettent d‟extraire les
paramètres liés à la qualité de la jonction et par comparaison avec la mesure sous
éclairement l‟influence de la résistance série peut être déterminée. La mesure sous
obscurité permet aussi ce type d‟extraction sur des cellules conventionnelles mais dans
le cas des cellules à jonction arrière des précautions doivent être prises. Pour cette
structure, le principe de superposition des modèles électriques sous éclairement et sous
obscurité ne peut être appliqué du fait d‟une différence de flux des porteurs lors de
chacune de ces mesures.
La caractérisation TLM permet quand à elle, d‟évaluer la résistivité des contacts
métal/semi-conducteur. La qualité du substrat, de la jonction et de la passivation de
surface est déterminée à partir de la mesure de durée de vie des porteurs minoritaires.
Cette technique sans contact permet d‟optimiser de nombreuses étapes de fabrication des
cellules sans passer par leurs réalisations. La réponse spectrale détermine l‟évolut ion du
rendement quantique de la cellule sous différentes longueurs d‟onde. Cette
caractéristique est uniforme en fonction de l‟éclairement pour les cellules standard et
elle est non linéaire pour les cellules à jonction arrière présentant un émetteur flot tant.
Pour compenser cet effet, une lumière additionnelle doit être ajoutée lors de la mesure
(bias light). La caractérisation LBIC permet quand à elle d‟évaluer l‟uniformité de
génération de courant à la surface de la cellule.
L‟étude de ces différents systèmes de caractérisation nous ont permis
d‟appréhender des points spécifiques du fonctionnement des cellules à jonction arrière et
d‟éviter certaines erreurs de caractérisation. Dans les trois chapitres suivants, ces
techniques seront abondamment utilisées pour détecter les points sensibles dans
l‟élaboration des cellules photovoltaïques à contacts arrière interdigités.
59
Bibliographie du Chapitre II
[1]
BOWDEN S., ROHATGI A. Rapid and accurate determination of series resistance
and fill factor losses in industrial silicon solar cells. Proc. 17th European Solar Energy
Conference, Munich, Germany, 2001, pp. 1802-1806.
[2]
[3]
GREEN M.A., EMERY K., KING D.L. et al. Solar cell efficiency tables (Version 29).
Prog. Photovolt: Res. Appl. 2007, vol. 15, pp. 35-40.
[4]
SINTON R.A., CUEVAS A. A Quasi-Steady Open-Circuit Voltage Method for solar
cell characterization, Proc. 16th European Solar Energy Conference, vol. II, Glasgow, United
Kingdom, 2000, pp. 1152-1155.
[5]
METTE A., PYSCH D., EMANUEL G. et al. Series resistance characterization of
industrial silicon solar cells with screen-printed contacts using hotmelt paste. Prog. Photovolt:
Res. Appl. 2007, vol. 15, pp. 493-505.
[6]
LI Y., BARRY HARRISON H., REEVES K.G. Correcting separation errors related to
contact resistance measurement. Microelectronics Journal, 1998, Vol. 29, pp. 22-30.
[7]
GOETZBERGER A., Crystalline Silicon Solar Cells, New York: John Wiley&Sons,
Inc., 1998.
[8]
EL OMARI H., BOYEAUX J.P., LAUGIER A. TLM extension for the study of
screen printing contacts on multicristalline silicon, Eur. Phys. J.A.P., 1998, Vol. 2, pp. 87-92.
[9]
KERR M. J. Surface, emitter and bulk recombination in silicon and development of
silicon nitride passivated solar cells [en ligne]. Thèse. Canberra, Australie : The Australian
National University, 2002, 228p. Disponible sur: < http://thesis.anu.edu.au/public/adtANU20040527.152717/index.html> (consulté le 01/02/07).
[11] LELIEVRE J.-F. Elaboration de SiNx:H par PECVD : optimisation des propriétés
optiques, passivantes et structurales pour applications photovoltaïques. Thèse INL. INSA de
Lyon, 2007, 297 p.
[12] SINTON R.A. Mode d’emploi du dispositif de mesure de durée de vie effective.
Mountain Time, US: Sinton Consulting, 2004.
[13] NAGEL H., BERGE C. and ABERLE A.G. Generalised analysis of quasi-steady-state
and quasi-transient measurements of carrier lifetimes in semiconductors. Journal of Applied
Physics, 1999, vol. 86, n° 11, pp. 6218-6221.
[14] SINTON R.A. and CUEVAS A. Contactless determination of current-voltage
characteristics and minority-carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state
photoconductance data. Applied Physics Letters, 1996, vol. 69, n°17, pp. 2510-2512
[15] BEAILIEU J. A guide to integrating sphere theory and applications. Labsphere, 19 p.
[en ligne] Disponible sur : <http://labsphere.com:tecdocs.aspx> (consulté le 13/08/2007).
[16] MACKEL H., CUEVAS A. The spectral response of the open-circuit voltage: a new
characterization tool for solar cells. Solar En. Mat. & Sol.Cells, 2004, Vol. 81, pp.225-237.
[17] NUBILE P., TORRES P., HOF C. et al. Analysis of the inner collection efficiency in
hybrid silicon solar cells. Solid-State Electronics, 1997, Vol. 41, pp. 1202-1206.
[18] PRENTICE J.S.C. Spectral response of a-Si:H p-i-n solar cells. Solar En. Mat. & Sol.
Cells, 2001, Vol. 69, pp.303-314.
[19] JOOSS W. Multicrytaline and back contact buried contact solar cells. PhD Universitat
Konstanz, Germany, 2002, pp.140.
[20] HAVERKAMP H., McCANN M., HUSTER F. et al. Screen printed low-cost IBC
solar cells- preparatory investigations. Proc. 21th European Solar Energy Conference,
Dresden, Germany, 2006, pp. 1248-1250.
60
[21] SCHUMACHER J.O. Numerical simulation of silicon solar cells with novel cell
structures. PhD Fraunhofer, Freigurg, 2000, pp.181.
[22] DIXON A., DAMASKINOS S., OLIVIER B. et al. Scanning laser microscope
measurement of semiconductor device properties. J. Can. Ceram. Soc., 1984, vol. 53, pp. 2127.
61
Chapitre III - La réalisation des cellules à jonction arrière
Introduction
Ce chapitre aborde la réalisation des cellules photovoltaïques à jonction arrière .
La première partie est dédiée au procédé standard que nous avons développé au sein du
laboratoire avec ses méthodes de fabrication et quelques améliorations possibles de la
structure.
Dans la deuxième partie, nous rentrerons plus en détail sur la texturisation de la
face avant à l‟aide du TMAH. Nous détaillerons les différents résultats et intérêts de ce
nouveau procédé par rapport aux techniques traditionnellement utilisées.
Dans la dernière partie, nous présenterons notre procédé simplifié de réalisat ion
des cellules à jonction arrière. Cette nouvelle méthode, sans alignement, nécessite une
seule étape de masquage limitant ainsi la complexité de fabrication de ce type de cellule.
Ce chapitre constitue une base à la compréhension du chapitre IV où nous
présenterons les résultats photovoltaïques obtenus selon ces différentes structures.
III .1 - Le procédé technologique standard
III.1.1 - Le protocole de fabrication
Cette première partie détaille le protocole standard de réalisation de cellules à
jonction arrière développé au sein du laboratoire, Tableau III-1. Les grandes lignes de ce
procédé ont été établies lors de la thèse d‟Oleksiy Nichiporuk[1] et nous l‟avons enrichi
des différentes améliorations obtenues durant ces trois années.
Les modifications du procédé standard [1] ont principalement eu lieu au niveau
de la formation de la barrière de diffusion, aux enchaînements des recuits thermiques [1]
et aux dimensionnements des cellules.
1)
 Nettoyage chimique
H2O2+H2SO4, HF (5%))
(HF
(5%),
2)
 Dépôt CVD de SiO2
 eSiO2 = 0.4µm
62
3)
 Dépôt résine positive
 Insolation via le masque “Diffusion”
 Délimitation de l‟émetteur
4)
 Développement de la résine
 Ouverture du SiO2 à l‟aide du BOE
(Buffered Oxide Etch solution)
5)
 Décapage de la résine
 Diffusion POCl3
6)
 Gravure du verre de phosphore dans
une solution de HF 5%
 Redistribution sous O2
7)
 Dépôt de résine négative
 Insolation via la masque “Contact P”
8)
9)
 Dépôt d‟aluminium par évaporation
sous vide.
 eAl ≈ 1.2 µm
10)
 Dissolution de la résine et lift-off de
l‟aluminium
 Recuit RTA (Rapid Thermal Anneal)
500°C, 30s (adhérence Si-métal)
63
11)
 Insolation via le masque “Contact N“
12)
13)
14)
 Dépôt du Ti/Pd/Ag par évaporation
sous vide.
 eTi ≈ 50 nm
 ePd ≈ 50 nm
 eAg ≈ 800 nm
 Dissolution de la résine et lift-off du
Ti/Pd/Ag
 Recuit RTA 500°C, 30s (adhérence Simétal)
15)
 Texturation de la face avant à l‟aide
d‟une solution de TMAH
16)
 Dépôt de la couche antireflet SiNx par
PECVD
 eSiNx ≈ 75 nm ; n SiNx (605nm) ≈ 2
17)
 Recuit RTA 650°C 30s
 Formation du BSF
 Hydrogénation par le SiNx
Tableau III-1 : Etapes technologiques de réalisation des cellules à jonction arrière standard
64
III.1.2 - Le dimensionnement des cellules
Au cours de la thèse, de nouveaux masques ont été réalisés. Ils permettent la
formation de 4 cellules principales (A, B, C, D) de 1,2cm 2 entourées de 3 cellules de
0,6cm2 (E) et 0,25cm 2 (F, G). De plus, 4 motifs TLM pour la mesure de la résistivité des
contacts ont été prévus (deux motifs pour mesurer la résistivité des contacts en
aluminium et deux motifs pour mesurer la résistivité des contacts Ti/Pd/Ag).
L‟alignement entre les masques est réalisé à l‟aide de combinaison de croix et de plots
comme le montre, la Figure III-1.
Cellule A
Cellules F & G
R
Busbar
Doigt
Cellule B
Q
S
T
P
SiO2 déposé
sur substrat p
Motif
d’alignement
TLM
SiO2 crû sur
émetteur
Cellule D
Cellule C
Al
Cellule E
Ti/Pd/Ag
Figure III-1 : Schéma de disposition des cellules sur un substrat 2 pouces
Les cellules A, B, C et D sont, du fait de leurs tailles, les plus utilisées lors de
nos différentes études. Chacune de ces cellules présentent deux peignes métalliques
interdigités N et P, constitués d‟un busbar qui rûlie les différents doigts d‟une même
polarité. La dimension des busbars est de 10mmx1mm. Les doigts quant à eux, couvrent
une surface de 10mmx10mm et leurs dimensions respectives sont répertoriées dans le
Tableau III-2.
Cellule
Espacement entre
l‟Al et l‟émetteur
Largeur du
contact P
Emetteur non
contacté
P (µm)
Q (µm)
R (µm)
Largeur du Largeur de
contact N l‟émetteur
S (µm)
T (µm)
A&B
25
50
25
250
300
E, F, G
C&D
25
50
25
550
600
Tableau III-2 : Dimensions des lignes de métallisation et de leurs espacements (Figure
III-1).
65
La réalisation de ce type de cellule avec le procédé standard (Tableau III-1)
nécessite l‟utilisation de trois masques de lithographie :
 “Diffusion” : Il délimite la surface de l‟émetteur par lithographie positive ;
 “Contact P” : Ce masque permet de réaliser avec une résine négative la zone de
contact P (ouverture du peigne dans le SiO 2 et lift-off pour l‟aluminium) ;
 “Contact N” : Formation du contact émetteur. De la même manière que pour le
masque “contact P”, ses motifs permettent l‟ouverture du SiO 2 sur l‟émetteur
et le lift-off du Ti/Pd/Ag.
Suite à la réalisation de cellules, des images de leur face arrière sont présentées
dans le Tableau III-3.
SiO2
Doigt N
Busbar P
Si-p + SiO2 Emetteur Doigts P
Busbar P
Tableau III-3 : Images au microscope optique de la face arrière des cellules
66
III.1.3 - Le choix de la résine
Deux types de résines photolithographiques sont nécessaires à la fabrication des
cellules:
 Une résine positive pour définir la surface de l‟émetteur
 Une résine négative pour réaliser les lift-off des métaux
A la vue du procédé, ces deux résines doivent supporter la gravure du SiO 2 dans
une solution de BOE (HF/NH 4 F). Notre choix s‟est porté sur deux résines réversibles
produites par Microchemicals :
 AZ5214E, cette résine, d‟épaisseur 1,2µm, permet d‟obtenir, en mode positif,
un étalement uniforme et des motifs très précis, indispensables à la fidèle
délimitation de l‟émetteur.
 TI35ES, cette résine visqueuse sera utilisée pour les lift-off. Elle présente une
épaisseur de 3,5µm, qui est bien supérieure aux épaisseurs de métaux à
déposer (Al ≈ 1,2 µm, Ti/Pd/Ag ≈ 0,9 µm), et elle forme, en mode négatif, des
flans inversés (Figure III-2) facilitant ainsi le lift-off.
Flan inversé
- Etalement et
durcissement
de la résine
- Insolation
- Dégagement
de N2
- Recuit entraînant
le durcissement
de la zone insolée
- Insolation (la
résine déjà
insolée est
insensible à la
lumière)
- Développement
- Dépôt de métal
- Développement - Etalement et
durcissement
de la zone
de la résine
insolée
- Insolation
Figure III-2 : Principe de fonctionnement des résines réversibles en mode négatif (en haut)
et en mode positif (en bas)
67
III.1.4 - La formation de la barrière de diffusion par croissance ou dépôt d’oxyde de
silicium
Lors de la fabrication de la cellule, la délimitation de l‟émetteur est obtenue par
une couche d‟oxyde de silicium ouverte localement (Tableau III-1). Cet oxyde constitue
une barrière de diffusion et doit, par son épaisseur et sa densité, empêcher la diffusion
du phosphore. Cette couche peut être formée par oxydation thermique sous atmosphère
humide. Ce procédé, largement employé dans les semi conducteurs, permet avec un
plateau à 1050°C pendant 50 minutes de former une couche d‟oxyde de 0.4µm.
Cette couche constitue une bonne barrière de diffusion, mais toutes les cellules
qui ont été réalisées avec ce procédé présentaient des rendements inférieurs à 5%. Pour
comprendre la cause de ces faibles résultats, nous avons caractérisé l‟évolution de la
durée de vie des porteurs minoritaires lors des traitements thermiques d‟oxydation et de
diffusion.
Diffusion
Oxydation humide
875°C, 30 min.
1050°C, 50min.
τeff (µs)
200
4
τeff,substrat (µs)
1100
900
5
Tableau III-4 : Evolution de la durée de vie effective des porteurs minoritaires lors des
différents traitements thermiques. Ces valeurs sont obtenues à un niveau d’injection de
1.1015cm-3. τeff,substrat est obtenu après avoir décapé les 10 premiers µm de la surface des
échantillons et réalisé leur passivation à l’aide d’une solution d’Iodine-Methanol.
Initial
L‟étude a été réalisée sur des substrats FZ de 4-7 Ohm.cm issus du même lot.
Certains wafers ont été décapés en surface puis plongés dans un mélange d‟iodine méthanol afin de caractériser leur τ eff,substrat initial. Cette solution permet pratiquement
d‟annuler la vitesse de recombinaison en surface et d‟accéder directement à la durée de
vie des porteurs minoritaires dans le substrat. Le reste des échantillons a subi, soit
l‟étape d‟oxydation thermique pour former la barrière de diffusion, soit un procédé de
diffusion sous POCl 3. Après chacun de ces traitements, nous avons mesuré le τ eff puis le
τeff,substrat .
Les résultats de cette étude sont répertoriés dans le Tableau III-4. L‟oxydation
thermique dégrade totalement les qualités électriques du substrat. Le τ eff,substrat chute
après cette étape de 1100µs à 5µs. Cette dégradation est probablement due à un
problème de pollution du tube d‟oxydation et nous avons décidé de remplacer l‟étape
d‟oxydation thermique par un dépôt. Cette étape est réalisée par CVD (Chemical Vapor
Deposition) sous une température de 400°C. L‟oxyde obtenu a une structure amorphe et
un dépôt de 0.4µm s‟est montré suffisant pour obtenir une bonne barrière de diffusion
lors de la formation de l‟émetteur. Le dépôt étant réalisé à basse température, nous
n‟avons remarqué aucune dégradation du τ eff,substrat lors de ce traitement.
68
III.1.5 - L’utilisation d’une couche de SiNx en face arrière
Le nitrure de silicium hydrogéné SiN x:H déposé par PECVD (Plasma Enhance
Chemical Vapor Deposition) présente de très bonnes caractéristiques de p assivation
aussi bien sur du silicium de type P que sur un émetteur de type N[2]. Nous avons
expérimenté son utilisation à la place du SiO 2 présent sur l‟émetteur en face arrière
comme le montre Tableau III-5. Seule l‟étape 6 du procédé standard (Tableau III-1) est
modifiée.
6)
 Redistribution sous O2
6a)
 Gravure du SiO2 dans une solution de
HF 5%.
6b)
 Dépôt de SiNx:H (même paramètre que
la couche antireflet) par PECVD sur
toute la surface.
 eSiNx ≈ 70 nm
Tableau III-5 : Modification de l'étape 6 du procédé standard pour remplacer le SiO2 par du
SiNx:H en face arrière.
III.1.6 - L’utilisation d’un contact partiel émetteur-métal
Comme nous l‟avons vu dans le chapitre I, les cellules à jonction arrière sont
des structures intéressantes sur substrat fin. La diminution de l‟épaisseur des cellules
augmente le rapport Ld /e mais diminue l‟absorption de la lumière. Afin d‟améliorer le
rendement sur substrat fin, il est nécessaire d‟utiliser un bon réflecteur en face arrière et
ainsi augmenter le trajet de la lumière dans la cellule. L‟application directe de métal sur
le silicium ne constitue pas un bon réflecteur mais une structure
silicium/diélectrique/métal permet d‟obtenir de meilleurs résultats. R.A. Sinton [3]
proposa l‟utilisation d‟un contact partiel métal-silicium pour résoudre ce problème. Son
procédé consiste à ouvrir localement le SiO 2 crû sur l‟émetteur avant de déposer le
métal. Cette structure permet alors d‟obtenir un meilleur réflecteur mais aussi une
meilleure passivation. En effet, l‟émetteur est dans ce cas recouvert du SiO 2 qui passive
sa surface et la diminution de l‟interface métal-silicium réduit l‟influence de sa forte
vitesse de recombinaison.
Nos cellules à jonction arrière étant développées pour l‟application sur couche
mince épitaxiée, nous avons développé cette solution sur nos structures. Po ur réaliser le
contact partiel, une nouvelle étape de masquage est nécessaire, comme le montre le
Tableau III-6.
Le masque “contact partiel” permet de délimiter les zones de contact. Ces zones
sont réparties uniformément sur les doigts des peignes N et couvrent 8% de leurs
surfaces.
69
11)
 Dépôt résine positive
 Insolation via le masque “contact
partiel”
12)
 Ouverture des zones de contact à
l‟aide du BOE
13)
 Dissolution de la résine
14)
 Insolation via le masque « Contact N »
15)
16)
17)
 Dépôt de Ti/Pd/Ag par évaporation
sous vide (Ti ≈ 50 nm, Pd ≈ 50 nm, Ag
≈ 800 nm)
 Dissolution de la résine et lift-off de
du Ti/Pd/Ag.
 Recuit RTA 500°C, 30s (amélioration
de l‟adhérence Si- métal)
 Texturisation de la face avant
 Dépôt de la couche antireflet SiN x par
PECVD
 Recuit RTA 650°C, 30 secondes
Tableau III-6 : Réalisation d’une cellule à contact partiel métal-émetteur. Cette structure
peut être réalisée à travers le SiO2 ou le SiNx :H. Les étapes 1 à 10 sont identiques à celles du
Tableau III-1
Après nous être intéressés à la réalisation de la cellule, donc principalement à la
face arrière, la partie suivante détaille un procédé novateur élaboré au cours de la thèse
pour texturer la face avant.
70
III .2 - La texturation par TMAH
III.2.1 - Introduction
Comme nous l‟avons brièvement présenté dans le chapitre I, la texturisation en
face avant permet d‟augmenter la collection de lumière dans la cellule et ainsi
d‟accroître son rendement. Cette rugosité de surface peut être réalisée par différents
moyens: gravure plasma, mécanique et plus généralement par voie chimique. Cette
dernière méthode présente un bon compromis entre son coût de réalisation et l‟efficacité
de la texturation obtenue. L‟industrie photovoltaïque utilise, depuis de nombreuses
années, des solutions de texturisation à base d‟hydroxyde de potassium (KOH) ou
d‟hydroxyde de sodium (NaOH). Ces solutions alcalines gravent le silicium de façon
anisotropique et forment dans certaines conditions de petites pyramides à la surface du
silicium. Ces pyramides entraînent des réflexions multiples améliorant ainsi l‟absorption
de la lumière dans la cellule, Figure I-8.
Les texturisations à base de KOH ou NaOH sont économiques et simples à
réaliser mais présentent comme principal inconvénient de polluer la surface du silicium
avec leurs ions alcalins (K +, Na+). En microélectronique, ces ions dégradent les systèmes
et il est probable qu‟ils aient le même effet sur les cellules photovoltaïques. Parmi les
solutions alternatives, le TétraMéthyl Ammonuim Hydroxide ((CH 3 )4NOH, TMAH) [4]
présente de nombreux avantages. Cette solution est largement utilisée en
microélectronique et dans les MEMS car elle combine une vitesse de gravure élevée et
un ratio d‟anisotropie variable. Elle est de plus compatible avec le travail en salle
blanche, peu toxique (à faible concentration), facile à utiliser[5], [6] et altère peu les
diélectriques comme le SiO 2 et le SiN x [7], [8].
De nombreuses études ont été réalisées à partir du TMAH pour obtenir des
surfaces très lisses pour les MEMS[8], mais, à ma connaissance, seulement très peu
d‟articles ont été publiés sur l‟utilisation de cette solution pour la texturisation du
silicium. You[4] développa une solution de gravure à base de TMAH dilué (5-20%) et
caractérisa les couches obtenues à l‟aide d‟une mesure de réflectivité sous incidence
normale sans sphère intégrante. Encanailla[9] quant à lui, s‟est intéressé à l‟uniformité
de la texturation. D‟après son article, le TMAH dilué permet d‟obtenir des surfaces
uniformément recouvertes de pyramides uniquement après dissolution préalable de
silicium dans la solution. Cette dissolution de silicium peut être réalisée en gravant
préalablement des postiches dans la solution, méthode qu‟il a utilisée, ou en ajoutant de
la poudre de silicium.
Pour simplifier et rendre plus fiable la texturisation du silicium à l‟aide du
TMAH, nous avons développé un nouveau procédé. Cette étude a été réalisée dans le but
de texturer uniformément tous types de surface : polie optique (e.g. substrat FZ-Si ou
couche épitaxiée utilisée en laboratoire), polie chimiquement (rugueux) et brute de
sciage (après découpage à la scie à fil). Pour atteindre ce but, un surfactant :
IsoPropAnol (IPA) a été ajouté à la solution et nous verrons par la suite l‟influence de
l‟agitation pour obtenir une texturisation uniforme.
Le TMAH est présenté dans la littérature comme moins polluant que le KOH.
Pour vérifier cette affirmation, nous avons réalisé, dans les parties III.2.5 - et III.2.6 -,
pour chacune des ces solutions, des tests de passivation de surface et de contamination
de l‟oxyde de silicium.
71
III.2.2 - Expérimental
Toutes ces expériences ont été réalisées dans des béchers recouverts d‟un
couvercle pour limiter l‟évaporation. Le bécher est inséré dans un bain thermostaté et
chaque solution est élaborée à partir d‟une solution commerciale de TMAH 25%, d‟eau
déionisée et d‟isopropanol. Les substrats à texturer sont monocristallins [100] de type P
et de résistivité comprise entre 0,5 et 10 Ohm.cm. Avant chaque texturisation, les
échantillons de silicium sont trempés 10 secondes dans du HF 5% pour enlever l‟oxyde
natif et rincés à l‟eau déionisée. La mesure de réflectivité est réalisée à l‟aide d‟un
monochromateur et d‟une sphère intégrante, comme présenté dans le chapitre II. Nous
utiliserons tout au long de cette partie la Réflectivité Pondérée (RP) sous AM 1.5D [1]
pour estimer la qualité de la texturation.
Pour comparer la pollution engendrée par le TMAH et le KOH des mesures de
densités de charges dans le SiO 2 ont été réalisées. 60nm d‟oxyde thermique (20 minutes
à 1050°C dans une atmosphère d‟O 2 ) ont été crûs sur des wafers de silicium. Sur chacun
d‟eux, l‟oxyde a été gravé sur une face, les substrats ont ensuite été clivés et chacun des
morceaux a subi, soit une texturation TMAH (2% TMAH, 8% IPA, 80°C, 30min), soit
une texturation KOH (1% KOH, 8% IPA, 80°C, 30min) [11].
Pour former la structure MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur), des plots
d‟aluminium de 1,7.10 -4 cm2 sont déposés sur la face oxydée et le contact substrat a été
réalisé à l‟aide d‟une couche d‟aluminium sur l‟autre face. Les échantillons sont ensuite
recuits 10 minutes dans un forming gaz (H2/N2) à 500°C pour améliorer le contact
électrique et permettre la diffusion des charges dans l‟oxyde. Les mesures de capacité
ont été réalisées sur une large gamme de fréquence (1kHz-1MHz à l‟aide d‟un
HP4284A) et ces mesures nous ont permis d‟extraire l‟épaisseur de l‟oxyde et sa densité
de charge.
Les cellules photovoltaïques étant fortement sensibles aux recombinaisons en
face avant, nous avons comparé la qualité de passivation engendrée par le SiN x:H sur
des surfaces texturées à l‟aide du TMAH et du KOH. Cette étude a été réalisée sur des
substrats FZ qui après texturisation ont subi, soit un nettoyage H 2 O2:H2SO4+ HF, soit
juste un trempage HF avant le dépôt du nitrure de silicium sur chacune de leu rs faces.
Les substrats ont ensuite été caractérisés et comparés par des mesures de durée de vie
des porteurs minoritaires.
Le SiNx :H est déposé au sein du laboratoire par un système de dépôt chimique
assisté par plasma basse fréquence (LF-PECVD) conçu par Semco-Engineering. Nous
utilisons, à travers cette étude, un SiN x :H presque stœchiométrique déposé à partir d‟un
mélange d‟ammoniac (NH 3 ) et de silane (SiH 4 ). Ce dépôt est réalisé à 400°C sous une
pression de 1500mTorr et le ratio de débit de gaz NH 3/SiH4 est de 7,7. Par ellipsométrie,
nous avons déterminé que la couche déposée a une épaisseur de 75nm et un indice n
(605nm) de 2.
72
III.2.3 - L’uniformité et la fiabilité du procédé de texturisation
Nos premiers tests ont été réalisés en utilisant uniquement du TMAH dilué à
différentes températures et temps de gravure. Pendant la réaction chimique de larges
bulles d‟hydrogène se sont formées (cf. éq. III-1[12] ci-après) et restent collées à la
surface du silicium entraînant la formation d‟une surface rugueuse non uniforme
(pyramides de tailles disparates).
Si  2OH   2 H 2 O 
 SiO2 (OH ) 22  2 H 2
(III-1)
En effet, durant la texturisation du silicium à l‟aide des solutions basiques
(KOH, NaOH, TMAH), la distribution et la taille des pyramides sont gouvernées par les
bulles d‟hydrogène [13], [14], [15]. Ces bulles générées durant la gravure restent
souvent à la surface du silicium empêchant localement la réaction entre la solution de
gravure et le silicium. Ce phénomène de pseudo-masquage est à l‟origine de la
formation des pyramides qui vont ensuite prendre forme par gravure anisotropique. Le
contrôle de la distribution et de la taille de ces bulles est donc un point clé pour obtenir
une texturation uniforme.
Pour éviter la formation des grosses bulles, nous avons testé deux solutions :
 Augmenter l‟agitation de la solution
 Utiliser un surfactant qui modifie la nature hydrophobe du silicium limitant
ainsi l‟accroche des bulles d‟hydrogène à la surface [16].
Nous avons tout d‟abord testé l‟utilisation d‟un surfactant. Notre choix s‟est
porté sur l‟IPA car il est utilisé dans l‟industrie pour la texturisatio n KOH et NaOH. Les
premiers résultats ont été très encourageants : les larges bulles de H 2 restent moins
longtemps collées à la surface et avec cette solution, les substrats bruts de sciage sont
uniformément texturés. Cependant pour les deux autres types de surface, l‟uniformité
n‟est pas obtenue comme le montrent les résultats sans agitation du Tableau III-7.
Surface
Réflectivité (%)
Réflectivité (%)
Réflectivité (%)
Agitation
Brute de sciage
Polie chimique
Polie optique
13.8
29
36.9
Sans agitation
13.6
22.9
30
14
29
36.8
12.4
20.6
17.6
Agitation mécanique
12.5
17.3
12.4
12.1
23.4
18
12.4
12.4
12.7
Agitation ultra
sonore + 10min sans
12.3
12.5
12.6
agitation
12.2
12.4
12.4
Tableau III-7 : Mesures de réflectivité pondérée (%) pour différents types de surfaces
initiales après texturation avec ou sans agitation (mécanique/ultrasons) en différents points
du substrat.
73
Pour les surfaces polies, nous avons testé deux types d‟agitation :
 Mécanique à l‟aide d‟un barreau magnétique
 Vibratoire dans un bain UltraSonique (US).
La première solution nous a permis d‟obtenir de meilleurs résultats que sans
agitation quelle que soit la surface mais l‟uniformité n‟était pas parfaite. En effet, il
subsistait sur les échantillons des différences de couleur caractérisant un problème
d‟uniformité.
L‟agitation par bain ultrasonique a, par contre, permis d‟obtenir une très bonne
uniformité mais la réflectivité surfacique reste élevée (28%). Cette forte réflectivité a été
caractérisée à l‟aide d‟images MEB (Microscope Electronique à Balayage) comme une
surface rugueuse chaotique recouverte de très petites pyramides. Pour augmenter leurs
tailles, nous avons décidé de prolonger le temps de gravure, mais cette fois, sans
agitation. En 10 minutes, l‟échantillon s‟est assombri et la surface rugueuse s‟est
transformée en une surface recouverte de pyramides aléatoires d‟environ 5µm sur toute
la surface de l‟échantillon comme le montre la Figure III-3.
Figure III-3 : Image MEB d’une surface texturée par notre procédé à base de TMAH.
Solution : 2% TMAH, 8% IPA, 80 °C. Agitation : 20min US + 10 min sans agitation
D‟après cette expérience, notre solution de gravure permet sous agitation
ultrasonique “d‟initialiser la surface“ en la rendant rugueuse et lorsque l‟agitation est
coupée, les aspérités de la surface deviennent des sites privilégiés à la croissance des
pyramides. Ce phénomène est en accord avec les résultats obtenus sur les plaques brutes
de sciage. Ces substrats sont initialement très rugueux et, sans agitation, une bonne
uniformité et texturation sont obtenues (Tableau III-7).
Dans cette partie, nous avons décrit les différentes étapes nécessaires à la
formation de surfaces uniformément recouvertes de pyramides aléatoires. Dans la partie
suivante, nous nous sommes intéressés à la composition de la solution de gravure pour
diminuer la réflectivité des surfaces obtenues. Différents paramètres ont été testés : la
concentration de TMAH, d‟IPA, le temps de gravure et la température du bain.
74
III.2.4 - Optimisation des paramètres de gravure
En premier lieu, nous avons fait varier la concentration de TMAH de 0 à 5%.
Comme on peut voir sur la Figure III-4, la réflectivité des surfaces obtenues diminue
avec l‟augmentation de la concentration de TMAH jusqu‟à 2%. Ce résultat est dû à une
amélioration de l‟uniformité. Pour une concentration de 5%, l‟uniformité est conservée
mais la réflectivité est plus forte car les pyramides sont plus petites.
Du fait que seulement 2% de TMAH sont nécessaires pour réaliser la
texturation, les risques chimiques sont plus faibles que pour une solution de forte
concentration et le prix relativement élevé de la solution à 25% permet, par sa faible
consommation, de rendre cette méthode de gravure économique.
Figure III-4 : Influence de la concentration de TMAH sur la réflectivité de la surface
obtenue. Solution : X% TMAH, 8%IPA, 80°C. Agitation : 20min US + 10min sans agitation.
L‟IPA est largement utilisé dans l‟industrie pour diminuer l‟adhérence des
bulles d‟hydrogène lors de la texturation alcaline. La dépendance entre la concentration
d‟IPA et la réflectivité des surfaces obtenues sont présentées sur la Figure III-5.
Figure III-5 : Influence de la concentration d’IPA sur la réflectivité de la surface obtenue.
Solution : 2% TMAH, X% IPA, 80°C. Agitation : 20min US + 10min sans agitation.
75
La réflectivité (Figure III-5) diminue quand on augmente la concentration IPA
jusqu‟à une concentration de 9% : cette amélioration est liée à une meilleur uniformité.
Au delà de cette concentration, la texturation est uniforme mais la réflectivité augmente.
Les pyramides formées sont de plus petites tailles et nous pouvons faire l‟hypothèse que
la mouillabilité du silicium est trop importante pour que les bulles H 2 restent
suffisamment longtemps pour former de grandes pyramides.
Nous avons aussi optimisé le temps de réalisation des deux étapes de
texturation. Pour tout type de surface initiale, les 20 minutes dans le bain ultrasonique
permettent d‟obtenir une surface uniformément rugueuse. La deuxième étape, sans
agitation, entraînant la formation des pyramides, est réalisée en 10 minutes. Au delà de
ce temps, la surface reste uniformément texturée sans modification de la taille des
pyramides mais la solution grave le substrat à une vitesse d‟environ 10µm/h. Nous
avons estimé qu‟environ 7µm de silicium sont gravés en surface pour réaliser la
texturation dans les conditions standard (20min US + 10 sans agitation).
Figure III-6 : Influence de la température du bain de gravure sur la réflectivité de la surface
obtenue. Solution : 2% TMAH, 8% IPA, XX°C. Agitation : 20min US + 10min sans agitation.
Pour déterminer l‟influence de la température, nous avons réalisé la texturation
dans un bain thermostaté de 60 à 90°C. Les résultats en Figure III-6 montrent que la
réflectivité diminue avec l‟augmentation de la température du bain. Dans la littérature,
Sundar[16] a publié que l‟augmentation de température entraînait une plus forte
augmentation de la vitesse de gravure des plans cristallographiques (100) et (110) par
rapport au plan (111). Cette différence de vitesse de gravure permet alors la formation
de pyramides de plus grandes tailles qui sont bénéfiques pour la diminution de la
réflectivité surfacique.
Sparber[11] a publié des réflectivités pondérées de 12,5% pour des surfaces
texturées avec une solution optimisée de KOH (1% KOH, 7% IPA, 80°C). Nos résultats
obtenus avec notre solution de TMAH sont similaires, mais nous allons voir dans la
partie suivante, les deux principaux intérêts à l‟utilisation du TMAH par rapport aux
solutions alcalines (KOH).
76
III.2.5 - La qualité de passivation des surfaces texturées
Dans l‟industrie photovoltaïque, le nitrure de silicium hydrogéné SiN x :H est
couramment utilisé pour réaliser la couche antireflet et la passivation de la face avant.
Ses qualités de passivation de surface dépendent de nombreux facteurs [11] dont la
présence d‟éléments recombinants à la surface avant le dépôt.
Figure III-7 : Durée de vie des porteurs minoritaires d'échantillons texturés à l'aide d'une
solution KOH (1% KOH, 8% IPA, 80°C, 30min) ou TMAH (2% TMAH, 8% IPA, 80°C,
30min) et recouverts d’une couche de SiNx :H.
Nous avons donc, à partir de substrat FZ, réalisé, soit une texturation TMAH,
soit KOH. Certains substrats ont alors subi un nettoyage piranha (H 2O2 : H2SO4 ), puis
HF et d‟autres juste un trempé HF avant le dépôt sur les deux faces de SiN x :H. Les
résultats obtenus au niveau de la durée de vie des porteurs minoritaires sont présentés
sur la Figure III-7.
On remarque qu‟après un nettoyage complet (piranha + HF), les durées de vie
obtenues après texturisation TMAH sont pratiquement similaires aux valeurs obtenues
sans texturisation. Après la texturation KOH les durées de vie sont, par contre, beaucoup
plus faibles. Lorsque le nettoyage piranha n‟est pas réalisé, on remarque la même
tendance : une meilleure passivation après TMAH que KOH. La morphologie des
surfaces texturées étant assez similaire (taille et forme des pyramides), cette différence
est probablement due à la contamination des ions alcalins K + qui affectent plus la durée
de vie des porteurs minoritaires que le TMAH.
77
III.2.6 - La caractérisation de la contamination de l’oxyde de silicium par les
solutions de texturation
Lors de la réalisation de cellules à émetteur flottant présentée dans le chapitre
IV, la texturisation de la face avant est réalisée entre les étapes 2 et 3 du procédé
standard (Tableau III-1). Dans ce cas, l‟oxyde déposé ne doit pas être altéré, ni pollué
par la solution de texturisation car la formation de l‟émetteur n‟a pas encore eu lieu et
l‟augmentation de charges positives dans l‟oxyde peut entraîner des problèmes de courts
circuits dans les cellules à jonction arrière [18].
Dans le but de caractériser la contamination engendrée par la texturation KOH
et TMAH sur l‟oxyde de silicium, des analyses C-V ont été effectuées (Figure III-8).
Figure III-8 : Mesures C-V à 100kHz d’une couche de SiO ayant subi soit la gravure KOH
(1% KOH, 8% IPA, 80°C, 30min) soit TMAH ( 2% TMAH, 8% IPA, 80°C, 30min).
Les résultats extraits sont résumés dans le Tableau III-8. Après 30 minutes dans
la solution de KOH, la tension de bande plate passe de -1.5 à -4.3V. Cette différence
s‟explique par une augmentation de charges positives dans le SiO 2 qui passe de 7.10 16
cm -3 à 1.1018 cm -3. Ce phénomène est, à priori, dû à la diffusion d‟ions K + dans l‟oxyde.
En revanche, ce phénomène n‟est pas observé avec le TMAH.
Initiale
Après gravure
TMAH
Après gravure.
KOH
Tension de bande plate (V)
-1.5
-1.52
-4.3
Capacité de l’oxyde à
Vg = -10V (F)
1.1 x10-11
1.3 x10-11
2.2x10-11
Épaisseur d’oxyde (nm)
60
50
30
Quantité de charge dans l’oxyde (cm-3)
7.1016
9.1016
1.1018
Tableau III-8 : Résumé des mesures C-V sur l’influence de la texturation TMAH et KOH sur
la couche d’oxyde de silicium.
De plus l‟extraction des paramètres C-V nous renseigne sur l‟épaisseur d‟oxyde
gravée pendant la texturation. On remarque qu‟en 30 minutes, la solution de KOH a
gravé 30nm d‟oxyde alors que la solution de TMAH n‟en a gravé que 10nm.
78
L‟utilisation de TMAH sera donc préférée au KOH dans des applications où
l‟oxyde est en contact avec la solution de texturation pour limiter les pollutions et
obtenir une bonne sélectivité de gravure entre l‟isolant et le silicium.
III.2.7 - Les améliorations optiques engendrées par la texturisation et le dépôt de la
couche antireflet
Dans le but d‟estimer la réflectivité de la face avant des cellules à jonction
arrière, une couche antireflet de SiN x :H a été déposée sur des surfaces texturées à l‟aide
du TMAH ou sur des substrats polis optiquement. Les courbes de réflectivité sont
représentées sur la Figure III-9. Le minimum à 600nm correspond au minimum de
réflexion engendré par la couche antireflet. Par comparaison entre les différentes
courbes, on remarque le gain apporté par la texturisation et la couche antireflet. En
combinant ces deux structures, la réflectivité pondérée ne représente que 2,7% alors que
la surface initiale de silicium polie réfléchissait plus de 40% de la lumière.
Figure III-9 : Mesures de réflectivité hémisphérique de différentes surfaces (texturées ou
polies) avec et sans couche antireflet.
En conclusion, à travers cette partie, nous avons montré que la réalisation de la
texturation à l‟aide du TMAH est une méthode fiable quelle que soit la surface initiale
(polie optique, polie chimiquement ou brute de sciage). Ce procédé est réalisé en deux
étapes : une première étape, sous agitation ultrasonique, forme une rugosité uniforme et
la seconde étape, sans agitation, permet de faire croître, à partir des aspérités, des
pyramides de plusieurs microns. Notre solution de texturation contient 2% de TMAH,
8% d‟IPA et la gravure dure 30 minutes à 80°C.
A travers cette étude, nous avons démontré que le TMAH ne pollue pas l‟oxyde
de silicium et que la texturation engendrée par cette solution est plus facile à passiver
que celle réalisée à l‟aide d‟une solution de KOH.
79
III .3 - La simplification du procédé de fabrication des cellules
III.3.1 - Les différents procédés simplifiés
L‟un des principaux inconvénients des cellules à jonction arrière est la nécess ité
de nombreux alignements et masques pour réaliser cette structure. Dans la partie
précédente, trois masquages sont réalisés pour former une cellule et dans la littérature ce
type de cellule nécessite de trois à six lithographies [19]. Cependant quelques équipes
ont développé des techniques pour réduire ce nombre d‟étapes et rendre la réalisation de
ces cellules plus simple.
Le premier procédé simplifié a été déposé par R.A. Sinton[20]. Il consiste à
déposer un verre de phosphore sur toute la surface, délimiter et couvrir le peigne n de
résine par lithographie, graver les zones non protégées par la résine : verre de phosphore
et 4µm de silicium (cette différence de niveau permet de réaliser la séparation des
contacts dans la suite du procédé), déposer un verre de bore sur la surface et réaliser la
diffusion de chacun des dopants. Les contacts électriques en aluminium sont ensuite
déposés et recouverts d‟une fine couche de Ti. Cette couche de titane qui est discontinue
lors des différences de niveau (zone n et p) permet de réaliser une gravure sélective de
l‟aluminium séparant ainsi les contacts n et p. La structure obtenue est schématisée dans
la Figure III-10(A). Ce procédé ne nécessite qu‟un seul masque mais l‟auteur précise
que la séparation des contacts n‟est pas toujours obtenue de façon fiable.
A)
B)
C)
D)
Figure III-10: Structures des cellules à jonction arrière élaborées par des procédés autoalignés : A) procédé de Sinton [20], B) procédé de Verlinden[21], C) Back OECO[22], D)
RISE [23].
Un autre procédé auto-aligné a été proposé dans [21] par P. Verlinden. Les
étapes technologiques de ce procédé sont : diffusion du phosphore pleine plaque ;
redistribution et formation de SiO 2 à la surface ; lithographie pour définir la forme des
peignes n ++ ; gravure de la jonction p n entre les peignes dans une solution FN
(HF+HNO3) ; formation des «ponts» en SiO 2 grâce à la gravure isotrope ; oxydation et
80
dépôt de SiN ; attaque de SiN par gravure ionique réactif (le SiN s‟enlève partout, sauf
au-dessous des ponts de SiO 2 ) ; diffusion de bore ; redistribution ; gravure de SiO 2 ;
dépôt d‟aluminium. La Figure III-10(B) représente la structure finale du dispositif.
Un article de J.W. Muller [22] présente aussi un procédé auto-aligné de
réalisation de cellules à jonction arrière (Figure III-10(C)). Sa technique OECO
(Oblique Evaporation Of Contacts) repose sur la formation de tranchées en face arrière
et d‟évaporation oblique d‟une barrière de diffusion et des contacts électriques. Ce
procédé sans masque nécessite cependant 3 évaporations et la connexion entre les doigts
de même polarité doit être réalisée par un circuit extérieur (pas de busbar).
Dans la même idée, le procédé RISE [23] ne nécessite aucun masque mais un
enchaînement de gravures laser. Sur la face arrière, une diffusion Bore est réalisée suivie
d‟un dépôt de SiN x et une gravure laser ouvre alors le p + (gravure du silicium sur 40µm)
pour délimiter la zone de diffusion n. Après la diffusion, une oxydation est réalisée pour
passiver la face arrière et par ouverture locale au laser d‟un dépôt de résine, les z ones de
contacts sur l‟émetteur et la base sont formées. Les contacts électriques en aluminium
sont ensuite déposés et recouverts d‟une fine couche de SiO x. Cette couche d‟oxyde de
silicium qui est discontinue lors des différences de niveau (zone n et p) p ermet de
réaliser une gravure sélective de l‟aluminium séparant ainsi les contacts n et p (fonction
identique au Ti dans le procédé de Sinton (A)). La structure obtenue est schématisée sur
la Figure III-10(D).
III.3.2 - Notre procédé auto-aligné
L‟un des buts de recherche de l‟ILN sur les cellules à jonction arrière consiste à
réaliser cette structure sur couche épitaxiée. Ces couches sont très fragiles et un
minimum de contraintes doit leur être appliquées. L‟utilisation de nombreux lift o ff pour
la réalisation des cellules à jonction arrière fragilise ce type de substrat et cela nous a
incités à développer un nouveau procédé simplifié.
Figure III-11 : Vue de la face arrière de notre cellule auto-alignée
Ce nouveau procédé a été développé à partir de notre protocole de fabrication
standard (Tableau III-1) et en s‟inspirant des différentes structures présentées
précédemment. Il ne nécessite aucun alignement et une seule étape de lithographie est
nécessaire pour définir toute la structure. Sur la Figure III-11, est représentée cette
81
nouvelle cellule réalisée de façon auto-alignée. La métallisation est constituée des deux
peignes interdigités disposés sur deux niveaux différents. En haut, se trouve le contact N
qui permet de contacter l‟émetteur et, en bas, se trouve le contact à la base. Cette
différence de hauteur est le point clé de la réalisation de cette structure comme nous
pouvons le voir dans Tableau III-9.
1)
 Nettoyage Chimique
 Diffusion POCl3 sur toute la surface
2)
 Gravure du verre de phosphore dans
du HF (5%)
 Insolation via le masque « Contact
N»
3)
 Dépôt de Ti/Pd/Ag par évaporation
sous vide (Ti ≈ 50 nm, Pd ≈ 50 nm,
Ag ≈ 800 nm)
4)
 Décapage de la résine et lift-off de
du Ti/Pd/Ag.
 Recuit RTA 500°C, 30s (adhérence
Si-métal)
5)
 Texturation des faces AV et AR à
l‟aide d‟une solution de TMAH.
 Dépôt de la couche antireflet SiN x
(70 nm) par PECVD
6)
 Formation de pont à la périphérie du
contact Ti/Pd/Ag lors de la gravure
du silicium
 La face avant est protégée par la
couche antireflet
7)
 Evaporation de l‟aluminium sur
toute la surface.
 Les ponts séparent l‟aluminium
déposé sur le contact n et au fond
des tranchées (contact base)
82
8)
 Recuit RTA 650°C 30s
 Formation du BSF
Tableau III-9 : Procédé de fabrication de la cellule à jonction arrière élaboré de façon autoalignée.
Ce procédé simple réalisé sans alignement présente une seule étape critique : la
formation des ponts. Pour éviter les courts circuits, les ponts doivent être suffisamment
larges pour permettre une bonne séparation des contacts mais la profondeur de gravure
doit être faible pour pouvoir fabriquer ce type de cellule sur des couches minces.
III.3.3 - La formation des ponts
Le profil de gravure idéal est une gravure maximum sous le contact Ti/Pd/Ag et
minimum en épaisseur du substrat. Parmi les procédés de gravure du silicium les
solutions isotropiques semblent idéales. Les principales techniques sont les gravures
sèches (DRIE, SF6 , XeF 2 ) ou les gravures à base d‟acides HF : HNO3[12]. Cependant les
gravures sèches sont coûteuses à mettre en place et les solutions à base d‟acides
attaquent à la fois le silicium et le contact Ti/Pd/Ag.
Nous nous sommes donc orientés vers des solutions de gravure anisotropique.
Les solutions les plus courantes sont alcalines (KOH, NaOH). Elles présentent
l‟avantage d‟être déjà utilisées dans l‟industrie photovoltaïque pour la texturisation et
ces solutions n‟altèrent pas le contact N. Elles sont de plus, économiques et faciles à
retraiter. Cependant ces solutions sont très anisotropiques, le rapport de vitesse de
gravure entre les plans (111) et (100) est proche de 400 pour le KOH. L‟ajout de
surfactant (Isopropanol) ne nous a pas permis avec le KOH d‟obtenir une forte
modification de l‟anisotropie et, lors de chacun des tests, nous avons obtenu de grandes
profondeurs de gravure pour de faibles largeurs de ponts [24].
Nous nous sommes alors intéressés au TMAH (Tetraméthyl Ammonium
Hydroxide, (CH3 )4NOH). Cette solution de gravure anisotropique ne contient pas d‟ions
alcalins et l‟ajout de surfactant (Isopropanol (IPA)) permet d‟obtenir un rapport de
vitesse de gravure entre les plans (111) et (100) variable [12]. Cette solution est de plus
compatible avec le travail en salle blanche, peu toxique, peu dangereuse et nous
utilisons déjà cette solution pour la réalisation de la texturation en face avant. Cette
solution n‟altère pas le contact Ti/Pd/Ag et le SiN x présent sur la face avant n‟est que
légèrement attaqué par cette solution (dans notre cas, sa vitesse de gravure n‟excède pas
0,1nm/min).
Pour déterminer la composition de la solution à utiliser, nous avons réalisé des
tests sur des substrats silicium [100], identiques à ceux utilisés pour les cellules,
recouverts de plots de SiO 2. Ces plots ne sont pas attaqués par la solution et, comme le
contact Ti/Pd/Ag sur les cellules, forment un masque lors de la gravure. Les mesures de
la profondeur de gravure ainsi que la largeur des ponts ont été réalisées à l‟aide d‟un
MEB (Microscope Electronique à Balayage) et d‟un profilomètre.
Nous définissons le ratio d‟anisotropie comme le rapport largeur du pont sur
profondeur de gravure (Tableau III-10(a)). Plus la valeur du ratio sera grande plus la
gravure est isotropique. La solution de gravure est composée de TMAH, d ‟isopropanol
83
(surfactant) et d‟eau. Nous avons fait varier la concentration de chacun de ces
composants ainsi que la température du bain lors de la gravure.
Les résultats obtenus lors de cette étude sont répertoriés dans le Tableau III-10.
Sur le graphique d‟évolution du ratio avec la température, on obtient un optimum pour
une température comprise entre 60 et 70°C (b). Au niveau de la concentration
d‟isopropanol, le ratio augmente jusqu‟à une concentration de 90% d‟IPA puis chute.
Cette chute est due à un ralentissement de la vitesse de gravure lors de l‟augmentation
de la concentration d‟IPA et au delà de 90% d‟IPA la gravure n‟a plus lieu. La
concentration optimum de TMAH est, dans cette étude, de 2,5% avec pour de plus fortes
et de plus faibles concentrations une diminution du ratio.
a)
b)
(°C)
c)
d)
Tableau III-10 : a) Schéma explicatif du ratio d'anisotropie, b) Evolution du ratio en
fonction de la température du bain ([TMAH] : 0,8%, [IPA] : 83%), c) Variation du ratio
d’anisotropie en fonction de la concentration d’isopropanol ([TMAH] : 1,25%, T : 60°C), d)
Modification du ratio en fonction de la concentration de TMAH ([IPA] : 83%, T : 60°C).
A partir de ces résultats, nous avons utilisé pour la formation des ponts en
Ti/Pd/Ag une solution contenant 90% d‟IPA et 2,5% de TMAH à 60°C. Cette gravure
permet sur les cellules de former des ponts de 6µm de large pour une profondeur de
gravure de 20µm. Cette largeur de ponts est suffisante pour bien séparer les contacts
comme le montre la Figure III-12.
84
Ti/Pd/Ag +Al
(contact n+)
Espacement entre
les contacts
Silicium
Al (contact p+)
Figure III-12 : Image MEB montrant l'espacement entre le contact n (Ti/Pd/Ag/Al) et le
contact P (Al) sur une cellule auto-alignée.
Une dizaine de cellules de 1,2 cm 2 ont été élaborées par ce procédé. La longueur
de pont (périmètre du contact n) représente sur chacune de ces cellules entre 30 et 50 cm
et seulement une cellule a été court-circuitée. Notre procédé auto-aligné est donc
relativement fiable.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté la réalisation standard de cellules à
jonction arrière. Son protocole, utilisant trois étapes de lithographie, peut être modifié à
travers le dépôt de nitrure de silicium en face arrière et la prise de contacts partielle sur
l‟émetteur. Nous nous sommes ensuite plus attardés sur la réalisation de la texturation à
l‟aide du TMAH. Ce procédé développé au cours de la thèse permet de réaliser de façon
fiable et uniforme la texturation de silicium monocristallin. Nous avons aussi montré
que le TMAH ne pollue pas l‟oxyde de silicium et que la texturation engendrée par cette
solution est plus facile à passiver que celle réalisée à l‟aide d‟une solution de KOH
(solution alcaline).
Ce chapitre se termine sur la mise en place d‟un procédé simplifié pour la
fabrication de cellules à jonction arrière. Ce procédé auto-aligné n‟utilisant qu‟un seul
masque a été mis au point au cours de la thèse. Le chapitre suivant détaille les résultats
photovoltaïques obtenus à partir de ces différentes structures.
85
Bibliographie du Chapitre III.
[1]
NICHIPORUK O. Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaiques à
[2]
KERR J.M. Surface, Emitter and Bulk Recombination in Silicon and Development of
Silicon Nitride Passivated Solar Cells [en ligne]. Thèse ANU. Camberra. Australie. 2002.
Disponible sur : http://solar.anu.edu.au/level_1/pubs/papers/mark_kerr_thesis.pdf> (consulté
le 31.07.06).
[3]
SINTON R.A., KING D.E., SWANSON R.M. Novel implementations of backside
contact silicon solar cell designs in one-sun and concentrator applications. Proceedings of the
PVSEC 4, Sydney, 1989; pp. 143-149.
[4]
YOU J.S., KIM D., HUH J.Y. Experiments on anisotropic etching of Si in TMAH. J.
Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2001, vol. 66, pp. 37-44.
[5]
THONG J.T.L., CHOI W.K., CHONG C.W. TMAH etching of silicon and the
interaction of etching parameters. Sens. Actuat. A., 1997, vol. 63, pp. 243-249.
[6]
SHIKIDA M., SATO K., TOKORO K. et al. Differences in anisotropic etching
properties of KOH and TMAH solutions. Sens. Actuat. A, 2000, Vol 80, pp. 179-188.
[7]
MADOU M.J. Fundamentals of microfabrication. London : CRC Press, 2002.
[8]
SARRO P.M., BRIDA D., VLIST W.V.D. et al. Effect of surfactant on surface quality
of silicon microstructures etched in saturated TMAHW solutions. Sens. Actuat. A, 2000, vol.
85, pp. 340-345.
[9]
IENCINELLA D., CENTURIONI E., RIZZOLI R. et al. An optimized texturing
process for silicon solar cell substrates using TMAH. Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2005,
vol. 87, pp. 725-732.
[10] HONSBERG C., BOWDEN S. Photovoltaics: Devices, Systems and Applications
[11] SPARBER W.; SCHULTZ O.; BIRO D. et al. Comparison of texturing methods for
monocrystalline silicon solar cells using KOH and Na2CO3. Photo.Energ. Conv.,2003, Proc.
3rd WCPEC, Osaka, 2003, pp. 1372-1375.
[12] KOVACS G.T.A., MALUF N.I., PETERSEN K.E. Bulk micromachining of silicon
Proc. of the IEEE, 1998, VOL. 86, NO. 8, pp. 1536-1551.
[13] CHII-RONG Y., PO-YING C., CHENG-HAO Y. et al. Effects of various ion-typed
surfactants on silicon anisotropic etching properties in KOH and TMAH solutions. Sens.
Actuat. A, 2005, vol.119, 271 p.
[14] PALIK E. D., GLEMBOCKI O. J., HEARD I. et al. Etching roughness for (100)
silicon surfaces in aqueous KOH. J. Appl. Phys., 1991, vol. 70,iss. 6, pp. 3291-3300.
[15] CAMPBELL S.A.,COOPER K.,DIXON L. et al. Inhibition of pyramid formation in
the etching of Si p(100) in aqueous potassium hydroxide-isopropanol. J. Micromech.
Microeng., 1995, vol. 5, pp. 209-218.
[16] SUNDARAM K.B., VIJAYAKUMAR A., SUBRAMANIAN G. Smooth etching of
silicon using TMAH and isopropyl alcohol for MEMS applications. Micro. Eng., 2005,
vol.77, pp.230-241.
[17] LELIEVRE J.-F. Elaboration de SiNx:H par PECVD : optimisation des propriétés
Lyon, 2007, 297 p.
[18] MULLER J.W., MERKLE A., HEZEL R. Back contact silicon solar cells with
grooved rear side. Presented at the conference PV in Europe : from PV Technology to energy
solutions, Rome, Italy, 2002.
[19] KERSCHVER E.V., BEAUCARNE G. Back-contact solar cells : a Review. Prog.
Phorovolt. Res. Appl., 2006, vol.14 : pp. 107-123.
[20]
SINTON R.A., SWANSON R.M. Simplified Backside-Contact Solar Cells. IEEE
Trans. Electron. Dev., 1990, Vol. 37, pp. 348-352.
86
[21] VERLINDEN P., LAFONTAINE B., EVRARD O. et al. High-Efficiency Backside
Contact Solar Cells with a Self-Aligned Process and New Texturization Technique for
Silicon. 10th European PVSEC, Lisbon (Portugal), 1991, pp. 246-249.
[22] MULLER J.W., MERKLE A., HEZEL R. Self-aligning, industrially feasible back
contacted silicon solar cells with efficiencies >18%. PVSEC 3rd, 2003, Vol.2, pp. 1403-1406.
[23] ENGELHART P., HARDER N-P., GRISCHKE R. et al. Laser structuring for back
junction silicon solar cells. Prog. Photovolt: Res. Appl., 2007, vol. 15, pp. 237-243.
[24] NICHIPORUK O., KAMINSKI A., LEMITI M. et al. Self-aligned back-contacts solar
cells. 20th European PVSEC, Barcelona, 2005, pp.1060-1062.
87
Chapitre IV - L’optimisation des cellules à jonction arrière
Introduction
Nous avons présenté, à travers les deux chapitres précédents, la caractérisation
et la fabrication des cellules à jonction arrière. Dans cette nouvelle partie, nous allons
développer les principales modifications du procédé qui nous ont permis de réaliser des
cellules ayant un rendement de plus de 17%.
Pour atteindre cette efficacité, nous avons étudié différents points de la cellule :
 La face avant
 L‟émetteur en face arrière
 La zone entre les contacts
 Le BSF
 Le substrat
Chacun de ces points constitue une partie de ce chapitre où nous détai llons nos
expériences, nos résultats, nos suppositions et nos conclusions.
Pour finir, les résultats obtenus avec le procédé auto-aligné et nos premiers tests
sur la fabrication de cellules sur couches épitaxiées sont présentés.
IV .1 - Influence de la face avant sur le rendement des cellules
La face avant des cellules à jonction arrière est l‟un des éléments les plus
influents sur le rendement des cellules. Cette surface n‟est pas contactée mais comme
nous allons le voir sa réflectivité et sa passivation doivent être optimisées.
IV.1.1 - Simulation de l’influence de la face avant sur le rendement des cellules
Nous avons étudié l‟influence des recombinaisons en face avant grâce au
logiciel DESSIS (ISE) qui permet de simuler notre structure en deux dimensions. Cette
simulation est basée sur la résolution numérique des trois équations fondamentales de
transport de charges dans les semi-conducteurs qui sont respectivement l‟équation de
Poisson et l‟équation de continuité pour les électrons et les trous. La concentration des
porteurs est, quant à elle, déterminée par la statistique de Boltzmann. Les cellules à
jonction arrière étant de structure périodique, Figure IV-1, seule une cellule élémentaire
a été simulée. Nous avons pris en compte pour la simulation les modèles physiques
suivants :
 Recombinaison Shockley-Read-Hall, Auger
 Recombinaison de surface en fonction du dopage
 Mobilité des porteurs dépendant du dopage (modèle de Masetti), saturation de la
vitesse des porteurs dans le champ électrique (modèle de Canali).
88
 Variation de la largeur de bande interdite avec le dopage (modèle de Del
Alamo)
 Pas d‟ionisation par impact (chaque photon peut générer une paire électron -trou,
si hν>E g)
 Pas d‟effet quantique
 Les formules de Fresnel pour calculer le passage de la lumière à travers les
interfaces.
Figure IV-1 : Schéma d’une cellule à jonction arrière avec sa cellule élémentaire utilisée
pour la simulation.
Nous avons représenté en Figure IV-2, la cellule élémentaire ainsi que certains
paramètres utilisés pour la simulation. Ces paramètres ont été choisis de façon à être au
plus proche des cellules que nous réalisons. Pour la vitesse de recombinaison en surface,
sa valeur est effective et elle définit tous types de passivation (émetteur flotta nt, Front
Surface Field…, cf chapitre II).
CAR : SiN ; e=70nm ; texturation : 54.7°
Substrat NA= 3.1015cm-3 ; τ =300µs
25µm
25µm
BSF (profil erfc) S =100cm.s-1
arr
NA=5.1019cm-3 R =90%
arr
e=1µm
300µm
300µm
Emetteur (profil erfc) :
ND=1.1020cm-3
e=0.6µm
Figure IV-2 : Structure et paramètres de la cellule de référence.
La Figure IV-3 représente l‟évolution des paramètres principaux de la cellule
sous éclairement en fonction de la vitesse effective de recombinaison en face avant. On
remarque que les performances de la cellule dépendent fortement de la passivation de
cette surface. Pour des vitesses de recombinaisons supérieures à 100cm.s -1, la densité de
courant de court-circuit chute fortement ainsi que le rendement. Il sera donc préférable
dans notre cas d‟être en dessous de cette valeur.
89
40
0,62
35
0,60
0,58
25
Voc (V)
Jcc (mA)
30
20
15
0,56
0,54
10
0,52
5
0,50
0
1
10
100
1000
10000
100000
1
10
100
1000
10000
100000
Seff avant (cm/s)
Seffavant (cm/s)
Rendement (%)
20
Figure IV-3 : Evolution du courant de
court-circuit, de la tension de circuit ouvert
et du rendement de la cellule en fonction
de la vitesse de recombinaison effective en
face avant
16
12
8
4
1
10
100
1000
10000
100000
Seff avant (cm/s)
IV.1.2 - Tests de différentes structures de passivation en face avant
Pour cette étude, nous avons utilisé des substrats FZ de 5-7ohm.cm pour réaliser
des cellules suivant le procédé « point contact » avec un dépôt de SiN en face arrière
(Tableau III-6). Ce procédé de fabrication a été légèrement modifié pour cette étude. En
effet, l‟étape de texturation a été réalisée avant la diffusion afin de conserver jusq u‟à la
fin du procédé un émetteur diffusé en face avant. Les cellules produites présente nt donc
une face avant texturée avec un émetteur flottant diffusé à 20 Ω/□ (Floating Junction FJ)
et ce dernier est recouvert d‟une couche antireflet de nitrure de silicium.
IV.1.2.1 - Influence de la face avant sur la caractéristique I-V sous éclairement
Pour caractériser l‟influence de la face avant sur le rendement des cellules, nous
avons modifié la structure de passivation. Des analyses I-V ont été effectuées
systématiquement sur les cellules présentant une évolution de leur face avant dans
l‟ordre chronologique suivant :
 Emetteur diffusé à 20Ω/□ avec une Couche AntiReflet (CAR) de Nitrure de
Silicium (SiN)
 Emetteur diffusé à 20Ω/□ sans la couche de SiN (gravure de la CAR)
 Pas d‟émetteur diffusé ni de couche de SiN (gravure de l‟émetteur)
 Dépôt d‟une couche de nitrure de silicium directement sur le substrat.
La Figure IV-4 répertorie les caractéristiques I-V sous éclairement d‟une cellule
type pour ces différentes structures de face avant. Pour les deux premiers tests avec un
émetteur flottant, les rendements obtenus sont de 12% avec la CAR et de 10% lorsque ce
90
Gain de 930%
dépôt est enlevé. Cela se traduit par une chute du J cc de 16%. Lors de la gravure de
l‟émetteur flottant, le rendement de la cellule chute à 1.2% mais le dépôt de la CAR
permet d‟accroître fortement l‟efficacité de la cellule jusqu‟à un rendement de 16%. Le
dépôt d‟une couche de SiN en face avant permet, dans ce cas, d‟augmenter le J cc de
930%.
Pour comprendre l‟impact de la couche antireflet sur le J cc commençons par
regarder son effet sur la réflectivité de la cellule. Nous avons vu dans le chapitre III,
qu‟une surface texturée voit sa réflectivité relative passer de 13% à 3% lors du dépôt
d‟une CAR de SiN. En prenant pour hypothèse, que le courant produit par la cellule est
proportionnel au flux de photons rentrant dans la cellule, le dépôt de SiN permet par ses
propriétés optiques d‟obtenir un gain sur la densité de courant de l‟ordre de 11%. Ce
gain optique explique, en grande partie, les écarts de performances obtenus sur l a cellule
test recouverte d‟un émetteur flottant avec et sans CAR (premier et deuxième cas de la
Figure IV-4). Cependant, l‟apport optique de la CAR ne permet pas d‟expliquer le gain
de 930% sur le J cc obtenu lorsque la cellule n‟a plus d‟émetteur flottant (troisième et
dernier cas de la Figure IV-4). La CAR de SiN permet, certes, d‟augmenter la quantité
de lumière qui rentre dans la cellule mais cette couche améliore la passivation de la face
avant, comme nous allons le voir dans la partie suivante.
Gain de
16%
Vco
J cc
F.F.
Rendement
2
(mV)
(mA/cm )
(%)
(%)
Si-p + Emetteur (FJ) 20Ω/□ + SiN
583
26.4 [39.3]
77
12
Si-p + Emetteur (FJ). 20Ω/□
580
22.8 [34]
76
10
Si-p
513
3.4 [3.8]
67
1.2
Si-p + SiN
595
35.3 [40.3]
76
16
Figure IV-4 : Caractéristiques sous éclairement AM1.5G(T : 35°C) d’une cellule présentant
différentes structures en face avant. Les valeurs entre crochets correspondent aux courants
mesurés sans shading mask ramenés à la surface des contacts de la cellule (1.2 cm2).
91
IV.1.2.2 - Etude de la vitesse de recombinaison en surface par des mesures de
durée de vie
Pour analyser ce phénomène, nous avons réalisé une étude sur la vitesse de
recombinaison en surface. Des substrats, identiques à ceux utilisés dans le test
précédent, ont été diffusés à 20Ω/□, puis chacune de leurs faces a été traitée de façon à
être identique à la face avant de la cellule test. Les résultats obtenus sont répertoriés
dans Figure IV-5.
J oe
S eff
(A/cm2 )
(cm.s -1 à MCD: 10 15 cm -3 )
Si-p + Emetteur 20Ω/□ + SiN
2,7.10 -13
80
-13
Si-p + Emetteur 20Ω/□
4.10
90
Si-p
/
105
Si-p + SiN
1,5.10 -13
110
Figure IV-5 : Evolution de la durée de vie en fonction du type de passivation de surface
(graphique). Dans le tableau, la vitesse effective de recombinaison à la surface (Seff) est
estimée à une densité de porteurs minoritaires (MCD) de 1015cm-3(eq. II-20).
La vitesse de recombinaison en surface est très grande sur le substrat sans
émetteur flottant ni couche antireflet. En appliquant cette valeur aux simulations de la
Figure IV-3, on remarque que les paramètres (J cc, Vco, η) obtenus sont équivalents à
ceux mesurés aux bornes de la cellule test sous éclairement (Figure IV-4) quand sa face
avant est sans émetteur flottant ni CAR.
D‟autre part, les mesures de durée de vie ”Si-p + SiN” nous indiquent que
l‟ajout d‟une couche de SiN diminue fortement la vitesse de recombinaison en surface et
cette amélioration se traduit d‟après les simulations (Figure IV-3) par un large gain sur
J cc et sur le rendement. Le gain de 930% sur le J cc obtenu par le dépôt de la couche de
SiN est donc majoritairement dû aux qualités de passivation de surface du nitrure de
silicium.
D‟après les mesures de la durée de vie, les échantillons qui sont recouverts de
l‟émetteur flottant à 20Ω/□ présentent une faible vitesse de recombinaison en surface
92
(80-90cm.s-1 ). Cependant, en appliquant ces vitesses aux simulations de la Figure IV-3,
des rendements de l‟ordre de 20% et des densités de courant de court-circuit de
40mA.cm2 devraient être obtenus. Ces valeurs sont beaucoup plus élevées que celles
mesurées avec shading mask sur la cellule test en Figure IV-4. On peut, en revanche,
remarquer que les mesures sans shading mask (Figure IV-4) nous donnent des courants
de court-circuit de cet ordre de grandeur mais dès que l‟obturateur est présent ce courant
chute ; cette diminution est, de plus, dépendante de la structure en face avant. En effet,
pour la cellule test avec émetteur flottant diffusé la diminution du courant est de 33% et
elle est de seulement 12% avec la simple couche de SiN.
IV.1.2.3 - Evolution des caractéristiques I-V sous obscurité en fonction de la face
avant
Pour aller plus loin dans cette étude, nous nous sommes intéressés aux
caractéristiques I-V sous obscurité de notre cellule test précédemment étudiée. En
observant ses caractéristiques en fonction de la face avant, Figure IV-6, on remarque
que toutes les courbes se superposent pour les forts et faibles courants mais qu‟au
niveau de 550mV les cellules avec émetteur flottant diffusé présentent une bosse dans
leurs caractéristiques. Cette bosse ne peut être décrite par un modèle I-V à deux diodes
mais nous pouvons trouver sa cause à l‟aide d‟un modèle plus évolué.
Jo1,f Jo2,f Rp,f
Charges positives
Qss=1,2.1011cm-2
Rs Js2 Rp
B
E
J o1,f
(A.cm -2 )
Emetteur
20 Ohm/sq
Js1=7.10-13A.cm-2
S eff estimée
(cm.s -1 à MCD :
1015 cm -3)
Si-p + Emetteur (FJ) 20Ω/□
4.10 -12
2.10 -7
145
530
Si-p
8.10 -11
/
/
9000
Si-p + SiN
8.10 -13
5.10 -8
/
100
Figure IV-6 : En haut à gauche, caractéristiques sous obscurité de notre cellule test
présentant différentes structures de passivation en face avant. En haut à droite, modèle
utilisé pour la simulation sous PC1D avec la simple couche de SiN, Rs = 0.05 Ω.cm2 ; Rp =
2000 Ω.cm2 et Js2 = 2.10-8 A.cm-2. Seff est estimée en appliquant la formule II-40 pour un
niveau d’injection de 1015cm-3.
J o2,f
(A.cm -2 )
e= 300µm
Ld =900µm
7 Ohm.cm
Rp,f
(Ω.cm -2 )
93
Comme nous l‟avons défini dans le chapitre II-7, une couche de SiN ou un
émetteur diffusé en face avant constitue pour une cellule à jonction arrière, un émetteur
flottant. Les recombinaisons au sein de cet émetteur sont définies par trois facteurs J o1,f,
J o2,f et Rp,f. Ces paramètres influencent la vitesse de recombinaison en surface et peuvent
former comme sur la Figure IV-6 une bosse dans la caractéristique I-V sous obscurité
des cellules. Nous avons utilisé le logiciel PC1D avec la structure présentée en Figure
IV-6 pour extraire ces valeurs des courbes sous obscurité. A partir de ces termes, la
vitesse de recombinaison en surface S eff (Figure IV-6) est calculée à l‟aide de l‟équation
II-40 et II-39.
Les vitesses de recombinaisons extraites des mesures I-V sous obscurité sont
différentes, dans certain cas, de celles déterminées par mesures de duré e de vie (Figure
IV-5). Par exemple, la mesure de durée de vie nous donne pour l‟émetteur flottant de
20Ω/□ recouvert de SiN une S eff de 80cm.s -1 alors que la méthode par I-V sous obscurité
nous donne une S eff de 600cm.s -1. Par contre, pour les deux structures sans émetteur
flottant, les deux méthodes nous donnent pratiquement les mêmes S eff.
On peut aussi remarquer qu‟une vitesse de recombinaison de 600cm.s -1 avec
l‟émetteur flottant de 20Ω/□ permet d‟obtenir à l‟aide de la Figure IV-3 des rendements
cellules d‟environ 13%. Cette valeur est comparable à l‟efficacité mesurée sur la cellule
test avec ce type de face avant lors de la mesure I-V sous éclairement (Figure IV-4).
Dans notre cas, la détermination de S eff à partir des courbes sous obscurité semble plus
juste que celle obtenue par la méthode de durée de vie. Cette dernière méthode est
pourtant largement utilisée dans le domaine photovoltaïque et nous allons chercher la
cause de cet écart dans la partie suivante.
IV.1.2.4 - Comparaison entre les différentes méthodes de mesures
Pour comprendre les différences obtenues sur la détermination de la vitesse de
recombinaison en surface et sur l‟influence du shading mask sur le J cc, nous avons étudié
de plus près les différents systèmes de mesure que nous avons utilisés.
La mesure I-V sous éclairement sans shading mask permet sur toute la surface
avant du substrat une génération et une recombinaison uniformes des porteurs. Lorsque
le shading mask (ouverture de 1.2cm 2) est disposé, le flux lumineux illumine le substrat
uniquement sur 1.2cm 2. Les paires électrons-trous sont générés seulement dans cette
zone mais suivant leurs capacités à diffuser, les porteurs peuvent se déplacer et se
recombiner dans les zones du substrat non éclairées. Lorsqu‟un émetteur flottant est
présent, certains porteurs minoritaires sont collectés en face avant et par conduction ils
vont polariser l‟émetteur flottant sur une surface bien supérieure à la zone éclairée
(Figure IV-7). Les électrons qui diffusent dans l‟émetteur flottant ne seront pas collectés
et ils se recombineront dans l‟émetteur. Plus un émetteur flottant est dopé, plus il
présentera un faible gradient de concentration de charge en son sein et plus les électrons
pourront diffuser sur une grande surface. Dans le cas d‟un émetteur fortement résistif,
les électrons diffuseront mal et la zone polarisée sera plus restreinte.
Lors de nos mesures avec shading mask en Figure IV-4, l‟émetteur flottant de
20Ω/□ est éclairé sur 1.2cm 2 et sa forte conductivité permet aux électrons de diffuser
dans les zones non éclairées sur de grandes distances. Ces porteurs ne seront
probablement pas collectés et cela entraîne une chute du J cc. Dans le cas où la face avant
de la cellule est simplement recouverte de la couche de SiN (pas de zone n +), un
émetteur flottant est formé par inversion et sa conductivité est probablement faible. Les
94
électrons vont alors peu diffuser dans les zones non éclairées lors de la mesure et ainsi
limiter la surface active de l‟émetteur flottant.
Flux lumineux
Emetteur
flottant
Contacts
en face
arrière
Zone de photogénération
de porteurs
Diffusion des
électrons
Shading mask
Figure IV-7 : Schéma de la mesure I-V sous éclairement avec shading mask. Les électrons
présents dans l’émetteur flottant diffusent vers les zones où il n’y a pas de génération de
porteurs
La mesure I-V sous obscurité est réalisée par injection de porteurs depuis les
contacts en face arrière, ces derniers vont interagir avec l‟émetteur flottant et le
polariser. On a alors une injection d‟électrons dans l‟émetteur flottant au dessus des
contacts de la cellule et ces électrons peuvent, suivant la conductivit é de l‟émetteur
flottant, diffuser plus ou moins à sa surface. Cette répartition des charges est similaire à
celle observée lors de la mesure I-V sous éclairement avec shading mask et cela peut
expliquer la concordance sur les vitesses de recombinaison obtenues entre ces deux
mesures.
La mesure de durée de vie des porteurs minoritaires est réalisée par une
génération uniforme de porteurs à la surface du substrat. L‟émetteur flottant est
uniformément éclairé et il se trouve dans des conditions similaires à la mesure I-V sous
éclairement sans shading mask. On obtient entre ces deux mesures certaines
concordances. Par exemple, la S eff obtenue par mesure de durée de vie sur un émetteur
flottant de 20Ω/□ passivé au SiN est 80cm.s -1. En reportant cette valeur aux simulations
de la Figure IV-3, on obtient un J cc d‟environ 40mA.cm -2 . Cette même structure de face
avant sur la cellule test (Figure IV-4) donne un courant de 39.3mA.cm -2 (courant
rapporté à la surface des contacts) lors de la mesure I-V sous éclairement sans shading
mask. Il y a dans ce cas, une bonne concordance sur le courant mais, à mon avis, on ne
peut pas en déduire que si l‟émetteur flottant recouvrait uniquement la surface éclairée
de la cellule lors de la mesure avec shading mask le même J cc serait obtenu (dans ce cas,
pas de diffusion latérale des électrons dans l‟émetteur flottant).
Nos mesures sous éclairement (avec et sans shading mask) sont donc
dépendantes des phénomènes de bords et ces derniers sont variables suivant la
conductivité de l‟émetteur flottant. Pour caractériser de façon fiable ces différentes
structures de passivation, il est donc indispensable de découper les cellules avant la
mesure ou d‟utiliser des cellules de plus grandes tailles qui seraient moins sensibles aux
phénomènes de bord. Cela n‟était pas techniquement possible lors de la thèse, mais la
mesure I-V avec shading mask nous donne dans tous les cas la limite basse des
performances de la cellule sous éclairement.
La passivation de la face avant par une couche de SiN sans émetteur flottant
permet lors de la mesure I-V sous éclairement (avec et sans shading mask) d‟obtenir les
meilleures performances (Figure IV-4). L‟émetteur flottant de 20Ω/□ est fortement dopé
et il présente probablement une zone morte importante qui limite les performances de la
95
cellule. Nous verrons par la suite que des émetteurs moins dopés permettent une
meilleure passivation de surface mais leur réalisation nécessite l‟ajout d‟une étape de
diffusion dans le procédé de fabrication des cellules.
La mesure I-V sous éclairement sera, dans la suite de ce chapitre, toujours
réalisée avec le shading mask.
IV.1.3 - L’utilisation d’une double couche antireflet
Précédemment, nous avons vu qu‟une simple couche antireflet de nitrure de
silicium (SiN) constitue une structure fiable pour la passivation de la face avant des
cellules à jonction arrière. Nous avons expérimenté ici l‟utilisation d‟une double couche
antireflet. Cette dernière est constituée de deux couches déposées successivement sur le
substrat :
 Une couche de SiN x:H d‟indice n= 2.1 (à 600nm) ayant une épaisseur de 60nm.
 Une couche de SiO x:H d‟indice n=1.52 (à 600nm) de 100nm.
Cette structure présente une réflectivité pondérée plus faible que celle obtenue
avec une simple couche de SiN x :H d‟indice 2 (à 600nm) et d‟épaisseur de 75nm comme
le montre la Figure IV-8. De plus, la couche SiN x :H d‟indice n=2.1 présente une vitesse
de recombinaison en surface légèrement plus faible que celle d‟indice 2[11].
S eff
(cm.s -1)
60 nm de SiN x:H
d‟indice n=2.1 (à
600nm)
75 nm de SiN x:H
d‟indice n=2 (à
600nm)
75-50
100-75
Figure IV-8 : Réflectivité hémisphérique d’une Simple Couche AntiRefet (SCAR) ou d’une
Double Couche AntiReflet (DCAR) sur des substrats polis ou texturés (TMAH) en surface. Le
tableau à droite répertorie les vitesses de recombinaison des différentes couches [11].
Nous avons testé cette nouvelle structure de face avant sur des cellules à
jonction arrière réalisées suivant le procédé standard. Leur face avant était initialement
polie chimiquement sans émetteur flottant et nous avons effectués les traitements
suivants :
 Dépôt d‟une Simple Couche AntiReflet (SCAR) de SiN
 Gravure de la SCAR et dépôt de la Double Couche AntiReflet (DCAR)
 Décapage de la double couche, texturation de la face avant (TMAH) et dépôt
d‟une SCAR. L‟influence de la gravure sur l‟épaisseur du substrat est
négligeable.
96
Après chaque étape, nous avons caractérisé les cellules sous éclairement et des
mesures de réponse spectrale ont été effectuées. Les principaux résultats sont
répertoriés dans le Tableau IV-1.
Surface
initiale
Polie
Texturée
Couche
antireflet
Simple
Double
Simple
J cc
(mA.cm -2 )
26.3
29.8
28.2
Vco
(mV)
566
571
570
FF
(%)
75.6
76.7
75.9
Rend.
11.3
13.1
12.2
(%)
Tableau IV-1 : Résultats des cellules sous éclairement AM 1.5D. La figure de droite
représente l’IQE d’une cellule recouverte d’une simple et d’une double couche antireflet
(mesures avec bias light). La courbe verte montre le gain apporté par la double couche
antireflet.
La double couche antireflet permet d‟obtenir les meilleurs résultats sous
éclairement. Cette tendance était prévisible par rapport à la SCAR sur surface polie car
sa réflectivité pondérée est plus faible et sa passivation de surface est légèremen t accrue.
La diminution de la vitesse de recombinaison en face avant est confirmée par
l‟augmentation de la réponse IQE des cellules pour les courtes longueurs d‟onde avec la
double couche antireflet (Tableau IV-1).
Les paramètres sous éclairement des cellules avec une face avant texturée et
recouverte d‟une SCAR sont inférieurs à ceux obtenus avec la DCAR sur surface polie.
Ce résultat est surprenant car la réflectivité de la SCAR sur surface texturée est bien
plus faible que la DCAR sur surface polie. En prenant en compte uniquement l‟aspect
optique, les cellules avec double couche devraient présenter un J cc plus faible.
Cependant, comme nous l‟avons vu lors des simulations présentées en Figure IV-3, la
vitesse de recombinaison en surface est très influente sur le J cc des cellules à jonction
arrière. La texturation permet d‟améliorer le J cc avec une simple couche antireflet mais
la DCAR permet par ses qualités de passivation de surface d‟obtenir des résult ats
supérieurs.
Ces premiers tests valident l‟intérêt d‟une double couche antireflet sur nos
cellules. L‟étude de ce type de couche va être approfondie et développée sur surface
texturée afin de d‟améliorer la passivation et la réflectivité de la face avan t.
Après avoir détaillé nos études sur l‟influence de la face avant, nous allons nous
intéresser à l‟influence de l‟émetteur en face arrière.
97
IV .2 - Influence de l’émetteur en face arrière
Pour les cellules à jonction arrière, l‟émetteur contacté se trouve sur la face
arrière de la cellule. Dans notre cas, cet émetteur a la forme d‟un peigne et recouvre
70% de la surface arrière des cellules principales (Cf. Chapitre III). Il a pour rôle de
permettre une bonne séparation des porteurs et la prise de contact à sa surface doit
engendrer le moins de pertes résistives possible. Nous allons voir l‟influence du dopage
et les intérêts de la structure à contact partiel (point contact) pour améliorer l‟efficacité
des cellules.
IV.2.1 - L’influence du dopage sur la réalisation de cellules standard
Cette première partie est axée sur l‟optimisation de la formation de l‟émetteur
pour les cellules à jonction arrière standard. Ces émetteurs ont été diffusés au sein d‟un
four de diffusion Lydop [2] sur la plateforme Restaure du CEA Grenoble. Pour l‟étude,
six émetteurs différents ont été élaborés à l‟aide des paramètres répertoriés dans le
Tableau IV-2.
Température de
diffusion (°C)
Temps sous Temps sous HF + oxydation Résistance de
POCl3
O2
sèche à 850°C
l‟émetteur
(min.)
(min)
30 min.
(Ω/□)
A
800
30
/
/
180
B
800
30
/
oui
65
C
825
30
/
/
90
D
825
30
/
oui
34
E
875
10
20
/
30
F
875
10
20
oui
20
Tableau IV-2 : Paramètres principaux permettant la formation des différents émetteurs.
Ces émetteurs peuvent être regroupés en deux groupes : A, C et E sont formés
par une simple étape de diffusion thermique et B, D et F subissent une diffusion et une
redistribution. La diffusion thermique est réalisée dans notre cas, sous POCl 3 ; il y a
formation d‟un verre de phosphore à la surface des substrats et diffusion dans le silicium
d‟atome de phosphore. L‟étape de redistribution consiste à oxyder le substrat sous O 2
après avoir préalablement retiré le verre de phosphore. Sur la Figure IV-9, on observe
que la redistribution permet d‟augmenter la profondeur de la jonction et de diminuer la
concentration surfacique de dopant. Dans notre cas, cette redistribution entraîne aussi
une diminution de la résistivité de l‟émetteur. Cette tendance n‟est pas une généralité
mais semble due à un problème de surconcentration de dopant en surface. En effet, après
l‟étape de diffusion, la concentration de phosphore en surface est sup érieure à la
concentration de site interstitiel possible dans le silicium ; il en résulte que des atomes
de dopant restent inactifs électriquement. L‟étape de redistribution ne modifie pas la
quantité de dopants mais répartit ces deniers sur une plus grande profondeur. De ce fait,
les atomes de phosphore issus des zones de surconcentration diffusent dans le substrat et
deviennent électriquement actifs. L‟émetteur ainsi redistribué contient plus de dopants
actifs et sa résistivité diminue. Les dopants inactifs constituent dans le silicium des sites
recombinants et il sera préférable de limiter leurs concentrations.
98
Emetteur
C s [P]
(cm -3)
A (180 Ω/□)
7.1020
B (65 Ω/□)
1,5.1020
C (90 Ω/□)
1,6.1021
D (34 Ω/□)
5.1020
E (30 Ω/□)
6.5.1020
F (20 Ω/□)
4.1020
Figure IV-9 : Profils de concentration de phosphore à la surface des différents émetteurs
obtenus par mesures SIMS (Cs[p] : Concentration de Phosphore en surface)
La densité de courant de saturation J oe est l‟un des paramètres clés permettant de
caractériser la qualité d‟un émetteur. Comme nous l‟avons vu dans le chapitre II, cette
valeur est obtenue par la mesure de décroissance de la durée de vie des porteurs
minoritaires sur un substrat où l‟émetteur est présent sur ses deux faces. Le J oe dépend
des recombinaisons dans l‟émetteur et à sa surface.
Pour les cellules à jonction arrière réalisées suivant le procédé standard,
l‟émetteur en face arrière est pratiquement recouvert sur toute sa surface de métal. La
mesure de durée de vie avec une couche de métal n‟est pas possible. Pour chacun des
émetteurs testés, nous avons représenté l‟évolution de leurs durées de vie lorsqu‟ils sont
recouverts d‟oxyde natif (Figure IV-10) car une forte vitesse de recombinaison à
l‟interface métal/silicium est couramment obtenue à l‟aide d‟une couche d‟oxyde natif
(oxyde formé à l‟air ambiant) et peut donc être représentative du phénomène.
A (180 Ω/□)
J oe
(mA.cm -2 )
1.7.10 -12
S eff
(cm.s -1)
334
B (65 Ω/□)
7.5.10 -13
160
C (90 Ω/□)
1.5.10 -12
250
D (34 Ω/□)
8.10 -13
140
E (30 Ω/□)
7.10 -13
120
F (20 Ω/□)
4.10 -13
90
Figure IV-10 : Mesures de durée de vie des porteurs minoritaires sur des substrats diffusés
recouverts d’oxyde natif. La vitesse de recombinaison effective est estimée à 1015cm-3.
99
Les meilleurs résultats sont obtenus avec l‟émetteur F de 20 Ω/□. D‟après la
Figure IV-10, l‟étape de redistribution provoque une augmentation du maximum de la
durée de vie d‟environ 50µs pour chacun des émetteurs A(180 Ω/□), C(90 Ω/□), E(30
Ω/□) qui deviennent respectivement B(65 Ω/□), D(34 Ω/□), et F(20 Ω/□) ainsi qu‟une
division par deux du J oe. Cette étape est donc nécessaire pour obtenir un émetteur de
bonne qualité.
A partir de ces résultats, nous avons utilisé l‟émetteur B(65 Ω/□) et F(20 Ω/□)
pour réaliser des cellules suivant le procédé standard. L‟émetteur D(34 Ω/□) n‟a pas été
retenu car il présente un dopage proche de l‟émetteur F(20 Ω/□) et ses caractéristiques
sont assez similaires à celles de l‟émetteur B(65 Ω/□).
J cc
Vco
FF
Rend.
Rs
Rp
J s1
J s2
(mA.cm-2 )
(mV)
(%)
(%)
(Ω.cm²)
(Ω.cm2 )
(mA.cm-2 )
(mA.cm-2 )
B (65 Ω/□)
27.2
565 68.5
10.5
1.4
200
3.10 -12
4.10 -8
F (20 Ω/□)
29.4
570 77.2
13
1.1
5000
3.10 -12
6.10 -9
Tableau IV-3 : Paramètres obtenus sur des cellules à jonction arrière réalisées suivant le
procédé standard. Moyennes sur 6 cellules. Js1 et Js2 sont extraites à partir de simulation sous
PC1D en prenant une vitesse de recombinaison en surface de 100cm.s-1.
Les résultats cellules obtenus avec les deux procédés de formation de l‟émetteur
sont répertoriés dans le Tableau IV-3. Les cellules présentant un émetteur de 65 Ω/□ ont
un facteur de forme faible. Ce résultat est principalement dû à une faible valeur de
résistance parallèle. La résistance série R s et le J s2 sont certes plus forts que pour
l‟émetteur à 20 Ω/□ mais, d‟après des simulations que nous avons réalisées, ils ne
constituent pas la cause principale de la dégradation du facteur de forme. La faible
valeur de résistance parallèle obtenue avec l‟émetteur à 65 Ω/□ est probablement due à
sa faible profondeur qui le rend plus sensible aux courts circuits. Le J cc est aussi moins
élevé de 2 mA/cm 2 pour l‟émetteur le moins dopé mais le V oc et le J s1 sont pratiquement
identiques pour les deux lots de cellules. Ce résultat est surprenant car les mesures de
durée de vie nous donnaient un écart de J oe important entre les deux émetteurs. Les J oe
obtenus par mesure de durée de vie sont cependant beaucoup plus faibles que les J s1 des
cellules et la différence de passivation produite par nos deux types d‟émetteur en face
arrière ne semble pas être très influente sur la tension de circuit ouvert.
En conclusion, il est préférable d‟utiliser un émetteur bien dopé et profond en
face arrière pour assurer une bonne séparation des porteurs, un bon contact électrique et
peu de courts circuits.
100
IV.2.2 - La prise de contact partiel sur l’émetteur
Cette méthode que l‟on appelle point contact a été proposée pour la première
fois par R.A. Sinton [3]. Elle consiste à prendre un contact partiel métal-émetteur
améliorant ainsi la réflectivité de la surface arrière ainsi que sa passivation.
IV.2.2.1 - Influence d’un diélectrique sur la réflectivité de la face arrière
Comme le montre la simulation en Figure IV-11, la réflectivité dans les grandes
longueurs d‟onde est accrue par la mise en place d‟un diélectrique entre le silicium et le
contact métallique. Cette amélioration dépend de l‟indice du diélectrique ainsi que de
son épaisseur. Dans notre cas, l‟utilisation d‟une couche de SiN de même caractéristique
que celle utilisée en face avant comme couche antireflet donne des résultats très
satisfaisants. Cette propriété est d‟autant plus importante que notre objectif est de
réaliser les cellules sur des couches minces d‟environ 50µm. Les réflexions lumineuses
sur la face arrière permettent d‟augmenter le trajet de la lumière et de produire ainsi,
plus de paires électrons-trous.
Silicium
Diélectrique
Ti/Pd/Ag
Figure IV-11 : Simulation à l’aide du logiciel IMD (Bell Labs) de la réflectivité de la face
arrière avec un diélectrique entre le métal et le silicium. Le schéma de droite représente la
structure simulée.
IV.2.2.2 - Evolution de la passivation de l’émetteur avec un diélectrique
Pour l‟aspect passivation, l‟interface métal /semi-conducteur est très
recombinante donc la diminution de sa surface peut permettre un gain sur le rendement.
Dans le cas de nos structures point contact, le métal recouvre 8% de la surface de
l‟émetteur, le reste pouvant être passivé par un diélectrique.
Nous nous sommes intéressés à la passivation de l‟émetteur. Cette
caractéristique est accessible grâce à la mesure de durée de vie effective de substrats
diffusés et passivés en surface. Nous avons utilisé pour ce test des wafers FZ de qualité
identique à ceux servant à la fabrication des cellules et nous avons effectué sur chacun
d‟eux les diffusions A, B, C, D, E, F pour former la structure de test n/p/n. Les substrats
redistribués ont été caractérisés avec la couche de SiO 2 thermique qui les recouvre. Puis
pour chaque échantillon, nous avons gravé l‟oxyde et déposé une couche de SiN sur
101
chacune de leurs faces. Pour être dans les mêmes conditions que lors de la fabrication
des cellules, un recuit à 650°C pendant 30 secondes (formation de l‟Al -BSF) a été
réalisé avant la mesure de la durée de vie.
Emetteur
J oe (mA.cm -2 )
S eff (cm.s -1)
A (180 Ω/□)
8,5.10 -14
41
-13
B (65 Ω/□)
1,5.10
38
-13
C (90 Ω/□)
4,9.10
100
SiN
-13
D (34 Ω/□)
4,3.10
86
-13
E (30 Ω/□)
3,3.10
85
-13
F (20 Ω/□)
2,7.10
77
-13
B (65 Ω/□)
4,1.10
42
-13
SiO
D (34 Ω/□)
6,6.10
99
F (20 Ω/□)
5,1.10 -13
79
Tableau IV-4 : Densités de courant de saturation et vitesses de recombinaison effectives en
surface extraites à partir de la mesure de durée de vie. Seff est estimée à un niveau d’injection
de 1015cm-3.
Type de passivation
D‟après les résultats répertoriés dans le Tableau IV-4, les émetteurs A (180
Ω/□) et B(65 Ω/□) recouverts de SiN permettent d‟obtenir les plus faibles valeurs de J oe
et de vitesse de recombinaison en surface effective. Les émetteurs les plus dopés E(30
Ω/□) et F(20 Ω/□) ne permettent pas d‟obtenir une si bonne passivation mais leurs
résultats sont meilleurs que ceux obtenus avec les émetteurs C(90 Ω/□) et D(34 Ω/□).
Ces derniers présentent les plus fortes vitesses de recombinaison et d‟importants J oe.
D‟après la littérature [2], pour un émetteur passivé, la densité de courant de saturation
décroît avec l‟augmentation de sa résistance. Cette tendance n‟est pas vérifiée pour tous
les émetteurs mais, dans notre cas, cet écart peut s‟expliquer par des phénomènes de
surconcentration de dopants en surface (ou zone morte). En effet, l‟émetteur C(90 Ω/□)
qui est relativement résistif présente le plus fort niveau de dopage en surface ( Figure
IV-9) et cela pénalise probablement S eff. Une même tendance avait été observée sur des
émetteurs dopés à partir de l‟acide phosphorique [2].
102
Les J oe et S eff sont
d‟après nos mesures plus forts
avec une couche d‟oxyde de
silicium thermique qu‟avec du
nitrure de silicium. Ce résultat est
surprenant aux vues des courbes
de durée de vie car pour les
faibles niveaux d‟injection les τ eff
maximaux sont mesurés avec une
passivation SiO. Pour comprendre
ce
phénomène,
on
peut
décomposer l‟évolution de la
durée de vie de l‟émetteur B(65
Ω/□) recouvert soit de SiN soit de
Figure IV-12 : Profils SIMS de la concentration
SiO
en
fonction
des
d’hydrogène à la surface du silicium
recombinaisons Auger et SRH
(Chapitre II). On remarque alors que les recombinaisons SRH (à faible injection) sont
plus importantes avec la passivation SiN que SiO mais que pour les recombinaisons
Auger (à forte injection) la passivation SiN est préférable. Les recombinaisons Auger
sont liées au dopage de l‟émetteur qui semble être modifié par le dépôt de SiN. Il est
premièrement possible que le dépôt de la couche de nitrure de silicium grave légèrement
la surface de l‟émetteur. En effet, le dépôt est réalisé par PECVD direct et la zone la
plus dopée de l‟émetteur qui se trouve à la surface peut être gravée. Les recombinaisons
Auger étant fonction du dopage, leurs effets s‟atténueraient. La seconde possibilité est
que l‟hydrogène présent lors du dépôt modifie le dopage de l‟émetteur. Il a été montré
dans la littérature, que les ions H- se lient avec les atomes de phosphore ionisés dans une
maille silicium et annihilent ainsi leurs propriétés électriques de donneurs d‟électrons
[5][6][7]. D‟après la Figure IV-12, l‟hydrogène diffuse en grande quantité à la surface
du silicium et peut ainsi se lier aux dopants en surface. La profondeur de d iffusion de
l‟hydrogène est cependant faible mais suffisante pour interagir avec la forte
concentration de phosphore en surface. En prenant pour hypothèse que l‟inhibition des
dopants P en surface a bien lieu, ce phénomène atténue les recombinaisons Auger au
sein de l‟émetteur.
103
IV.2.2.3 - La structure point contact
Comme nous l‟avons vu précédemment, l‟émetteur de la structure point contact
est recouvert à 8% de métal dont l‟interface est très recombinante et de 92% d‟un
diélectrique. Nous pouvons en première approximation estimer la densité de courant de
saturation de l‟émetteur contacté localement par :
J oe, EPC 
Am J oe,m  ASiN J oe, SiN
(IV-1)
A
Am et Asin représentent respectivement la surface de l‟émetteur recouverte par le métal et
par le SiN. J oe,m et J oe,sin correspondent à la densité de courant de saturation de
l‟émetteur non passivé et recouvert de SiN et A, la surface de l‟émetteur.
B (65 Ω/□)
F (20 Ω/□)
J oe, m
(.10 -13
A.cm -2 )
J oe,SiN
(.10 -13
A.cm -2 )
J oe
(.10 -13 A)
standard
7.5
4
1.5
2.7
5,5
2.8
J oe
(.10 -13 A)
point
contact
1,4
2
Diminution
de J oe avec la
structure
point contact
75%
30%
Tableau IV-5 : Estimation du Joe pour la structure standard et point contact
D‟après les estimations du Tableau IV-5, la structure point contact permet
d‟obtenir un plus large gain sur l‟émetteur B(65 Ω/□) peu dopé que sur l‟émetteur F(20
Ω/□) fortement dopé. Cette tendance est due à une plus grande sensibilité des émetteurs
peu dopés aux recombinaisons en surface. D‟après cette estimation, l‟émetteur B(65
Ω/□) permet d‟obtenir un J oe plus faible avec la structure point contact que l‟émetteur
F(20 Ω/□).
Nous avons réalisé à partir de cette étude quatre lots de cellules suivant le
procédé point contact. Deux d‟entre eux ont été dopés suivant le procédé de diffusion B
et le reste avec le procédé F. Pour chaque émetteur, nous avons laissé, sur un lot,
l‟oxyde thermique en face arrière et sur l‟autre lot, nous avons déposé une couche de
nitrure de silicium à la place de l‟oxyde. La face avant des cellules est quant à elle
texturée et passivée par une simple couche de SiN (pas d‟émetteur flottant diffusé).
Le Tableau IV-6 répertorie les principaux résultats de caractérisation de ces
quatre lots. Les cellules diffusées avec l‟émetteur B ont des facteurs de forme plus
faibles qu‟avec le procédé F. Cette différence est due à une plus faible résistance
parallèle mais aussi à un J s2 très élevé pour les cellules diffusées avec le procédé B et
passivées en face arrière avec du SiN. L‟émetteur F permet globalement d‟obtenir de
bons résultats sur tous les paramètres avec un gain d‟environ 10% sur le courant de
court-circuit par rapport aux cellules réalisées avec l‟émetteur B.
104
Type de
SiN
SiO
passivation
Dopage de
B (65 Ω/□)
F (20 Ω/□)
B (50 Ω/□)
F (20 Ω/□)
l‟émetteur
J cc (mA.cm-2 )
31,6
35,1
27,6
30
Vco (mV)
550
590
565
570
FF (%)
48
76,2
74,2
76,4
Rend. (%)
8,4
15,8
11,5
13
2
R s (Ω.cm )
2,7
1,3
1,6
1,3
Rp ( Ω.cm2 )
800
2000
400
6000
Js1 (A.cm -2 )
3.10-12
7.10 -13
2.5.10 -12
3.10 -12
Js2 (A.cm -2 )
>1.10 -6
3.10 -8
3.10 -8
4.10 -9
Tableau IV-6 : Paramètres obtenus sur les cellules à jonction arrière réalisées suivant le
procédé point contact. Chaque valeur représente une moyenne sur au moins trois cellules.
Les Js1 et Js2 sont extraits à partir de simulation sous PC1D en prenant une vitesse de
recombinaison en face avant de 100cm.s-1
Les cellules présentant une structure point contact avec SiO ont des rendemen ts
équivalents à ceux obtenus avec le procédé standard (Tableau IV-3). Il n‟y a pas
d‟amélioration de la tension de circuit ouvert ni du J s1 . La structure point contact avec
SiO ne semble pas produire une meilleure passivation de l‟émetteur mais de légers gains
sur J s2 et Rp. Cette amélioration est probablement due à une plus faible probabilité de
courts circuits avec la structure point contact car l‟interface métal -émetteur est réduite.
Cependant, la diminution de l‟interface métal-émetteur entraîne une augmentation de la
résistance série.
Les cellules avec une structure point contact avec SiN présentent, par contre, un
gain sur le J cc de 16% quel que soit le dopage de l‟émetteur. Pour les cellules dopées à
20Ω/□, le dépôt de SiN engendre aussi un gain sur le V co de 20mV et une diminution de
la J s1 à 7.10-13 A.cm-2 . Cette amélioration n‟est pas observée avec les cellules diffusées
suivant le procédé B car ce lot présente une forte J s2.
La structure point contact avec SiN permet avec l‟émetteur F d‟obtenir un large
gain sur le rendement par rapport aux procédés standard et point contact/SiO 2. Le
rendement passe de 13% à pratiquement 16%. D‟après nos tests précédents sur
l‟évolution de la réflectivité de la face arrière et du J oe par la mesure de durée de vie,
une telle amélioration n‟est pas seulement apportée par ces phénomènes.
IV.2.2.4 - L’influence de la zone entre les contacts
Les cellules présentent entre les contacts n et p une zone où le substrat est
recouvert de l‟oxyde servant de masque à la diffusion lors de la formation de l‟émetteur.
Dans le cas d‟une structure point contact avec SiN, cet oxyde est recouvert de SiN et
nous avons cherché à évaluer l‟influence de cette structure Si-p/SiO2/SiN sur la
passivation de la face arrière par mesures de durée de vie.
Pour ce test, nous avons utilisé des substrats identiques à ceux utilisés pour
réaliser les cellules avec sur certains d‟entre eux, une face qui est recouverte d‟un dépôt
d‟oxyde de silicium servant de masque à la diffusion. Les substrats ont été diffusés
suivant le procédé F et nous avons caractérisé par mesures de durée de vie ces structures
avec et sans SiN comme le montre la Figure IV-13.
105
SiOc
Emetteur
Si
SiOd
SiN
Emetteur
Si
SiOd
SiN
Figure IV-13 : Evolution de la durée de vie pour différentes structures de passivation. Les
schémas à droite représentent les structures de test avec oxyde déposé. Fav : face avant ;
Far. : Face arrière ; SiOd : SiO déposé ; SiOc : SiO crû.
Certains substrats ont un émetteur de 20 Ω/□ sur leurs deux faces et sont
recouverts, soit de l‟oxyde qui a crû lors de la redistribution, soit d‟une couche de SiN.
Les échantillons recouverts initialement par un oxyde déposé sur une face se présentent
à la fin du procédé comme illustré sur la Figure IV-13. Pour la mesure de durée de vie,
ces substrats sont disposés de façon à avoir leur face diffusée en regard avec le flash
lumineux. Ainsi, chaque échantillon présente la même structure en face avant (émetteur
+ diélectrique) et seule la face arrière change (émetteur + diélectrique ou SiOd + …).
La Figure IV-13 représente leurs évolutions. On remarque que les substrats avec
une couche d‟oxyde déposée en face arrière sans SiN (courbe rouge) prése ntent une
durée de vie faible par rapport aux substrats présentant un émetteur sur leurs deux faces
(courbe bleue). Sachant que ces deux types d‟échantillons ont uniquement leur face
arrière différente, la couche d‟oxyde déposée ne permet pas une aussi bon ne passivation
que l‟émetteur de 20 Ω/□ recouvert de SiO.
Lorsque l‟on dépose du SiN à la place du SiO 2 crû, les échantillons avec une
face recouverte de SiO 2 déposé (courbe verte) ont une durée de vie équivalente aux
échantillons avec un émetteur de 20 Ω/□ et une couche de SiN sur leurs de ux faces
(courbe grise). Le SiN permet, d‟après ces mesures, de diminuer fortement la vitesse de
recombinaison du SiO 2 déposé et cette amélioration est sûrement un des éléments
expliquant l‟écart de rendement entre la structure point contact avec SiN et Si O2 .
La structure point contact avec une couche de SiN permet d‟après ces résultats
d‟améliorer de plus de 2% absolu le rendement des cellules par rapport au procédé
standard. La réalisation de ce procédé à contact partiel nécessite cependant l‟utilisation
d‟un masque supplémentaire. Dans la partie suivante, nous allons nous intéresser à
l‟influence de l‟épaisseur du substrat sur les caractéristiques des cellules.
106
IV .3 - Influence de l’épaisseur du substrat
IV.3.1 - Evolution des paramètres I-V sous éclairement en fonction de l’épaisseur du
substrat
Cette étude de l‟influence de l‟épaisseur du substrat sur les caractéristiques des
cellules a pour but d‟estimer les meilleurs paramètres permettant de réaliser ces
structures sur couches minces. Pour atteindre ce but, nous avons utilisé deux lots
d‟échantillons. Le premier est constitué de cellules avec une structure point contact/SiO 2
et un émetteur de 20 Ω/□. Le deuxième est composé de cellules fabriquées avec le
procédé classique et un émetteur à 50 Ω/□.
La diminution d‟épaisseur du substrat est réalisée par gravures successives des
cellules à partir de la face avant. Cet amincissement est effectué dans un bain de KOH
où les cellules sont disposées dans une nacelle qui protège leur face arrière. Pour valider
la technique de gravure, nous avons, préalablement à cette étude, réalisé des dépôts et
gravures successifs de la couche antireflet en face avant des cellules. Cette expérience
n‟avait pas montré de modification des caractéristiques des cellules au cours des cycles,
ainsi on peut supposer que notre méthode de gravure successive est uniquement
influencée par l‟épaisseur du substrat.
Après chaque étape d‟amincissement des cellules, la texturation est réalisée en
face avant ainsi qu‟un dépôt de couche antireflet. Pour les épaisseurs de substrat
inférieures à 150µm, la texturation n‟a pas été réalisée afin de diminuer le risque de
casse des substrats.
Figure IV-14 : Evolution des caractéristiques des cellules sous éclairement en fonction de
l’épaisseur de leur substrat. Chaque point représente une moyenne sur au moins 3 cellules et
la barre correspond à l’écart type
107
D‟après les résultats de la Figure IV-14, la densité de courant de court-circuit
augmente avec la diminution de l‟épaisseur du substrat de 320µm à 150µm. Cette
tendance est probablement liée à l‟amélioration du rapport longueur de diffusion sur
épaisseur du substrat permettant ainsi une meilleure collecte des porteurs. La chute de
J cc observée entre 150 et 100µm est à priori causée par l‟absence de texturation pour les
substrats de 100 et 50µm. Les pyramides en face avant (texturation) permettent de
dévier les faisceaux sous incidence normale et d‟ainsi augmenter le chemin optique dans
la cellule [8].
La tension de circuit ouvert est pratiquement uniforme en fonction de
l‟épaisseur du substrat pour les cellules avec point contact et un émetteur à 20 Ω/□.
Cependant, cette tension chute pour les cellules inférieures à 150µm réalisées suivant le
procédé classique. Cette dégradation du V co n‟est pas expliquée mais peut être liée à une
plus grande sensibilité des cellules fines aux recombinaisons en face arrière.
Le facteur de forme est constant de 320µm à 150µm pour les cellules point
contact. En dessous de cette épaisseur, la valeur du facteur de forme chute
régulièrement.
Le rendement des cellules évolue aussi avec l‟épaisseur du substrat. Il est
principalement lié à l‟évolution du J cc mais aussi du facteur de forme. On obtient de ce
fait une amélioration du rendement lors de la diminution de l‟épaisseur du substrat
jusqu‟à 150µm. Au-delà de cette valeur, la chute du J cc et la dégradation du FF affectent
le rendement des cellules. Pour ces épaisseurs, il faut noter que la texturation de la face
avant n‟est pas réalisée.
IV.3.2 - Influence de l’épaisseur du substrat sur la résistance série
Nous avons remarqué, Figure IV-15, que le facteur de forme évolue de façon
différente avec la diminution de l‟épaisseur du substrat en fonction de la périodicité des
doigts n et p en face arrière. En effet, les cellules présentant une structure périodique des
doigts de 400µm ont un facteur de forme qui décroît de façon beaucoup plus faible que
celle de 700µm. Cette dégradation du facteur de forme est en partie associée à
l‟augmentation de la résistance série comme le montre la Figure IV-16.
Figure IV-15 : Evolution du facteur de forme en fonction de l’épaisseur du substrat. La
période des cellules correspond à la largeur de la cellule élémentaire (cf. Figure IV-1)
108
La résistance série dépend de beaucoup de paramètres (les contacts, le dopage
du substrat, de l‟émetteur…) mais dans notre cas, son augmentation semble liée à la
propagation des porteurs majoritaires. En effet, lors de la diminutio n de l‟épaisseur du
substrat, les contacts en face arrière ne sont pas modifiés et la distance que doit
parcourir les porteurs minoritaires diminue. En revanche, les porteurs majoritaires sont
générés sur toute la surface de la cellule et leur collecte a lieu uniquement aux contacts p
distants de plusieurs centaines de µm, Figure IV-16. Pour déterminer la résistance série
engendrée par ces porteurs, on a défini une cellule élémentaire de largeur d/2 et de
longueur l avec un contact p de largeur w/2, Figure IV-16.
La puissance dissipée en un point x de la cellule unité est donnée par :
dP  I ( x)dV
(IV-2)
Le courant circulant en un point x de la cellule est donné par :
d

I ( x)  JS  J   x  l
2

(IV-3)
La tension en un point x est donnée par :
 d
 d

   dx 
dV  I ( x)dR   Jl   x  dR   Jl   x  .  s 

  e l 
 2
 2
(IV-4)
Avec ρs et e respectivement la résistance (Ω.cm) et épaisseur du substrat.
La puissance dissipée en un point x par effet joule est donnée par :
dP  J 2
s  d
2

l   x  dx
e 2

(IV-5)
La puissance dissipée dans toute la cellule unité est obtenue en intégrant
l‟expression précédente :
d /2
Pe 

0
J
2
s  d
1  d

l   x  dx  J 2 s   l
e 2
3
e 2

2
3
(IV-6)
On obtient alors la puissance dissipée par toute la cellule en négligeant les
busbars :
3

l 1  d 
1
(IV-7)
Pe  2. . J 2 s   l  J 2 s d 2l 2
d 3
e 2
12
e
2
Avec I=J*l
La résistance série engendrée par les porteurs majoritaires est alors égale à :
1 s d 2
r
(IV-8)
12 el 2
109
d
Emetteur
x
d/2
l
Contact p
Figure IV-16 : A gauche, schéma 2D en vue de dessus de la cellule élémentaire utilisée pour
les calculs de résistance série. Le graphique de droite représente l’évolution de la résistance
série lors de la diminution de l’épaisseur des cellules (points). L’influence de la résistance
série engendrée par les porteurs majoritaires est tracée en trait continu.
Nous avons représenté l‟évolution de cette fonction pour les deux designs de
cellule sur la Figure IV-16. Les origines des courbes ont été volontairement décalées
pour se superposer aux valeurs de R s mesurées. D‟après ce graphique, l‟évolution de la
résistance série est principalement due à la propagation des porteurs maj oritaires.
Ce type de perte peut être atténué pour les substrats fins par différentes
solutions :
 Réduction de la distance entre deux doigts p.
 Augmentation du dopage du substrat
 Utilisation d‟un surdopage en face avant de type Front Surface Field (p + sur un
substrat de type p et n + sur un substrat de type n).
IV.3.2.1 - Evolution de la cartographie LBIC des cellules en fonction de
l’épaisseur du substrat
Pour compléter cette étude, des cartographies LBIC (λ=950nm) ont été réalisées
pour mesurer le courant photogénéré lors du déplacement transversal du laser par
rapport aux doigts de la cellule. Un exemple de cette évolution est représenté en Figure
IV-17. On obtient par cette mesure un signal périodique qui est maximum lorsque le
laser se trouve au dessus du doigt n et minimum lorsqu‟il se trouve au dessus du doigt p.
La collecte des porteurs au dessus du contact p est donc plus faible qu‟au dessus de
l‟émetteur. L‟évolution du courant LBIC dépend aussi de la géométrie des contacts en
face arrière. Les cellules avec des doigts n + de 600µm (structure périodique de 700µm)
présentent au dessus des contacts n, une zone où le courant est pratiquement uniforme.
Pour les cellules de doigts n de 300µm, cette zone n‟existe pas et le signal a une
évolution pratiquement sinusoïdale.
110
Figure IV-17 : La figure de gauche montre l’évolution du courant aux bornes d’une cellule en
fonction d’un déplacement transversal du laser par rapport aux doigts de la cellule
(λ=950nm). La figure de droite représente l’évolution du courant LBIC en fonction des
dimensions de la cellule.
Le deuxième graphique de la Figure IV-17 montre l‟évolution de l‟amplitude
normalisée du courant LBIC en fonction de l‟épaisseur des cellules. Cette amplitude
augmente avec la diminution de l‟épaisseur avec un saut lors du passage de 150 à
100µm. Le courant produit par les cellules est d‟après cette courbe de plus en plus
influencé par la face arrière lorsqu‟on diminue l‟épaisseur du substrat. Le saut
d‟amplitude du courant LBIC entre 100 et 150µm est probablement lié à l‟absence de
texturation en face avant pour les cellules les plus fines. En effet, la texturation dévie le s
rayons lumineux perpendiculaires à la surface de la cellule et crée une zone de
génération de porteurs plus large que la taille du spot laser. Le courant ainsi mesuré
dépend alors d‟une surface plus importante en face arrière et le saut de courant au des sus
des contacts n et p est moins marqué.
Nous avons aussi remarqué, lors de nos différentes études, que les cellules
présentant une périodicité des doigts p de 700µm ont en moyenne un V co supérieur de
5mV par rapport aux cellules de période 400µm. Cette différence liée aux dimensions
des contacts est due à la meilleure passivation de la face arrière. Dans le cas des cellules
de période 700µm, l‟émetteur recouvre 80% de la face arrière alors qu‟il couvre 70%
des cellules de période 400µm. Cette différence semble la cause de cet écart de V co car
un émetteur passive mieux les surfaces qu‟un BSF [9].
La chute du courant LBIC au dessus du contact p provient donc de sa
passivation et probablement de sa plus faible réflectivité (par rapport au contact n).
L‟optimisation de la taille des contacts dépend de plusieurs paramètres (dopage et
épaisseur du substrat, résistance des contacts, FSF…) mais il sera, dans tous les cas,
préférable d‟avoir un émetteur plus large que le BSF.
La partie suivante est consacrée à l‟étude du BSF et son influence sur le
rendement des cellules.
111
IV .4 - L’influence du champ arrière p+ et du contact p
Le champ électrique arrière (BSF : Back Surface Field) consiste à créer une
barrière de potentiel p+ sur la face arrière de la cellule pour assurer une passivation du
contact p. La barrière de potentiel induite par la différence de niveau de dopage entre la
base et le BSF tend à confiner les porteurs minoritaires dans la base. Ceux -ci sont donc
tenus à l‟écart de l‟interface métallique qui est caractérisée par une vitesse de
recombinaison très élevée.
A travers nos différents procédés de réalisation présentés dans le chapitre III, le
BSF est formé par un dépôt Al suivi d‟un recuit thermique permettant la formation d‟u n
Al-BSF comme le montre la Figure IV-18. Il a été montré par simulation [10] que le
rendement des cellules à jonction arrière était sensible au BSF et qu‟il est préférable que
ce dernier soit profond et fortement dopé en surface. Dans la littérature, de tels profils
de dopage sont généralement obtenus en utilisant un dépôt épais d‟aluminium et une
température de recuit élevée.
Température
T° plateau
577°C
Temps
Couche Al
Couche Al
Alliage Al/Si
liquide
Alliage Al/Si
liquide
Alliage Al/Si
liquide
Si p+
Eutectique
Si p+
Substrat Si p
Substrat Si p
Substrat Si p
Substrat Si p
Substrat Si p
a : T° < 577°C
b : T° > 577°C
c : haute T°
d : T° > 577°C
(refroidissement)
e : T° < 577°C
Figure IV-18 : Etapes de la formation d’une couche p+ de silicium cristallin pendant la
réalisation des contacts en face arrière
Dans notre cas, le dépôt d‟aluminium est réalisé par évaporation sous vide.
Cette technique permet d‟évaporer du métal pur mais du fait de l‟utilisation du lift -off
pour délimiter le contact p, l‟épaisseur déposée ne peut dépasser 1,5µm. Le recuit est
quant à lui réalisé dans un four RTA (Rapid Thermal Annealing). Le profil de
température utilisé suit une évolution similaire au schéma en Figure IV-18 avec un
plateau de 30 secondes à 650°C.
Dans notre cas, 1,5µm d‟aluminium correspond à une masse de 0,4mg/cm 2 alors
que dans l‟industrie le BSF des cellules est généralement produit à partir d‟une pâte de
sérigraphie permettant de déposer une masse d‟aluminium de 4-10mg/cm2 . La
profondeur et le dopage du BSF dépendant principalement de la masse surfacique
d‟aluminium [11] ; nous aurons dans notre cas, un BSF irrégulier et peu effectif. Il est
rapporté dans la littérature que lors de la formation du BSF avec une fine couche
d‟aluminium, la couche p + contient des inclusions riches en aluminium qui abaissent la
112
durée de vie dans la base et rompent la jonction p-p+ si bien que l‟augmentation de
circuit ouvert est faible ou inexistante [11].
Pour évaluer l‟impact de notre AL-BSF peu efficace sur les cellules, nous avons
remplacé sa formation par une implantation ionique de bore. Cette étape a été réalisée
lors de la fabrication des cellules juste avant le dépôt de l‟aluminium. Elle consiste à
bombarder la surface où sera déposé le contact p avec des ions bore. L‟implantatio n a
été réalisée à 80KeV avec un faisceau de 30µA sous un Tilt de 7° et un flux de 2,5.10 15
atomes/cm2. Ce procédé permet la formation d‟un BSF d‟environ 0,4µm avec une
concentration max de 1,2.10 19 at/cm3 . Pour redistribuer et activer les dopants un recuit à
800°C pendant 30 minutes sous N 2 a ensuite été réalisé.
Formation du
p+
J cc (mA.cm-2 )
V co (mV)
FF (%)
Rend. (%)
R s (Ω.cm2 )
Rp ( Ω.cm2 )
Js1 (A.cm -2 )
Js2 (A.cm -2 )
Al-BSF
35.1
590
76.2
15.8
1.3
2000
7.10 -13
3.10 -8
Implantation
Bore
35.7
605
76.2
16.3
0.95
700
.
3 10-13
4.10 -8
Tableau IV-7 : Paramètres obtenus sur les cellules à jonction arrière réalisées suivant le
procédé point contact avec SiN. Chaque valeur représente une moyenne sur au moins trois
cellules. Les Js1 et Js2 sont extraits à partir de simulation sous PC1D en prenant une vitesse de
recombinaison en face avant de 100cm.s-1
Les résultats cellules sont répertoriés dans le Tableau IV-7. La caractérisation
sous éclairement indique une augmentation de la tension de circuit ouvert avec
l‟implantation bore. Ce gain est en lien avec la diminution du J s1 qui est avec ce BSF
proche du J oe obtenu uniquement avec l‟émetteur (Tableau IV-5). L‟implantation permet
aussi un gain sur le J cc , cette tendance avait été observée par simulation [10] et ces
améliorations créent un gain sur le rendement. Les facteurs de forme sont identiques
mais l‟extraction de la résistance parallèle indique que notre lot avec implantation n‟est
pas de très bonne qualité au niveau des courts circuits. Cette faible caractéristique ne
semble pas être due à l‟implantation mais plutôt à des poussières lors des étapes de
lithographie. La résistance série est quant à elle bien meilleure avec l‟implantation.
Cette amélioration est produite par une diminution de la résistance de contact de 5 -10%
avec l‟implantation Bore (mesures TLM) mais aussi par une meilleure conductivité des
doigts p. En effet, pour les cellules implantées, le peigne p est intégralement formé
d‟aluminium sur 1,5µm alors qu‟avec l‟Al-BSF les doigts sont constitués d‟un mélange
d‟eutectique Al-Si qui présente une plus faible conductivité. La meilleure cellule avec
implantation Bore présente un rendement de 17.9% sous AM1.5G après correction
de la température. Par comparaison avec les simulations de la Figure IV-3, ce
rendement est proche du rendement optimum avec une simple couche antireflet de
nitrure de silicium (S eff ≈ 100cm.s-1 ).
113
La formation du p + à l‟aide d‟1,5µm d‟aluminium recuit en Al-BSF constitue
une limite à l‟amélioration du rendement de nos cellules. La formation du p + par cette
méthode doit être modifiée pour atteindre une qualité de BSF proche de l‟implan tation.
IV .5 - La structure auto alignée
Ce procédé présenté dans le chapitre III permet de réaliser les cellules à
jonction arrière en n‟utilisant qu‟une seule étape de masquage. Pour la réalisation de
cellules auto-alignées nous avons pris le masque “contact n” pour définir les dimensions
du peigne Ti/Pd/Ag. Certaines cellules ont été réalisées avec le motif à doigts larges
(550µm) et d‟autres avec le motif à doigts fins (250µm). Leurs caractéristiques sous
obscurité et sous éclairement sont représentées dans le Tableau IV-8. Nous avons ajouté
la caractéristique d‟une cellule à jonction arrière effectuée suivant le procédé standard
pour comparer les performances de ce nouveau procédé.
Procédé
Standard
Auto-aligné
Largeur des doigts n
300/600
550
250
(µm)
Surface arrière de la
cellule recouverte par
18/14
26
40
le contact p (%)
J cc (mA.cm-2)
29.4
22
16
Vco (mV)
570
545
525
FF (%)
77.2
77
74
Rend.
13
9.4
6.1
2
Rp ( Ω.cm )
5000
7000
10000
-2
-12
-12
J s1 (A.cm )
3.10
4.10
1.10 -11
J s2 (A.cm -2 )
6.10 -9
3.10 -7
1.8.10 -7
Tableau IV-8 : Caractéristiques I-V sous éclairement et sous obscurité des cellules à jonction
arrière réalisées suivant le procédé auto-aligné ainsi que l’extraction de certains paramètres.
D‟après les résultats du Tableau IV-8, les densités de courants de saturation J s1
et J s2 sont plus élevées pour les cellules auto-alignées que pour les cellules standard.
Cette différence est due à des recombinaisons plus importantes au sein des cellules.
114
L‟augmentation de J s2 est probablement liée à l‟absence de passivation entre les contacts
et principalement sur la jonction p/n ouverte [12]. Les cellules réalisées, suivant le
procédé standard, sont recouvertes dans cette zone d‟une couche d‟oxyde de silicium.
Nous avons aussi remarqué que la couche antireflet de SiN en face avant est
amincie lors de la gravure TMAH. Son épaisseur chute d‟environ 20nm lors de cette
étape et il est fortement probable que ses qualités de passivation de surface soient
atténuées.
Les résultats sous éclairement montrent de bon facteur de forme avec le procédé
auto-aligné. La résistance parallèle est élevée et la forte valeur de J s2 ne semble pas trop
affecter le FF. Cependant, la densité de courant de court-circuit et la tension de circuit
ouvert sont plus faibles avec ce nouveau procédé. D‟après ces mesures, le J cc dépend de
la largeur des peignes n. En effet, les cellules présentant des doigts n de 550µm ont un
rendement supérieur à celles réalisées avec des doigts de 250µm. Entre ces deux
structures, seule la géométrie des contacts est différente. Pour les cellules réalisées
suivant le procédé standard, nous n‟avons pas remarqué d‟importante différence sur le
J cc en fonction de la taille des peignes n. Cependant avec les cellules auto alignées, la
surface du contact p est beaucoup plus grande avec des doigts n de 250µm que ceux de
550µm (Tableau IV-8). Comme nous l‟avons vu précédemment, le contact p est formé
par Al-BSF et il est beaucoup plus recombinant qu‟une surface présentant un émetteur.
Les cellules avec des doigts de 250µm ont donc une moins bonne passivation de surface
arrière et cela peut expliquer leurs faibles J cc .
Ce nouveau procédé auto-aligné permet de réaliser des cellules de façon simple
(une seule étape de masquage et aucun alignement) et fiable (sur dix cellules réalisées
seule une était court-circuitée). Ces structures présentent des facteurs de forme proches
de 80% mais un nouveau masque pour le peigne n doit être réalisé afin de diminuer
l‟influence du BSF sur le J cc . Une méthode de passivation entre les contacts devrait aussi
être étudiée pour limiter les courants de recombinaison.
Ce procédé a été développé dans le but de réduire le coût de fabrication des
cellules et à terme, il pourrait être intégré au procédé ELIT [13].
IV .6 - La réalisation de cellule sur couche mince
Toutes les études précédentes ont été réalisées pour comprendre et faire évoluer
la fabrication des cellules à jonction arrière. Nous allons voir maintenant, nos premiers
résultats obtenus avec ce type de cellule sur substrat mince. L‟objectif de ce tte
étude n‟était pas d‟obtenir les meilleurs rendements mais de valider la compatibilité des
moyens de fabrication utilisés pour les substrats d‟épaisseur 300µm avec des couches
minces de 50µm. Pour ces tests, nous avons utilisé soit des substrats minces de type CZ
soit des couches épitaxies issues du procédé ELIT après décrochage du substrat
d‟épitaxie.
Ces études nous ont montré la nécessité de coller les substrats de silicium sur
des plaquettes de verre lors des étapes de lithographie et du lift -off afin de limiter la
casse. Cependant ces substrats fins sont très fragiles et de nombreuses plaques cassent
lors des étapes de fabrication. Nous présentons ici, les résultats sur deux cellules, l‟une
réalisée sur substrat CZ et l‟autre sur une couche épitaxiée. Elles ont été réalisées par
deux procédés différents, la cellule sur couche épitaxiée est texturée et sans émetteur
flottant diffusé en face avant, et la cellule sur substrat CZ n‟est pas texturé et présente
un émetteur flottant diffusé à 20 Ω/□.
115
Substrat
Face avant
Emetteur
flottant
CAR SiN
J cc (mA/cm2 )
Vco (mV)
FF (%)
Rend.(%)
Rp ( Ω.cm2)
R s( Ω.cm2 )
Epitaxié
45µm
Texturée
Cz 50µm
Polie
Non
20Ohm/sq
Oui
25.5
510
56
7.4
300
Oui
19
550
70
7.3
700
3
3
Figure IV-19 : Réponses sous éclairement de cellules réalisées sur substrats fins
Les réponses sous éclairement des cellules sont représentées en Figure IV-19. Il
existe une large différence de J cc entre la cellule réalisée sur couche épitaxiée et sur
substrat CZ. Cet écart est probablement dû à une structure en face avant différente
(émetteur flottant sur surface polie et surface texturée sans émetteur flottant). La cellule
réalisée sur le substrat CZ présente une meilleure résistance parallèle et tension de
circuit ouvert. Les moins bonnes performances obtenues sur les couches épitaxiées
peuvent être dues à des défauts cristallins comme des trous dans le substrat [10]. Le
facteur de forme de chacune des cellules est cependant faible du fait d‟un problème sur
la résistance série. La formation de l‟émetteur avait été mal contrôlée lors de la
fabrication de ces cellules et cela a entraîné une résistance de contact élevée. La
résistance série engendrée par les porteurs majoritaires est dans ce cas négligeable car
les substrats épitaxiés et CZ ont une résistivité comprise entre 0,5 -1 Ohm.cm.
Nous avons vu, à travers, ces tests qu‟il était possible de réaliser des cellules sur
des substrats fins de 50µm. Pour les couches épitaxiées, l‟objectif est maintenant de
fabriquer des cellules avant décrochage du substrat d‟épitaxie. Ce support permettra de
diminuer la casse des cellules, et des études sont en cours pour élaborer l‟émetteur in
situ lors de l‟épitaxie.
Les améliorations effectuées sur les substrats FZ comme le procédé point
contact peuvent être appliquées aux couches épitaxiées et permettront une amélioration
du rendement de ces cellules.
116
Conclusion
Nous avons, à travers ce chapitre, détaillé les principaux points visant à
accroitre le rendement des cellules photovoltaïques à jonction arrière.
La passivation de la face avant est un des points crucial, car le rendement des
cellules dépend principalement de sa qualité. Nous avons obtenu de bons résultats sur ce
point grâce au dépôt d‟une simple couche antireflet de nitrure de silicium directement
sur le substrat de type p. Cette couche permet de diminuer la réflectivité de la face avant
et présente une vitesse effective de recombinaison en surface de 100cm .s -1 dans ce cas.
L‟utilisation d‟un émetteur flottant diffusé ne s‟est pas révélée bénéfique lors de notre
étude et nos premiers tests avec une double couche antireflet sont très prometteurs.
Nous nous sommes aussi intéressés à l‟influence de la face arrière. Notre étude
s‟est orientée sur la formation de l‟émetteur. Les meilleurs résultats ont été acquis avec
un émetteur profond et fortement dopé car il est peu sensible aux courts circuits. La
technique point contact a été investiguée et permet de prendre un contact partiel sur
l‟émetteur à travers un diélectrique. Cette structure augmente la réflectivité de la face
arrière et améliore sa passivation. Nous avons obtenu par cette méthode une
augmentation de 2% absolu du rendement des cellules lorsque la couche de diélectrique
est composée de nitrure de silicium. Cette couche affecte la passivation de l‟émetteur
mais surtout la zone entre les contacts n et p.
Suite à ces travaux, nous avons étudié l‟influence de l‟épaisseur du substrat sur
le rendement des cellules. L‟utilisation de substrat fin (150µm) permet d‟augmenter le
rendement mais des précautions doivent être prises quant à la résistance série engendrée
par les porteurs majoritaires. De plus, l‟amincissement rend les cellules plus sensibles à
la réflectivité et à la passivation de la face arrière, comme nous l‟avons vu, par mesure
LBIC.
Le rôle du contact p et de son BSF est important. A travers nos tests, nous avons
observé que le dépôt et le recuit d‟une fine couche d‟aluminium n‟étaient pas suffis ants
pour obtenir un bon BSF. Nos tests avec une implantation ionique de bore ont permis
d‟obtenir de bien meilleurs résultats. Avec cette technique, le rendement des cellules a
été amélioré de 0,5% absolu par rapport à l‟Al-BSF. L‟une des cellules réalisée avec ce
procédé et une structure point contact présente un rendement élevé de 18%.
L‟implantation ionique est cependant une étape onéreuse que nous cherchons à
remplacer.
Notre nouveau procédé auto-aligné donne des résultats très encourageants. Les
cellules sont simples à réaliser et elles présentent un facteur de forme proche de 80%.
Nous avons montré que la géométrie des contacts est à optimiser et cette structure
permet dans l‟état actuel d‟atteindre un rendement de 9,4%.
Nos procédés de fabrication ont permis de produire des cellules à jonction
arrière sur des couches épitaxiées de 50µm. Leur rendement atteint 7 -8% avec un
procédé standard mais nos différentes améliorations présentées précédemment devraient
largement faire évoluer leurs performances.
117
Bibliographie du Chapitre IV
[1]
LELIEVRE J.-F. Elaboration de SiNx:H par PECVD : optimisation des propriétés
Lyon, 2007, 297 p.
[2]
SEMCO Eng., Reduce your diffusion costs by 50% with the LYDOP [en ligne].
Disponible
sur:
<www.semcoeng.com/Pilot01/Telechargement/SolarLydopvers3.PDF>
(consulté le 01/10/07), pp.1.
[3]
SINTON R.A., KING D.E., SWANSON R.M. Novel implementations of backside
contact silicon solar cell designs in one-sun and concentrator applications. Proceedings of the
PVSEC 4, Sydney, 1989; pp. 143-149.
[4]
KERR J.M. Surface, Emitter and Bulk Recombination in Silicon and Development of
Silicon Nitride Passivated Solar Cells [en ligne]. Thèse ANU. Camberra. Australie. 2002.
Disponible sur : http://solar.anu.edu.au/level_1/pubs/papers/mark_kerr_thesis.pdf> (consulté
le 31.07.06).
[5]
SOPORI B., ZHANG Y., REEDY R. et al. A comprehensive model of hydrogen
transport into a solar cell during silicon nitride processing for fire-through metallization.
Conference Record of the Thirty-First IEEE Photovoltaic Specialists Conference,Lake Buena
Vista, Florida., 2005, pp. 1039-1042
[6]
BONAPASTA A.A. H multitrapping mechanisms and H2 molecule formation in
doped crystalline silicon. Phys. Rev. B, vol. 46, 1992, pp. 10119 – 10126.
[7]
RIZT R., DE MIERRY P., BALLUTAUD D. et al. Hydrogen diffusion and
passivation process in p- and n-type crystalline silicon. Physical Review B (Condensed
Matter), Volume 44, Issue 12, 1991, pp.6141-6151.
[8]
[9]
HAVERKAMP H., McCANN M., HUSTER F. et al. Screen printed low-cost IBC
solar cells- preparatory investigations. Proc. 21th European Solar Energy Conference,
Dresden, Germany, 2006, pp. 1248-1250.
[11] LOLGEN P. Surface and volume recombination in silicon solar cells”, Thèse de
doctorat, Universiteit Utrecht, The Netherlands, 1995, 152 p.
[12] KUHN R., FATH P., BUCHER E. Effects of pn-Junctions Bordering on Surfaces
Investigated by Means of 2D-Modeling, Proc. 28th IEEE PVSC, 2000, pp.116-119.
[13] KRAIEM J., NICHIPORUK O., PAPET P. et al. Interdigitated back contacts solar
cells on transferred Si-thin film epitaxially grown on porous silicon. Proc. 15th International
Photovoltaic Science and Engineering Conference and Solar Energy, Shanghaï, China, 2005,
pp. 746-747.
118
119
Chapitre V - La cellule Emitter Wrap Through
Introduction
Comme nous l‟avons vu dans les chapitres précédents, les cellules à jonction
arrière sont réalisées sur des substrats dont les longueurs de diffusion sont bien
supérieures à leurs épaisseurs L d /e>3. Cependant, l‟utilisation de ce type de substrat
n‟est pas commune dans l‟industrie photovoltaïque du fait de son coup de fabrication et
son utilisation se limite à la production de cellules à haut rendement (Sunpower, Q cells) ou à l‟utilisation de substrats ultra minces comme les couches épitaxiées
(laboratoire).
La croissance de l‟industrie photovoltaïque est basée, de nos jours, sur la
diminution des coûts de fabrication pour rendre cette énergie plus compétitive par
rapport aux énergies fossiles. Pour atteindre cet objectif, il faut diminuer le ratio coût de
production sur rendement des cellules. Le coût du substrat de silicium représentant
environ 40% du cout final du module[1], l‟une des solutions consiste à produire des
cellules sur des substrats plus économiques, comme du silicium multicristallin de faible
longueur de diffusion en fine épaisseur, tout en conservant un rendement acceptable.
La société Advent Solar développe depuis quelques années une structure
innovante pour atteindre cet objectif. Il s‟agit des cellules à contacts arrière interdigités
EWT, pour Emitter Wrap Through.
19
0.5 ohm*cm, 110µm
5 us
Efficiency (%)
18
17
BSF
STD
EWT
16
15
14
13
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Cell Thickness (um)
Figure V-1 : Simulation de l’évolution du rendement des cellules EWT et des cellules à
contact en face avant (STD) en fonction de l’épaisseur du substrat. Cette simulation est
réalisée sur des substrats de faible longueur de diffusion qui seront dans un futur proche
utilisés dans l’industrie PV[2].
La structure EWT présente comme principal avantage de permettre d‟obtenir de
très bons rendements sur des substrats fins de faible longueur de diffusion. La Figure
V-1, issue d‟une étude de J. Gee [2], illustre cet avantage en comparant le rendement
d‟une cellule EWT par rapport à une cellule standard (STD) pour différentes épaisseurs
de substrat. L‟utilisation de substrat de plus en plus mince et de faible longueur de
diffusion est de plus en plus courante dans l‟industrie et cette étude montre la pertinence
120
de la structure EWT. Cette simulation a été réalisée avec les mêmes paramètres de BSF,
d‟émetteur, de passivation surfacique et volumique, seule la résistance série des cellules
EWT a été augmentée pour être fidèle à la réalité.
On remarque que cette simulation permet d‟obtenir un rendement beaucoup plus
élevé pour la cellule EWT que pour la structure standard. Cette différence est
principalement due à deux phénomènes : l‟absence de contacts en face avant et un
émetteur recouvrant toute la face avant et partiellement la face arrière permettant ainsi
une double collecte des porteurs minoritaires et une meilleure passivation de surface.
Ce chapitre sera consacré aux cellules EWT. Nous verrons, dans la première
partie, les avantages et les spécificités de ce type de cellules et nous aborderons ensuite
les études que j‟ai réalisées au sein de l‟entreprise Advent Solar, Inc. (USA) durant ma
thèse. L‟objectif de mes travaux était la mise en place d‟un procédé d‟émetteur sélectif
sur les cellules EWT industrielles. Certains points du procédé sont confidentiels et ils
ont été volontairement masqués pour protéger la société Advent Solar de la divulgation
de son savoir-faire.
V .1 - La cellule EWT
La cellule EWT, Figure V-2, présente, comme la cellule standard, un émetteur
en face avant mais dans cette structure tous les contacts métalliques sont en face arrière.
L‟interconnexion de l‟émetteur entre la face avant et la face arrière est réalisée à l‟aide
de trous dans le substrat. Ces trous généralement réalisés à l‟aide d‟un laser sont dopés
et permettent ainsi d‟assurer la conduction des porteurs de la face avant à la face arrière.
Sur la face arrière se trouve aussi une fraction d‟émetteur qui permet de contacter
l‟émetteur et de collecter les porteurs minoritaires générés près de la surface arrière. Les
contacts n et p sont structurés en face arrière sous forme de peignes interdigités
entraînant aucun ombrage de la face avant et permettant une bonne réflectivité de la face
arrière.
Si-mc
Contact émetteur
Contact base
Trous
Busbar
base
v
Emetteur
Figure V-2 : Schéma d’une cellule à contacts arrière interdigités Emitter Wrap Through
121
V.1.1 - Les intérêts de cette structure
La structure EWT présente de nombreux avantages que nous allons détailler
dans les points suivants :
 Un rendement supérieur à la technologie classique. Cette différence est bien
marquée sur du silicium de faible longueur de diffusion comme le montre la
Figure V-1. Une grande partie de la cellule est constituée d‟une structure n/p/n
qui engendre une diminution de la distance de collecte des porteurs
minoritaires et une meilleure passivation de surface. De plus, l‟absence de
grille et de connectique entre les cellules en face avant augmente la surface
d‟absorption de la lumière et permet d‟obtenir une plus forte densité de
courant.
 Un rendement qui s‟améliore par diminution de l‟épaisseur du substrat . Dans le
cas de substrat de faible longueur de diffusion, de meilleurs rendements sont
obtenus pour un substrat d‟épaisseur égale à la moitié de la longueur de
diffusion. Ce phénomène est dû à la présence de l‟émetteur sur les deux faces
et à une meilleur réflectivité de la face arrière [2].
 Aucun contact en face avant. Il n‟y a pas de compromis à trouver entre la
résistance série et l‟ombrage dû aux contacts en face avant.
 Facilité d‟assemblage des cellules en modules. Les cellules EWT sont
connectées uniquement à partir de la face arrière, elles peuvent donc être
disposées en module de façon très dense. Pour la mise en module des cellules à
contacts en face avant, un espacement est nécessaire entre les cellules pour
permettre la connexion en série, ce qui n‟est pas le cas pour les cellules EWT.
De plus, la connexion arrière limite la casse du bord des cellules lors de la
mise en module et permet l‟utilisation de cellules plus fines [3].
 L‟intégration, L‟architecture est très demandeuse de modules de couleur
uniforme pour une meilleure mise en valeur dans les bâtiments. L‟absence de
contacts en face avant permet de produire des modules de couleur uniforme
très esthétiques.
 La face arrière est optimisée pour les contacts électriques, la réflectivité et les
interconnections entre les cellules.
 La courbure des cellules est plus faible du fait de l‟absence de Al-BSF sur toute
la surface arrière.
V.1.2 - Les principaux résultats obtenus dans la littérature
Le concept de la cellule EWT fut développé pour la première fois par J.Gee and
al. [4] en 1993. De nombreux efforts ont ensuite été menés par Sandia National
Laboratories qui ont détenus, pendant de nombreuses années, le record de rendement par
lithographie [5]. En Europe, l‟université de Konstanz (Allemagne) et ECN (Pays-Bas)
ont développé cette technologie par différents procédés dont la sérigraphie [6]. Le
record actuel est détenu par le Fraunhofer ISE avec 21.4% sur une surface de 4cm 2 et il a
été obtenu par photolithographie sur substrat FZ [1]. Dans les records, on peut noter le
résultat remarquable de la structure RISE-EWT qui a permis d‟obtenir 20% sur 93cm 2
[7]. Cette structure, réalisée sur substrat FZ à l‟aide de plusieurs gravures laser, ne
nécessite qu‟une seule étape de diffusion et de métallisation.
122
Au niveau industriel, une entreprise récente, Advent Solar Inc., produit ce type
de cellule sur silicium multicristallin. Sa technologie basée sur la sérigraphie permet
d‟obtenir des rendements de 15.6% [8] et elle possède depuis le début de l‟année 2007
une ligne de production de 25MWc.
V .2 - Les points spécifiques à la réalisation des cellules EWT
La présence de trous dans le substrat et d‟un émetteur en face arrière nécessitent
la modification des outils et techniques de réalisation. Nous aborderons, dans cette
partie, les points spécifiques à la fabrication des cellules EWT et certaines des
techniques utilisées.
V.2.1 - La formation des trous
Pour former les trous entre la face avant et la face arrière, différentes solutions
ont été envisagées: gravure chimique et plasma [9], abrasion mécanique [10][11],
gravure par ultrasons [12] et finalement par laser. La gravure laser est actuellement la
technique la plus utilisée [7][13] car elle présente l‟avantage de ne pas dépendre de
l‟orientation du matériau (gravure uniforme sur Si multicristallin) et sa vitesse
d‟exécution rend la production de cellules EWT industrialisable [8].
V.2.2 - La distribution des trous
La distribution des trous est déterminée par un compromis entre la diminution
de la résistance série et la précision d‟alignement lors des différentes étapes de
réalisation. La résistance série au sein de la cellule est engendrée par de nombreux
paramètres : la conductivité des lignes de métallisation, la conductivité de l‟émetteur en
face avant, la résistance des trous, la qualité des contacts métal-semiconducteur, la
conductivité des porteurs majoritaires dans le substrat[14]… La conductivité des lignes
de métallisation et la qualité du contact métal-semiconducteur pouvant être optimisées
indépendamment de la réparation des trous, nous n‟en tiendrons pas compte.
L‟influence des trous sur la résistance série est exprimée par :
Rs ,trou  Rémetteur 
e
2 r

A
N
(V-1)
R émetteur correspond à la résistance de l‟émetteur, e à l‟épaisseur du substrat, A à
la surface de la cellule et N au nombre de trous. La résistance de l‟émetteur étant
proportionnelle à la résistance engendrée par les trous, l‟augmentation du dopage de
l‟émetteur permettra de diminuer la résistance série. Par application numérique de c ette
formule aux cellules standard d‟Advent Solar, les trous engendrent 20% des pertes
résistives.
Au niveau de l‟émetteur en face avant, les pertes résistives sont engendrées par
la conduction des porteurs collectés dans l‟émetteur jusqu‟aux trous. Pour calculer la
résistance série, une cellule élémentaire doit être déterminée, Figure V-3. La cellule
élémentaire a une longueur correspondant à la distance entre deux doigts adjacents et sa
largeur est égale à la distance entre deux trous d‟un même contact.
123
Une estimation de la résistance série due à l‟émetteur peut être faite en
remplaçant la cellule unitaire rectangulaire par une surface circulaire de même surface.
Dans ce cas, l‟expression des pertes résistives est exprimée par [4]:
Rs ,émetteur 

Rémetteur  ACE
 0.25 (1  rc4 )  (1  rc2 )  ln rc
2

(V-2)
R émetteur correspond à la résistance de l‟émetteur, A ce à la surface de la cellule
élémentaire, et r c au diamètre du trou divisé par le diamètre de la cellule élémentaire.
Pour obtenir une faible R s,émetteur, les doigts doivent être très rapprochés, la distance
entre les trous doit être faible et les trous de diamètre élevé. Une faible résistivité
d‟émetteur permet aussi de réduire l‟effet de la résistance série mais affecte
défavorablement le IQE pour les courtes longueurs d‟onde [15].
dtrou
Cellule élémentaire
Trous
dc.e.c.
DTrous
Cellule élémentaire
circulaire
DDoigt
Figure V-3 : Cellule élémentaire pour le calcul de la résistance série
engendrée par l'émetteur en face avant pour les cellules EWT.
Au niveau de la réalisation, les doigts constituant les peignes interdigités p et n
doivent être espacés pour éviter les courts circuits. Pour obtenir un écartement suffisant
et fiable, un bon compromis est obtenu en utilisant une distance de 2mm entre les doigts
de même polarité. Entre les trous d‟un même doigt, une distance de 0,5-0,8 mm est
couramment choisie par compromis entre le temps de réalisation des trous et la
résistance série.
124
V.2.3 - Définition de la jonction sur la face arrière
La séparation des zones p et n à l‟arrière de la cellule est l‟un des points clés de
la fabrication des cellules EWT. Dans la littérature, plusieurs techniques ont été
développées que l‟on peut diviser en trois groupes :
 Délimitation de la zone n+ par dépôt d‟une couche de diélectrique (masque de
protection avant diffusion,)
 Séparation des zones p et n par des méthodes abrasives (gravure laser, plasma,
chimique)
 Formation directe de la jonction rectifiée (P-Al co-diffusion, dépôt localisé de
couche dopante)
La principale différence entre ces trois technologies est l‟état de la Zone de
Charge Espace (ZCE) sur la face arrière suite à la réalisation de la cellule. La ZCE dans
cette région n‟est pas localisée dans le substrat mais en surface, ce qui cause des
recombinaisons additionnelles. On définira cette partie de la ZCE comme “ouverte“ par
la suite.
Dans une cellule à contact en face avant standard, la ZCE “ouverte“ se trouve en
périphérie du substrat et a donc une longueur égale au périmètre de la cellule. Dans le
cas des structures à contacts interdigités type EWT, la jonction p/n “ouverte“ se trouve
en périphérie du peigne n + et sa longueur est de 40 à 50 fois plus grande que sur une
cellule à contact en face avant standard de même taille. L‟influence de la jonction p/n
“ouverte“ sera donc plus importante pour les cellules EWT.
Les simulations de Kuhn [12] montrent l‟influence de la jonction p/n “ouverte“
sur les recombinaisons au sein de la cellule. Cette étude caractérise la forte dégradation
de J s2 lorsqu‟on augmente la recombinaison en surface au niveau de la jonction p/n
“ouverte“.
L‟utilisation d‟une ouverture de jonction par une méthode abrasive engendre des
défauts de surface qui sont très recombinants. Pour les cellules à contacts en face avant,
cette technique simple et rapide sera utilisée du fait de la faible influence de jonction p/n
“ouverte“ sur le rendement. En revanche, sur les cellules à contacts arrière interdigités
cette méthode ne sera pas utilisée à moins de former une couche de passivation sur la
jonction p/n “ouverte“. Cette méthode est appliquée dans le cas de la cellule RISE -EWT
[7] par croissance d‟un oxyde de silicium.
L‟université de Konstanz a développé un procédé original de séparation des
peignes p et n par Al-P co-diffusion [17]. Ce procédé consiste, à partir d„un substrat de
type p, à évaporer à travers un masque une couche d‟aluminium de 3µm et d‟ensuite
réaliser une diffusion POCl 3 . Il y a alors formation de l‟émetteur, du BSF et d‟une zone
compensée. Cette méthode permet d‟obtenir des cellules EWT présentant des facteurs de
forme de 71% mais le courant de court-circuit et la tension de circuit ouvert restent
faibles. Cette technique peut être améliorée avec l‟ajout d‟une couche de LPCVD SiN x
comme délimitation des zones p et n. Cette technique fut utilisée par W. JOOSS qui a
obtenu des rendements de 16.6% sur le même type de cellules [18].
La délimitation de la zone n + par dépôt d‟une couche diélectrique est, dans la
littérature, la méthode la plus souvent utilisée. Elle peut se faire à l‟aide d‟une couche de
SiO2 [4], LPCVD SiNx [18], et PECVD SiN x [19]. Ces diélectriques doivent avoir
125
certaines caractéristiques : barrière de diffusion lors du dopage phosphore, résister aux
attaques chimiques (HF, gravure alcaline) et permettre une bonne passivation sans
création de zone d‟inversion pouvant court-circuiter la jonction. Ces diélectriques sont
en général déposés sur toute la surface et ouverts localement pour permettre la diffusion.
Les motifs sont réalisés à l‟aide d‟une gravure laser [18] ou par lithographie suivie
d‟une gravure chimique [19]. Une solution plus économique et industrielle consiste à
déposer ce diélectrique par sérigraphie [8][20].
V .3 - Advent solar, Inc
V.3.1 - Présentation de l’entreprise
Advent solar a été fondée en 2002-2003 pour produire des cellules EWT de
façon industrielle. Son origine est liée aux travaux développés aux Sandia National
Laboratories. La technologie de Sandia, basée sur un dépôt d‟oxyde, une lithographie et
des contacts sérigraphiés, a permis d‟obtenir des cellules ayant un rendement de 15,2%
sur substrat Cz. La société Advent Solar a été créée pour les produire industriellement e t
diminuer leurs coûts de fabrication. Depuis le début de l‟année, cette firme basée à
Albuquerque, Nouveau Mexique, possède une ligne de production de 25MWc dans un
bâtiment écologique et prévoit dans les prochaines années un accroissement exponentiel
de leur production. En 2006, leur ligne pilote a permis d‟obtenir des rendements de
15,6% sur substrat multicristallin de 156cm 2 avec un procédé relativement simple que
nous allons vous présenter brièvement dans la partie suivante.
V.3.2 - La technologie
Les cellules EWT produites par Advent Solar sont fabriquées à partir de substrat
multicristallin de 156cm 2 . Chaque plaque est perforée par environ 15000 trous à l‟aide
d‟un laser pour former la structure EWT. Un nettoyage chimique est ensuite réalisé à
l‟aide d‟une solution alcaline qui enlève les défauts de coupe et de gravure. La
sérigraphie de la barrière de diffusion est alors réalisée pour délimiter les zones p et n
lors de la diffusion. Cette dernière est réalisée sous POCl 3 et permet de former en une
seule étape, l‟émetteur sur la face avant, la face arrière et dans les trous. Un dépôt de
nitrure est alors effectué sur chacune des faces pour passiver les surfaces et les contacts
sont formés par sérigraphie sous forme de deux peignes interdigités. Ces cellules sa ns
texturisation, ni émetteur sélectif, permettent d‟obtenir un rendement moyen de 15.2%
[8] sur substrat multicristallin d‟environ 220 µm d‟épaisseur avec une durée de vie des
porteurs minoritaires de 20 à 30µs.
Dans le but d‟améliorer ce rendement de conversion et de rendre plus
économique la production de ces cellules, j‟ai développé au cours de mon stage au sein
d‟Advent Solar un procédé d‟émetteur sélectif couplé à l‟intégration d‟un procédé de
texturisation. Pour chaque étude, les lots étaient composés de substrats appariés rangés
de façon aléatoire. Dans une même étude, les substrats présentaient les mêmes
caractéristiques. Cependant, entre les différentes études, on peut remarquer une
modification du rendement du procédé standard qui est due à l‟utilisation de substrats de
différentes épaisseurs et qualités.
126
V .4 - Mise en place de l’émetteur sélectif
La mise en place d‟un émetteur sélectif consiste à obtenir des profils de
concentration différents au niveau de l‟émetteur. On cherchera à obtenir un émetteur
faiblement dopé en face avant et plus fortement dopé en face arrière et dans les trous.
La face avant est l‟interface qui permet de faire rentrer la lumière dans la cellule
et de collecter les porteurs générés, son dopage doit donc être léger pour limiter son
absorption et permettre une meilleure passivation de cette surface. En effet, comme nous
l‟avons vu dans le chapitre IV, il est plus facile de passiver une surface présentant un
émetteur avec une faible concentration surfacique de dopants que lorsque cette
concentration est élevée [21]. De plus, une forte concentration de dopants augmente
l‟absorption des photons par création d‟une zone morte et par l‟effet du band gap
narrowing, le courant de court-circuit est limité. La face avant n‟étant pas utilisée sur les
cellules EWT pour prendre un contact électrique, le dopage de l‟émetteur peut donc être
diminué de façon à améliorer la réponse spectrale des cellules pour les courtes longueurs
d‟onde [15].
La face arrière des cellules EWT est quant à elle optimisée pour prendre les
contacts électriques. On réalisera alors un émetteur fortement dopé qui diminue la
résistance électrique de contact silicium/métal et qui forme une ZCE plus intense
limitant les recombinaisons surfaciques (principalement à l‟interface émetteur/métal).
Au niveau des trous, un dopage élevé sera préféré car il permet d‟améliorer la
conduction des porteurs au sein de l‟émetteur de la face avant à la face arrière de la
cellule et cela diminue la résistance série (eq. V-1)
V.4.1 - Etude de l’influence du dopage de l’émetteur en face arrière
Comme nous l‟avons vu précédemment, la partie de l‟émetteur la plus dopée
doit se trouver en face arrière et dans les trous pour permettre une diminution de la
résistance série. Nous avons donc commencé l‟étude en évaluant sur les cellules
l‟influence du dopage de l‟émetteur sur la résistance série. Pour déterminer ce gain, nous
avons réalisé le procédé standard de réalisation des cellules EWT en augmentant le
dopage de l‟émetteur. La structure réalisée n‟a pas une structure d‟émetteur sélectif car
il présente en face avant comme en face arrière un émetteur plus dopé. On notera S le
dopage standard et A, B, C les autres dopages testés. Les résistances carrées des
émetteurs sont classées de la façon suivante R A<RB <RC <R S. Ceux-ci sont réalisés par
diffusion thermique de POCl 3 à l‟aide de températures différentes.
La Figure V-4 présente les résultats obtenus sous éclairement pour des
résistances d‟émetteurs croissantes et pour deux types de barrière de diffusion. On
remarque, au niveau de la densité de courant de court-circuit J cc, une augmentation de sa
valeur en utilisant des émetteurs de moins en moins dopés. Cette tendance était
prévisible car, comme nous l‟avons expliqué précédemment, plus l‟émetteur en face
avant est dopé plus il est absorbant et recombinant.
Au niveau de la tension de circuit ouvert, on obtient la même tendance. Cette
amélioration, pour les plus fortes résistances d‟émetteur, peut être due à deux
phénomènes : une meilleure passivation surfacique de la cellule et une faible
dégradation thermique du substrat.
Notre système de dopage engendre lors d‟une augmentation du dopage de
l‟émetteur un accroissement de la concentration surfacique de phosphore en surface. Or,
au niveau de la face avant, l‟augmentation de dopants en surface diminue l‟effet
127
passivant du SiN x et accroît la vitesse de recombinaison. Les tensions de circuit ouvert
sont alors plus faibles pour les émetteurs les moins résistifs. Au niveau de la face
arrière, le métal n‟entraînant aucune passivation de surface, un émetteur fortement dopé
est bénéfique. Cependant, cette évolution montre que nos cellules sont beaucoup plus
sensibles à l‟augmentation de recombinaison en face avant que de leur diminution en
face arrière.
La chute du Vco peut aussi être due à une dégradation thermique du substrat lors
de l‟étape de diffusion. En effet, le silicium multicristallin est sensibl e au cycle
thermique et voit sa longueur de diffusion se dégrader à haute température[22]. Les
différents émetteurs S, C, B et A étant formés à des températures différentes, ils peuvent
être plus ou moins touchés par cette dégradation ; nous analyserons ce point dans la
partie suivante.
Figure V-4 : Caractéristiques sous éclairement de cellule EWT avec différents dopages
d’émetteur. Deux barrières de diffusion (BD) ont été testées la 1 et la 2. Sur les graphiques,
chaque point représente la moyenne du lot et la barre son écart type.
Le facteur de forme, qui est l‟élément qui nous intéresse le plus dans cette
étude, est meilleur pour les émetteurs les plus dopés. Avec la Barrière de Diffusion 1
(BD1), l‟émetteur B présente un facteur de forme de 2% absolu plus élevé que celui
obtenu avec l‟émetteur standard. En analysant les éléments qui composent le facteur de
forme : R s, Rp, J s2, on remarque sur la Figure V-5, que conformément aux prévisions, la
résistance série diminue avec les émetteurs les moins résistifs. La diminution de la
résistivité de l‟émetteur engendre une diminution des pertes résistives dans l‟émetteur en
face avant et dans les trous. Par mesure TLM, nous avons déterminé que la résista nce de
contact au niveau de l‟émetteur était inférieure à 5 mΩ.cm -2 pour les émetteurs A, B, C
alors que 20 mΩ.cm -2 ont été mesurés pour l‟émetteur standard.
128
La mise en place d‟un émetteur sélectif ne permettra certes pas d‟atteindre de si
faibles valeurs de résistance série mais avec un bon choix de la résistivité de l‟émetteur
en face avant, nous pourrons obtenir un gain par rapport au procédé standard.
Avec la barrière de diffusion 1, la résistance parallèle R p voit sa valeur décroître
en allant vers les émetteurs de plus faible résistivité. Cette dégradation affecte fortement
le facteur de forme pour l‟émetteur le plus dopé A en masquant le gain obtenu au niveau
de la résistance série. La BD 2 n‟est, par contre, pas affectée par ce problème et permet
même d‟obtenir des R p supérieures à celles obtenues sur les cellules standard. Une étude
antérieure avait été réalisée pour comparer la BD 1 et 2 au niveau du procédé standard.
Les résultats obtenus étaient identiques, ce qui n‟est pas notre cas dans cette étude, avec
des émetteurs plus dopés. Nous montrons ici que la BD 1 se dégrade avec des
températures de diffusion élevées et nous avons choisi d‟utiliser la BD 2 pour les
prochains tests d‟émetteur sélectif.
Js1
Js2
Figure V-5 : Extraction des paramètres internes aux cellules réalisées avec différents
dopages d’émetteur.
Les résultats, en Figure V-5, montrent une diminution du courant J s2 avec les
émetteurs A, B et C. Ces derniers étant plus dopés et plus profonds que l‟émetteur
standard, il est fortement possible que l‟amélioration de J s2 soit due à l‟augmentation de
la profondeur de la ZCE qui la rend moins sensible aux recombinaisons. Cette
supposition est en accord avec la mesure de résistance parallèle élevée obtenue avec les
émetteurs A, B, C (BD 2). En effet, lors du recuit des contacts N, la pâte de sérigraphie
grave légèrement l‟émetteur en surface et peut suivant la profondeur de l‟émetteur court circuiter la jonction. Dans notre cas, les émetteurs A, B et C sont plus profonds que
l‟émetteur standard donc moins sensibles à ce type de court-circuit. Cet effet permet
d‟améliorer J s2 et d‟obtenir de bonne valeur pour R p.
129
En conclusion, l‟augmentation du dopage permet de diminuer J s2 et la résistance
série. La barrière de diffusion 2 est, dans ce cas, la plus adaptée à la réalisation de
structure à émetteur sélectif. Elle permet d‟obtenir des cellules présentant une meilleure
résistance parallèle (moins de dégradation à haute température), une résistance série
faible, un J s1 faible, le tout permettant d‟obtenir un meilleur FF, V co et rendement. Au
niveau du procédé de diffusion, l‟émetteur B permet d‟obtenir le meilleur compromis au
niveau du FF et J s2.
V.4.2 - Premiers tests sur la passivation surfacique et volumique
Comme nous l'avons vu précédemment, la réalisation d‟une structure à émetteur
sélectif passe par un dopage différentiel entre la face avant et la face arrière. Dans la
littérature, il existe de nombreux moyens pour réaliser ce type de structure : pâte
métallique dopante[23], sérigraphie de pâte dopante suivie d‟une diffusion[24], gravure
sélective d‟émetteur[25], diffusion locale à l‟aide d‟un laser[26], Spray-on[24], Spinon[27]. Certains de ces procédés ont été expérimentés au sein d‟Advent Solar et j‟étais
responsable au cours de mon stage d‟une de ces techniques. Cette dernière ne peut pas
être dévoilée pour l‟instant car elle fait l‟objet d‟un dépôt de brevet. Nous pouvons
simplement dire que la formation de l‟émetteur en face avant et arrière est réalisée par
diffusion thermique de POCl 3 .
Le choix de la résistance de l‟émetteur en face avant a été déterminé par des
simulations pour améliorer : la réponse spectrale dans les courtes longueurs d‟onde, la
passivation, mais aussi pour obtenir une faible résistance série.
Dans le cadre de cette première étude, nous nous sommes intéressés aux
différents points suivants:
 Vérifier que notre procédé d‟émetteur sélectif ne dégrade pas la durée de vie des
porteurs minoritaires dans le substrat (τ substrat).
 Déterminer l‟influence de l‟émetteur faiblement et fortement dopé sur la
passivation de surface.
 Tester la qualité de passivation de notre procédé d‟émetteur sélectif.
Ce test a été réalisé à l‟aide du système de mesure Sinton Lifetime tester. Nous
avons utilisé pour cette étude des plaques de silicium multicristallin qui ont été diffusées
de façon à avoir les trois lots suivants :
 Le lot A contient des substrats recouverts de l‟émetteur faiblement dopé sur
leurs deux faces.
 Le lot B est composé de plaques présentant l‟émetteur fortement dopé sur toutes
leurs surfaces.
 Les substrats du lot C sont réalisés suivant notre procédé d‟émetteur sélectif. Ils
présentent en face avant un émetteur faiblement dopé (identique au l ot A) et en
face arrière un émetteur fortement dopé (identique au lot B).
Les résultats de mesures de durée de vie des porteurs minoritaires sont présentés
dans le Tableau V-1.
130
En comparant le lot B (diffusion forte) et A (diffusion légère), on remarque que
leurs τ sont respectivement égaux à 11 et 4µs sans passivation de surface mais que ces
valeurs passent à 18 et 30µs après dépôt et recuit du SiN. Le τ substrat est mesuré à la fin
du process après gravure de l‟émetteur et passivation à l‟Iodine–méthanol. La formation
d‟un émetteur fortement dopé en surface ou faiblement dopé permet d‟obtenir le même
τsubstrat environ égal à 65µs. La durée de vie dans le substrat étant la même, on remarque
que le SiN x permet une meilleure passivation de l‟émetteur faiblement dopé (lot A) que
de l‟émetteur fortement dopé (lot B). Cependant, sans couche de passivation, le wafer
présentant l‟émetteur le moins dopé (lot A) est plus sensible à la recombinaison en
surface que le lot B.
Cette première conclusion dévoile l‟un des intérêts de l‟application de
l‟émetteur sélectif aux cellules EWT. La face avant ayant un émetteur faiblement dopé
permettra d‟obtenir une bonne passivation surfacique alors que la face arrière qui est
recouverte par les contacts doit présenter un émetteur fortement dopé pour limiter
l‟influence des recombinaisons silicium-métal.
Sans couche de passivation
Dépôt de SiN sur les deux
faces
SiN + recuit des contacts
τsubstrat (iodine-méthanol)
Durée de vie des porteurs
minoritaires (µs)
Lot A
Lot B Lot C
4
11
5
8
11
8
30
66
18
64
26
61
Tableau V-1 : Récapitulatif des mesures de durée de vie des porteurs minoritaires réalisées
suivant les différents procédés A, B et C. Les valeurs (µs) représentées sont des moyennes sur
10 mesures prises à une densité de porteurs minoritaires (MCD) de 5.1014cm-3.
Le lot C qui présente la structure d‟émetteur sélectif, permet d‟obtenir après
dépôt et recuit du SiN x un τ de 26µs. Cette valeur est légèrement plus faible que celle
obtenue avec le lot A (30µs). Les deux wafers présentent pourtant le même émetteur en
face avant mais la face arrière du lot C est plus dopée. Comme nous l‟avons vu pour le
lot B, un émetteur fortement dopé entraîne une moins bonne passivation de surface par
SiNx et limite ainsi la valeur de τ. La face arrière de la structure EWT est en réalité,
majoritairement recouverte de métal ce qui entraîne de fortes recombinaisons en surface
donc la présence d‟un émetteur plus dopé est dans ce cas préférable. Le τ substrat est plus
faible pour le lot C que pour les deux autres lots. Cette différence montre peut -être une
légère dégradation du τ substrat avec notre nouveau procédé.
Nous avons validé dans cette étude que notre procédé d‟émetteur sélectif
permet de cumuler les avantages de l‟émetteur faiblement dopé et fortement dopé et
qu‟il n‟entraîne pas de fortes dégradations du τ substrat .
131
V .5 - La réalisation de cellules EWT par émetteur sélectif
Les deux études précédentes nous ont permis de déterminer :
 Le dopage à appliquer sur la face arrière.
 La barrière de diffusion à utiliser
 La pertinence d‟une structure à émetteur sélectif
 La bonne passivation du SiN x sur un émetteur faiblement dopé
A partir des ces différents résultats, nous avons décidé de réaliser des cellules
EWT à l‟aide du procédé à émetteur sélectif.
V.5.1 - Réalisation de cellules EWT à émetteur sélectif
Deux lots de cellules ont été fabriqués, l‟un à partir du procédé standard et
l‟autre par le procédé d‟émetteur sélectif. Les étapes communes à chacun des lots ont été
réalisées en même temps et le même tube a été utilisé pour toutes les diffusions.
Figure V-6 : Comparaison sous éclairement des cellules EWT à émetteur sélectif par rapport
à l’utilisation de l’émetteur standard.
Les résultats sous éclairement avec les deux procédés sont présentés sur la
Figure V-6. L‟émetteur sélectif permet d‟obtenir une augmentation du courant de courtcircuit de 0.6mA/cm 2, un gain en V co de 12mV, le facteur de forme gagne 2.5% absolu
et le rendement est amélioré de 1% absolu. Ce résultat est très encourageant et montre
l‟énorme intérêt de l‟émetteur sélectif sur cette structure.
132
L‟extraction des paramètres, présentée en Figure V-7, montre que le courant J s1
est plus faible par le procédé d‟émetteur sélectif que le procédé standard. Ce résultat
confirme bien le gain mesuré au niveau de V co (Figure V-6). Il y a donc avec ce procédé
une diminution des recombinaisons.
Js1
Js2
Figure V-7 : Paramètres cellules extraits des mesures SunVoc et sous éclairement
Au niveau de J s2, on a la même tendance mais elle est beaucoup plus marquée.
Entre le process standard et celui à émetteur sélectif, ce courant de recombinaison est
divisé par deux et il permet d‟améliorer ainsi le facteur de forme. Ce gain avait déjà été
remarqué lors des premiers tests et il est probablement la conséquence de deux
phénomènes : une meilleure passivation de la face avant et une jonction plus profonde
sur la face arrière limitant l‟effet des recombinaisons dues aux contacts.
La résistance série voit sa valeur passer en moyenne de 1,95 à 1,82 Ohm.cm 2.
Une cellule atteint même les 1,6 Ohm.cm 2, valeur qui avait été obtenue en moyenne lors
des tests préliminaires avec un émetteur fortement dopé sur toute la surface de la cellule
(Figure V-5). L‟augmentation de dopage dans les trous et en face arrière permet de
compenser la plus forte résistivité de l‟émetteur en face avant au niveau de la résistance
série et permet même d‟obtenir des valeurs plus faibles que celles obtenues avec le
procédé standard.
Au niveau de la résistance parallèle, le gain mesuré est probablement dû à une
jonction arrière plus profonde limitant les courts circuits. Les cellules présentent des
résistances parallèles de plus de 2000 Ohm.cm 2 qui sont suffisantes pour ne pas limiter
le Facteur de Forme. Ce dernier sera, dans notre cas, plus limité par la résistance série et
par J s2.
133
La mesure IQE, Figure V-8, montre l‟importante différence de réponse spectrale
dans les courtes longueurs d‟onde (350-550nm) de la structure à émetteur sélectif par
rapport à la structure standard. Cet écart de réponse spectrale est en ac cord avec le gain
J cc de 0,6 mA/cm 2 mesuré (Figure V-6) avec la structure à émetteur sélectif.
a)
b)
Figure V-8 : Réponse spectrale des cellules avec et sans émetteur sélectif. a) réponse IQE de
chacune des structures. La courbe verte correspond à (IQEES – IQESTD)/IQESTD. b) Mesures de
réflectivité et EQE.
A l‟aide du logiciel PC1D, des mesures IQE et des profils de dopage, nous
avons simulé notre structure pour en ressortir la vitesse de recombinaison en surface et
la durée de vie dans le substrat. PC1D ne permet pas de simuler l‟intégralité de la
structure EWT car il ne fonctionne pas avec une structure n/p/n. Nous avons donc
simulé uniquement la première moitié de la cellule qui a une structure n/p. De cette
extraction, nous avons déterminé que la vitesse de recombinaison en face avant est de
5.105 cm.s -1 avec l‟émetteur standard et qu‟elle chute à 3.10 -4cm.s-1 dans le cas de la
structure à émetteur sélectif. La simulation nous donne par contre un τsubstrat de 15µs sur
chacune des cellules.
La courbe verte, sur la Figure V-8(a), correspond au gain obtenu grâce à
l‟émetteur sélectif par rapport au procédé standard. On observe alors, pour les grandes
longueurs d‟onde, un gain qui atteint les 20 à 30%. Cette amélioration est probablement
liée à l‟augmentation de dopage de l‟émetteur en face arrière qui limite la vitesse de
recombinaison au niveau des contacts.
Sur la Figure V-8(b), le tracé de la réponse EQE montre une différence moins
importante entre les deux structures par rapport aux mesures IQE. En effet, dans la
mesure EQE, la réponse spectrale est pondérée par la réflectivité de la cellule. Cette
réflectivité est, dans notre cas, élevée pour les courtes longueurs d‟onde et cet effet
amoindrit le gain que l‟on peut obtenir avec une structure à émetteur sélectif. La
texturisation permet de diminuer la réflectivité et conjuguée à l‟émetteur sélectif, ces
deux procédés permettront d‟obtenir de bons résultats comme nous le verrons dans la
partie V-6.
134
V.5.2 - Evolution de la durée de vie entre le procédé standard et le procédé à
émetteur sélectif
Pour mieux comprendre les améliorations engendrées par la structure à émetteur
sélectif, nous avons engagé une étude sur la passivation de la cellule en comparant ce
nouveau procédé avec le standard. Ce test a été effectué à partir de plaquettes de
silicium conventionnellement utilisées pour fabriquer des cellules. La caractérisation est
réalisée à l‟aide du système de mesure de durée de vie Sinton consulting.
Durant l‟expérience, les plaques subissent chacune les étapes de réalisation des
deux procédés mise à part la formation des trous dans la plaques, la sérigraphie des
contacts et aucune couche de SiN x n‟a été déposée en face arrière pour simuler les
recombinaisons surfaciques dues aux contacts. Après chaque traitement thermique, des
plaques ont été retirées du lot pour déterminer le τ substrat (gravure de l‟émetteur +
passivation à l‟iodine-méthanol). Les mesures du τcellule correspondent au τ de la
structure juste à la sortie de l‟étape technologique.
Figure V-9 : Evolution de la durée de vie au cours des deux procédés de fabrication. Le τ a
été déterminé à un MCD d’environ 1016cm-3 et moyenné sur au moins 10 mesures.
On peut premièrement remarquer sur la Figure V-9 que le τ substrat augmente lors
de chaque traitement thermique. Les diffusions et le recuit des contacts ont un apport
positif sur la longueur de diffusion dans le substrat. Cependant, le procédé standard
permet d‟obtenir un τ substrat supérieur à celui obtenu avec le procédé à émetteur sélectif.
Au niveau des cellules, on remarque à la fin du procédé que le τ cellule est plus
élevé pour la structure à émetteur sélectif que pour le procédé standard. Cette différence
est due à une meilleure passivation des surfaces avec l‟émetteur sélectif malgré un
τsubstrat plus faible. Un phénomène similaire avait déjà été obtenu lors des premiers tests
(Tableau V-1).
Ces résultats sur la passivation de la cellule sont en accord avec les résultats
obtenus au niveau des mesures sous éclairement. Un meilleur τ cellule, obtenu avec
l‟émetteur sélectif, correspond à l‟obtention d‟un meilleur V co, J s2 , J s1 (Figure V-7). Au
niveau de la comparaison avec les mesures d‟IQE, la meilleure passivation de surface se
caractérise ici par un ratio (τ cellule / τsubstrat) plus fort pour le procédé à émetteur sélectif.
L‟ordre de grandeur du τ substrat est respecté entre les deux méthodes mais la comparaison
des IQE ne montre pas un τ substrat plus faible pour la structure à émetteur sélectif. Lors de
la mesure de durée de vie, l‟Al-BSF n‟est pas formé, son effet sur l‟hydrogénation du
substrat n‟est pas pris en compte et cela peut expliquer cette différence.
135
V .6 - Le rôle de la texturisation de surface
Comme nous l‟avons vu dans la partie précédente, l‟application de l‟émette ur
sélectif entraîne une amélioration du rendement des cellules. Cette amélioration est due
à une meilleure passivation globale de la cellule dont principalement la face avant qui
permet ainsi d‟obtenir une meilleure réponse spectrale pour les courtes long ueurs
d‟onde. Cependant cette amélioration est fortement pondérée par la réflectivité de la
face avant, nous développerons dans cette partie un moyen pour la faire diminuer à
l‟aide de la texturisation de surface.
V.6.1 - L’effet de la texturation sur le procédé standard
La texturisation de la face avant, comme nous l‟avons vu dans le chapitre III,
permet de diminuer la réflectivité et ainsi augmenter la quantité de lumière qui rentre
dans la cellule. Le courant de court-circuit est alors accru ainsi que le rendement.
Nous avons testé l‟implémentation de la texturisation sur le procédé standard. À
partir d‟un même lot de substrats, une partie a été texturée et l‟autre non. Le lot de
wafers a ensuite été rassemblé et les cellules ont été fabriquées suivant le procé dé
standard.
Figure V-10 : Influence sous éclairement de la texturation de surface
Les résultats sous éclairement présentés sur la Figure V-10 montrent que la
texturisation permet d‟augmenter le courant de court-circuit de 1,7 mA/cm 2 . La tension
de circuit ouvert est aussi améliorée. Au niveau du facteur de forme, nous avons mesuré
une légère dégradation de 70,7% à 69,5%. Le rendement, sensible à l‟augmentation de
J cc, subit un fort gain, la texturation fait passer le rendement de 14,7% à 15,3%.
136
L‟extraction des paramètres, Figure V-11, montre que le facteur de forme est
dégradé du fait d‟une chute de la résistance parallèle et d‟une augmentation du courant
J s2. Le courant J s1 est, par contre, amélioré avec la texturisation de surface en lien avec
le gain en V oc.
Js1
Js2
Figure V-11 : Extraction des paramètres mesurés sous éclairement et SunVoc entre cellule
avec texturisation de la face avant ou pas.
La dégradation de la résistance parallèle provient d‟une plus forte rugosité de la
face arrière sur les plaques texturées que non texturées. Dans ce procédé de texturation,
les plaques subissent une gravure de la face arrière prolongée dans le bain de KOH.
Cette solution de gravure anisotropique engendre pour le Si multicristallin des
différences de niveau entre les grains qui facilitent les courts circuits. Une méthode pour
pallier à cet effet sera présentée dans la partie V-7.
137
V.6.2 - Emetteur sélectif sur plaques texturées
À partir de nos expériences précédentes, nous avons réalisé des cellules à
émetteur sélectif présentant en face avant une texturation
Figure V-12 : Caractéristiques sous éclairement des cellules EWT avec émetteur sélectif et
texturation de surface
La Figure V-12 nous permet de comparer la réponse sous éclairement des
cellules à émetteur sélectif, texturées ou non, par rapport aux cellules standard. Les
caractéristiques sous éclairement obtenues avec le procédé standard sont beaucoup plus
faibles que celles mesurées généralement (Figure V-10). Cette dégradation est due à une
pollution atmosphérique qui a affecté tous les lots (standard, émetteur sélectif, émetteur
sélectif + texturation) lors de leurs réalisations.
La texturisation et l‟émetteur sélectif permettent d‟obtenir un gain en courant de
2mA/cm2 par rapport au procédé standard : 0,7 mA/cm 2 sont dus à l‟émetteur sélectif
seul et 1,3 mA/cm 2 à l‟ajout de la texturation. Un gain de 1,7mA/cm 2 avait été mesuré
précédemment par l‟application de la texturation sur le procédé standard ( Figure V-10).
En comparant ces mesures, la texturation permet d‟obtenir un gain en courant supérieur
avec le procédé standard qu‟avec l‟émetteur sélectif. Ce résultat est très surprenant car
d‟après les IQE (Figure V-8) la texturation, diminuant la réflectivité sur tout le spectre,
devrait avoir un effet plus important sur la structure à émetteur sélectif. Ce phénomène
n‟a pas été expliqué et est sujet à une nouvelle étude.
La tension de circuit ouvert augmente grâce à l‟émetteur sélectif de 10mV,
l‟ajout de la texturation ne modifie, par contre, pas sa valeur. Au niveau du facteur de
forme, les cellules avec émetteur sélectif permettent d‟obtenir de meilleurs résultats,
cependant le FF est plus faible avec le lot texturé.
138
L‟extraction des paramètres, Figure V-13, montre que la résistance série est
moins importante avec l‟émetteur sélectif. Ce phénomène est dû à une meilleure
conductivité des trous et une plus faible résistance de contact sur l‟ém etteur. Comme
dans l‟étude précédente, la résistance parallèle et J s2 sont affectés par la texturation ce
qui limite le FF. La passivation de la cellule est améliorée avec l‟émetteur sélectif et la
texturation comme le montre l‟évolution de J s1.
Js1
Js2
Figure V-13 : Extraction des paramètres cellules avec émetteur sélectif et texturisation
En conclusion, le rendement est amélioré de 1,3% absolu avec l‟apport de
l‟émetteur sélectif et de la texturisation. En imaginant que cet écart soit conservé, sans
le problème de pollution atmosphérique, les cellules atteindraient les 16.5%. Nous
n‟avons malheureusement pas eu le temps de refaire cette manipulation.
139
V .7 - Gravure du silicium multicristallin à l’aide du TMAH
Plusieurs expériences réalisées au sein d‟Advent Solar, comme nos essais de
texturisation, ont montré que les cellules EWT en silicium multicrist allin sont sensibles
à la rugosité de la face arrière. Cette rugosité est principalement due aux différences de
niveau entre les grains de silicium qui composent le substrat. Avant la réalisation de la
cellule, la surface des substrats est gravée à l‟aide d‟une solution alcaline (KOH, NaOH)
qui attaque de façon anisotrope les grains de silicium d‟orientations cristallines
différentes formant ainsi des paliers. Ces écarts peuvent engendrer des discontinuités
lors de l‟impression de la barrière de diffusion qui se traduisent par des courts circuits et
une résistance parallèle faible sur les cellules.
Pour atténuer cet effet, nous nous sommes intéressés aux solutions alternatives
de gravure. Les solutions acides à base d‟acide fluoridrique et nitrique permetten t de
graver de façon isotopique les différents grains mais leurs coûts d‟utilisation et de
retraitement sont trop élevés. Nous nous sommes alors intéressés au TMAH (Tétra
Méthyle Ammonium Hydroxyde) qui est une solution de gravure anisotrope du silicium
que nous avons largement présentée dans le chapitre III. Cette solution présente
l‟avantage d‟avoir une vitesse de gravure du silicium moins sélective par rapport à son
orientation cristallographique que les solutions alcalines (KOH, NaOH)[28].
(100)
(110)
(111)
référence
TMAH (5%, 60°C)
0.33 (0.52)
0.64 (1)
0.026 (0.04)
[28]
KOH (30%, 70°C)
0.797 (0.548) 1.455 (1) 0.005 (0.004)
[30]
Tableau V-2 : Vitesse de gravure du silicium suivant ses plans cristallographiques avec du
KOH et TMAH. vitesse normalisée par rapport au plan (110)
D‟après le Tableau V-2, la vitesse normalisée de gravure du plan (111) est 10
fois plus élevée avec le TMAH qu‟avec le KOH. Cette valeur reste cependant faible par
rapport à la vitesse de gravure du plan (110). En effet, pour une gravure de 10µm du
plan (110) seulement 0,4µm du plan (111) sont gravés avec du TMAH et 0,04µm pour le
KOH. La différence de niveau est donc de 9,6µm pour le TMAH et 9,96µm pour le
KOH. Dans ce cas l‟utilisation du TMAH n‟a que très peu d‟intérêt. Par contre, dans le
cas où on désire graver au moins 0,2µm sur tous les grains du silicium, l‟intérêt de
l‟utilisation du TMAH est plus marqué. En effet, pour graver 0,2µm du plan (111), qui
est le plus lent à graver, le TMAH et le KOH graveront respectivement 5 et 50µm du
plan (110). La différence de niveau est donc de 4,8µm avec du TMAH et 49,2µm pour le
KOH. L‟utilisation du TMAH limite donc la hauteur entre les paliers et une économie
sur la quantité de silicium gravée est réalisée.
140
Nous avons donc effectué une étude comparative entre la solution couramment
utilisée et l‟utilisation du TMAH pour enlever les défauts de coupe avant la réalisation
des cellules. 15 minutes sont nécessaires au TMAH pour graver la même quantité de
silicium que le procédé standard et comme les plans sont gravés plus uniformément,
nous avons tenté de diminuer ce temps et ainsi de réduire la quantité de silicium gravée.
Des cellules avec le procédé standard ont été ensuite réalisées et leurs caractéristiques
sous éclairement sont présentées sur la Figure V-14.
Figure V-14 : Caractéristiques sous éclairement des cellules suivant le procédé de nettoyage
utilisé (m : minutes dans le bain de gravure)
Les cellules ayant été gravées dans le bain de TMAH présentent des rendements
plus faibles que ceux obtenus à l‟aide du procédé standard. Cette dégradation est due à
une chute de la tension de circuit ouvert et du facteur de forme. L‟extract ion des
courants d‟obscurité, Figure V-15, montre une détérioration de la passivation de la
cellule.
141
Les résistances parallèles obtenues avec le TMAH pour des temps de gravure de
10 à 20 minutes sont satisfaisantes mais n‟excèdent pas les valeurs obtenues avec le
procédé standard. Avec 5 minutes de gravure, les défauts de coupe ne sont probablement
pas totalement enlevés et cela explique la plus faible valeur de la résistance parallèle.
Js1
Js2
Figure V-15 : Extraction des paramètres Sun Voc/LIV
La dégradation de V oc, J s1 et J s2 semble liée à un problème de pollution. Ce
phénomène est surprenant car le TMAH est préféré en microélectronique aux solutions
alcalines pour sa propreté et pour l‟absence d‟ions alcalins qui, s‟ils ne sont pas bien
enlevés, dégradent le matériau lors des étapes à haute température. Le TMAH laisse des
résidus organiques à la surface du silicium qui sont brûlés lors de la diffusion thermique
mais qui probablement interagissent avec la barrière de diffusion. L‟application d‟un
nettoyage chimique après la gravure avec une solution de H 2SO4 :H2O2 serait nécessaire
mais trop coûteuse pour la fabrication de cellules.
142
V .8 - La passivation surfacique par Oxyde Nitrure
La passivation des surfaces est un point essentiel pour l‟obtention de cellules à
haut rendement. Depuis quelques années, des équipes de recherche [31] [32][33] ont
obtenu de très faible S eff par croissance ou dépôt d‟oxyde suivis d‟un dépôt de nitrure de
silicium. Ji Young Lee et al. ont montré ce résultat dans une de leurs études [31] où ils
investiguent sur des émetteurs faiblement et fortement dopés au phosphore mais aussi
sur des substrats de type P non diffusés. Ils comparent alors les valeurs obtenues avec
d‟autres types de passivation SiO thermique, SiO déposé et SiN x. Leur étude montre que
quelle que soit la surface à passiver (avec ou sans émetteur), la meilleure passivation est
obtenue par un oxyde de silicium thermique recouvert d‟un dépôt de nitrure de silicium.
Ce résultat s‟explique par le rôle de chacune de ses couches : l‟oxyde de silicium
présente une faible quantité d‟état d‟interface quant il croît sur le silicium, et le nitrure
de silicium, par sa forte concentration en charges fixes, améliore cette passivation par
effet de champ. Le SiN x présente aussi une forte quantité de H [17] qui lors d‟un recuit
passive les liaisons pendantes en surface et dans le cas du silicium multicrist allin permet
l‟hydrogénation du substrat[34]. Dans l‟étude de Ji Young Lee, l‟oxyde est réalisé à
1050°C pendant 38 minutes sur des substrats FZ monocristallins ; cette température est
trop élevée pour des substrats multicristallins qui subiraient, dans ce cas, une forte
dégradation de leur longueur de diffusion [22]. Nous avons donc choisi une température
plus faible d‟oxydation (600°C pendant 30 min).
V.8.1 - Caractérisation de la passivation par SiO2/SiNx
Nous avons aussi testé cette passivation par une étude sur la durée de vie des
porteurs minoritaires. A partir de plaques appairées, nous avons formé l‟émetteur
standard sur chacune des faces puis, sur une partie du lot, nous avons réal isé l‟oxydation
thermique. Les wafers ont ensuite été recouverts d‟un dépôt de nitrure de silicium sur
chacune de leurs faces, suivi du recuit standard utilisé pour les contacts.
Figure V-16 : Comparaison de la passivation SiN et SiO/SiN sur l'émetteur standard. τ
mesuré à une densité de porteurs minoritaires de 1015cm3
143
On remarque que la durée de vie augmente lors du recuit pour chacune des
structures, Figure V-16. Cette augmentation est probablement entraînée par la diffusion
d‟hydrogène depuis la couche de SiN x. L‟écart entre la passivation par une simple
couche SiN x et le SiO/SiN est faible mais en faveur de la double couche.
V.8.2 - Réalisation de cellules présentant une passivation par double couche SiO 2/
SiNx
A partir d‟un même lot de substrats, nous avons réalisé sur une partie des
cellules l‟étape d‟oxydation avant le dépôt du nitrure de silicium. L‟épa isseur de SiO2
modifiant la réflectivité des cellules en face avant, l‟épaisseur de SiN x a été diminuée
pour obtenir une couche antireflet comparable à la couche de SiN x seule.
Figure V-17 : Comparaison sous éclairement des cellules avec SiN ou SiO/SiN en CAR
Les résultats obtenus, Figure V-17, sous éclairement sont identiques, il n‟y a pas
d‟amélioration engendrée par la double couche SiO/SiN par rapport à une simple
couche. Pour confirmer ce résultat nous avons réalisé des mesures d‟IQE sur chaque
type de cellules.
Les résultats présentés en Figure V-18, montrent un léger gain avec la double
couche SiO/SiN pour les courtes longueurs d‟onde, cependant cette différence n‟est pas
observée sur les courbes sous éclairement car l‟épaisseur de la couche antireflet n‟est
pas optimisée dans le cas de la double couche SiO/SiN. Cette amélioration est dans tous
les cas faible comme l‟avait montré notre étude précédente de durée de vie.
144
Dans la littérature, on trouve que la passivation par double couche SiO 2/SiN x est
meilleure par rapport à une simple couche de SiN x principalement pour les émetteurs
faiblement dopés [31]. Cette étude intéressante n‟a pas pu être faite par manque de
temps lors de mon stage mais ce point sera à expérimenter pour améliorer la passivat ion
de la structure à émetteur sélectif.
Figure V-18 : Mesures IQE et réflectivité de cellules avec une passivation SiO/SiN
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons abordé la cellule à contacts arrière EWT (Emitter
Wrap Through). Contrairement aux cellules à jonction arrière, cette structure peut être
fabriquée sur du silicium multicristallin de faible longueur d‟onde et ses nombreux
avantages ont incité la société Advent Solar à les produire de façon industrielle. Nous
avons détaillé le fonctionnement et les avantages de cette structure. Certains points
spécifiques à leur fabrication ont été dénombrés et nous avons brièvement présenté la
société Advent Solar ainsi que son procédé. Cette société m‟a accueilli pendant trois
mois pour implémenter leurs cellules EWT d‟un émetteur sélectif. A travers ce chapitre,
nous avons cité les mesures et caractérisations qui nous ont permis d‟atteindre ce but.
Un gain en rendement de 1% absolu a été obtenu avec ce nouveau procédé et sa
réalisation a été liée à la mise en place de la texturation. Ce chapitre fini sur deux études
visant à augmenter la valeur de la résistance parallèle et la passivation des cellules.
145
Bibliographie du Chapitre V
[1]
GLUNZ S.W., DICKER J. , KRAY D. et al. High-efficiency cell structures for
medium-quality silicon. Proceedings of the 17th European Photovoltaic Solar Energy
Conference, Munich, Germany, pp.1287-1291.
[2]
GEE J. M., HACKE P., SUMMER M. et al. Towards a manufacturable back-contact
Emitter-Wrap-Through silicon solar cell. Proc. 31st IEEE PVSC, Florida, USA, pp. 16631667.
[3]
GEE J. M., GARRETT S.E., MORGAN W.P. Simplified module assembly using
back-contact crystalline silicon solar cells, Proc. 26th IEEE PVSC, Anaheim, 1997, pp. 10851088
[4]
GEE J. M., SCHUBERT W.K., BASORE P.A. Emitter-Wrap-Through Solar Cell,
Proc. of the 23rd IEEE. Photo. Spec. Conf, Louisville, U.S.A., 1993, pp. 265-271.
[5]
SMITH D.D., GEE J.M., BODE M.D. et al. Circuit modeling of the emitter-wrapthrough solar cell, IEEE Trans. Elec. Dev. ED-46, No.10, 1999, pp.1993-1999.
[6]
SCHOENEKER A., DE MOOR H.H.C., BURGER A.R. et al. An Industrial MultiCrystalline EWT Solar Cell with Screen Printed Metallization, 14th European PVSEC, 1997,
pp. 796-799.
[7]
ENGELHART P., TEPPE A., MERKLE A. Merkle et al. The RISE-EWT Solar Cell –
A New Approach Towards Simple High Efficiency Silicon Solar Cells, 15th Intern.
Photovolt. Sc.& Eng. Conf., 2005, pp. 802-803.
[8]
HACKE P., GEE J.M., HILALI M. et al. Current status of technologies for industrial
emitter wrap-through solar cells”, 21st PVSEC, Dresden, Germany, 2006 pp.761-764.
[9]
LEISTIKO O. The Waffle cell: A new photovoltaic diode geometry having high
efficiency and backside contacts, Proc. 1st WCPEC, Hawaii, 1994, pp. 1462-1465.
[10] FATH P., MARCKMANN C., BUCHER E. et al. Multicrystalline silicon solar cells
using a new high throughput mechanical texturization technology and a roller printing
metallization technique, Proc. 13th EC PVSEC, Nice, 1995, pp. 29-32.
[11] WILLEKE G., FATH P. Mechanical wafer engineering for semitransparent
polycrystalline silicon solar cells, Appl. Phys. Lett., vol. 64 (10), 1994, pp. 1274-1276.
[12] HEMBREE D.R., AKRAM S. Method and apparatus for ultrasonic wet etching of
silicon, US Patent 6124214, 1998.
[13] GEE J. M., GARRETT S.E., MORGAN W.P. Simplified module assembly using
back-contact crystalline silicon solar cells, Proc. 26th IEEE PVSC, 1997, pp. 1085-1088.
[14] KERSCHAVER E.V., BEAUCARNE G. Back-contact solar cells : a review, Prog.
Photovolt: Res.Appl., vol. 14, 2006, pp.107-123.
[15] HILALI M., NAKAYASHIKI K., EBONG A. et al. High-efficiency (19%) Screenprinted Textured Cells on Low-resistivity Float-zone Silicon with High Sheet-resistance
Emitters, Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 14, 2006, pp. 135–144.
[16] KUHN R., FATH P., BUCHER E. Effects of pn-Junctions Bordering on Surfaces
Investigated by Means of 2D-Modeling, Proc. 28th IEEE PVSC, 2000, pp.116-119.
[17] FAIKA K., WAGNER M., FATH P. et al. Simplification of EWT (Emitter WrapThrough) Solar Cell Fabrication using Al-P-Codiffusion, Proc. 28th IEEE PVSC, 2000, pp.
260-263.
[18] JOOSS W., NEU W., FAIKA K. et al. Process and technology development for back
contact silicon solar cells” 29th IEEE PVSEC, 2002, pp. 122-125.
[19] KRESS A. Emitterverbund-Rückkontaktsolarzellen für die industrielle Fertigung,
PhD-thesis, University of Konstanz, Germany, 2001, pp. 185.
[20] KRESS A., TOELLE R., BRUTON T.M. et al. 10x10 cm2 screen printed back contact
cell with a selective emitter, Proc. 28th IEEE PVSC, 2000, pp. 213-216
146
[21] ABERLE A.G., LAUINGER T., SCHMIDT J. et al. Injection-level dependent surface
recombination velocities at the silicon-plasma silicon nitride interface, Appl. Phys. Lett.,
vol.21, 1995, pp. 2828-2830.
[22] SCHULTZ O., GLUNZ S.W., WILLEKE G.P. Multicrystalline Silicon Solar Cells
Exceeding 20% Efficiency, Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 12, 2004, pp. 553–558.
[23] PLETZER T., WINDGASSEN H., STEGEMANN E et al. Screen Printed Phosphorus
Emitter for Industrial Thin Multi-Crystalline Silicon Solar Cells, 21st European Photovoltaic
Solar Energy Conference, 2006, Dresden, pp. 838-841.
[24] DE IULIIS S, FICCADENTI M., IZZI M. et al. Comprehensive Study of
Effectiveness of Industrial In-Situ P-Gettering on Homogeneous and Selective Emitter
Structures, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2006, Dresden, pp.11851188.
[25] ZERGA A., SLAOUI A., MULLER J.C. et al. Selective Emitter Formation for LargeScale Industrially MC-Si Solar Cells by Hydrogen Plasma and Wet Etching, 21st European
Photovoltaic Solar Energy Conference, 2006, Dresden, pp.865-869.
[26] CARLSON C., ESTURO-BRETON A., AMETOWOBLA M. et al. Laser Doping for
Selective Silicon Solar Cell Emitter, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference,
2006, Dresden, pp.938-940.
[27] BESI-VETRELLA U., SALZA E., PIROZZI L. et al. Crystalline silicon solar cells
with selective emitter made by laser overdoping RTA spin-on glasses, Proc. 14th European
Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 1997, pp. 175-178.
[28] SHIKIDA M., SATO K., TOKORO K. et al. Differences in anisotropic etching
properties of KOH and TMAH solutions, Sensors and Actuators, 2000, vol. 80, pp. 179-188.
[29] SATO K. Characterization of orientation-dependent etching properties of singlecrystal silicon: effects of KOH concentration, Sensors and Actuators A, 1988, vol. 64, pp. 8793.
[30] SEIDEL H., CSEPREGE L., HEUBERGER A. et al. Wet-chemical etching and
cleaning of silicon, J. Electrochem. Soc., vol. 137 ,1990, pp. 3626-3632.
[31] LEE J.Y., GLUNZ S.W. Investigation of various surface passivation schemes for
silicon solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006, vol. 90, pp. 82–92.
[32] SCHULTZ O., HOFMANN M., GLUNZ S.W. et al. Silicon oxide / silicon nitride
stack system for 20% efficient silicon solar cells, 31st IEEE PVSC Orlando, Florida, 2005,
pp. 872–876.
[33] HAVERKAMP H., McCANN M., HUSTER F. et al. Screen Printed Low-Cost IBC
Solar Cells - Preparatory Investigations, 20th European Solar Energy Conference and
Exhibition, 2005, Barcelona, Spain, pp. 1248-1250.
[34] McCANN M., WEBER K., BLAKERS A. Surface passivation by rehydrogenation of
silicon-nitride-coated silicon wafers, Prog. Photovolt: Res. Appl., 2005, vol. 13, pp.195-200.
147
Conclusions Générales
A l‟heure où 50% du coût d‟une cellule photovoltaïque en silicium cristallin
sont dus au substrat, de nombreux travaux de recherche visent à réduire son importance.
L‟une des solutions consiste à diminuer la quantité de silicium utilisée et donc
de réduire l‟épaisseur des substrats. Cet amincissement dégrade le rendement des
cellules conventionnelles mais cela n‟est pas obligatoirement valable pour les cellules à
contacts arrière interdigités. A travers cette thèse, deux types de cellules à contacts
arrière interdigités ont été étudiées : la cellule à jonction arrière et la cellule Emitter
Wrap Through.
Le premier chapitre de cette thèse développe les généralités concernant le
principe de fonctionnement des cellules photovoltaïques et l‟influence de différents
éléments la constituant. Nous avons introduit le procédé ELIT qui constitue un axe de
recherche de l‟ILN et cela nous a amené à décrire les objectifs de cette thèse.
Le second chapitre est dédié aux techniques de caractérisation. Ces dernières
sont présentées de façon générale et, grâce à des exemples, certaines spécificités des
cellules à jonction arrière sont dévoilées. Ces cellules ont une réponse électrique non
linéaire par rapport à l‟éclairement et cette différence par rapport aux cellules
conventionnelles peut entraîner des erreurs d‟interprétations.
Le troisième chapitre présente la fabrication des cellules à jonction arrière.
Deux procédés ont été développés. L‟un dit standard qui est réalisé à l‟aide de trois
lithographies. Ce procédé a servi de référence pour l‟étude de l‟influence des éléments
constituant les cellules car de nombreuses modifications peuvent lui être apportées
(contact partiel sur l‟émetteur, passivation arrière). Le deuxième procédé est dit auto aligné, une seule étape de masquage est nécessaire pour délimiter l‟ensemble des
éléments de la cellule. Ce protocole de fabrication a permis de réaliser des cellules sans
court-circuit de façon simple.
Une partie de ce chapitre présente aussi la texturation du silicium à l‟aide d‟une
solution de TMAH. Cette solution présente l‟avantage d‟être moins polluante que les
solutions alcalines (KOH, NaOH) couramment utilisées dans l‟industrie mais peu
d‟études ont été réalisées sur ses capacités à texturer le silicium. A travers cette thèse,
un protocole de gravure a été développé et les surfaces ainsi texturées présentent une
réflectivité relative de moins de 3% après dépôt d‟une couche antireflet de nitrure de
silicium.
Le quatrième chapitre présente les principales études et améliorations apportées
aux cellules à jonction arrière au cours de cette thèse. La passivation de la face avant est
un des points crucial car le rendement des cellules dépend principalement de sa qualité.
Le dépôt d‟une simple couche de nitrure de silicium sur le substrat c‟est révélé une
solution viable et nos premiers tests avec une double couche de SiN sont très
prometteurs. Au niveau de la face arrière, les études réalisées montrent qu‟il est
préférable d‟avoir un émetteur profond et fortement dopé. L‟efficacité des cellules a été
accrue avec la mise en place d‟un contact métallique partiel sur l‟émetteur à travers un e
148
couche de nitrure de silicium. Ce dépôt permet de passiver l‟émetteur ainsi que la zone
entre les contacts n et p. Le champ répulsif arrière (BSF) est aussi très influent. Un gain
de 0,5% absolu sur le rendement des cellules a été obtenu par le remplacem ent de l‟AlBSF par une implantation ionique de bore. Les tests sur la diminution de l‟épaisseur du
substrat ont permis d‟améliorer les performances des cellules jusqu'à 150µm et pour de
plus faibles épaisseurs la conduction des porteurs majoritaires dégrade la résistance
série. L‟ensemble de ces études ont permis de réaliser des cellules à haut rendement et
l‟une d‟entre elles présente une efficacité de 17,9% (mesurée au laboratoire). Ce résultat
est actuellement l‟un des plus hauts rendements de conversion réalisé sur silicium dans
un laboratoire français.
Notre nouveau procédé auto-aligné donne des résultats très encourageants. Les
cellules sont simples à réaliser et elles présentent un facteur de forme proche de 80%.
Nous avons montré que la géométrie des contacts est à optimiser et cette structure
permet dans l‟état actuel d‟atteindre un rendement de 9,4%.
Nos procédés de fabrication ont permis de réaliser des cellules à jonction arrière
sur des couches épitaxiées de 50µm. Leur rendement atteint 7-8% avec un procédé
standard mais les différentes améliorations présentées à travers cette thèse devraient
largement faire évoluer leurs performances.
Le cinquième chapitre présente la structure EWT et les travaux que j‟ai réalisés
au sein de la société Advent Solar. Ce type de cellule présente un bon rendement sur
silicium multicristallin et des études montrent que leur efficacité serait accrue sur
substrat fin. La fabrication de ce type de cellule devient viable industriellement avec
l‟amélioration des lasers et la société Advent Solar est actuellement la première à se
lancer dans leur commercialisation. A travers ce chapitre, les études et tests permettant
de réaliser un émetteur sélectif sur les cellules EWT industrielles sont présentés. Ce
procédé permet de limiter les recombinaisons en face avant et d‟améliorer la collecte des
porteurs en face arrière. Grâce à ce travail, le rendement des cellules a été accru de 1%
absolu sans grande modification du procédé de fabrication standard.
149
Perspectives
A travers ces lignes sont décrites quelques perspectives de recherche sur les
cellules à jonction arrière qui permettront d‟accroitre leurs performances. Ces
améliorations à apporter sont regroupées suivant leurs influences sur les éléments
constituants la cellule.
La face avant
L‟utilisation d‟une double couche de SiN en face avant s‟est révélée très
prometteuse quant à la passivation et à la diminution de la réflectivité. L‟étude de ce
type de couche doit être poursuivie et étendue aux surfaces texturées.
La formation d‟un émetteur flottant en face avant est aussi à approfondir. Lors
de nos tests, l‟émetteur utilisé n‟était pas adéquat car trop dopé et notre technique de
mesure avec shading mask ne permettait pas de caractériser cette structure de façon
fiable. Il serait donc intéressant de reprendre cette étude dans la mesure où de très
faibles vitesses de recombinaison en surface ont été obtenues avec un émetteur flottant
peu dopé passivé par une couche de SiN.
L’émetteur en face arrière et son contact
La prise de contact partiel du Ti/Pd/Ag sur l‟émetteur en face arrière permet
d‟accroître les performances des cellules. Il serait intéressant de déterminer la surface
optimum du contact émetteur-métal à réaliser afin d‟obtenir le meilleur compromis entre
la réflectivité/passivation en face arrière et la résistance de contact.
Le contact sur la base et le BSF
A travers cette thèse, on voit que les performances du BSF formé par
l‟implantation de bore sont bien supérieures à celles obtenues avec l‟Al -BSF.
L‟implantation de bore est cependant onéreuse et des travaux doivent être mis en œuvre
pour améliorer la formation de l‟Al-BSF. Cela passe par une augmentation de
l‟épaisseur du dépôt d‟Aluminium et l‟utilisation d‟une résine de lift -off plus épaisse.
Pour améliorer la conductivité des lignes de contacts, il serait aussi judicieux de
déposer, lors de la formation du contact n, une couche de Ti/Pd/Ag sur le contact p.
Le substrat
Le dernier test de cette thèse a eu pour but de déterminer l‟influence de la
résistivité du substrat sur le rendement des cellules mais une erreur de fabrication a
empêché d‟en obtenir des résultats. Cette étude doit être réitérée car l‟augmentation de
dopage du substrat devrait permettre de diminuer la vitesse de recombinaison au niveau
du BSF et ainsi permettre une amélioration du V co. De plus, les problèmes de résistance
série engendrées par les porteurs majoritaires lors de l‟utilisation de substrats fins seront
moins pénalisant car le substrat est plus conducteur.
Le développement d‟un procédé de fabrication des cellules à jonction arrière sur
substrats de type n est aussi à envisager car de très bons résultats ont été obtenus sur ce
type de matériau dans la littérature.
150
Le procédé auto-aligné
Comme nous l‟avons vu dans le quatrième chapitre, ce procédé nécessite le
développement d‟un nouveau masque pour augmenter la surface recouverte par
l‟émetteur sur la face arrière. D‟autre part, aucune couche de passivation n‟est présente
entre les contacts et sa réalisation devrait permettre d‟accroître le rendement de
conversion des cellules.
Dans la littérature, des équipes ont réussi à former de bons émetteurs (p + ) par le
recuit d‟une couche d‟aluminium sur un substrat de type n. Il est donc possible d‟étendre
notre procédé auto aligné à ce type de matériau. Le contact à la base (n +) sert dans ce cas
de masque à la gravure et l‟émetteur Al-p+ est formé au fond de la zone gravée. Cette
structure est bénéfique pour la collecte des porteurs minoritaires car l‟émetteur en face
arrière se trouve dans ce cas plus proche de la face avant que le BSF.
Développement sur substrat épitaxié
L‟ensemble des améliorations présentées à travers cette thèse sur la fabrication
des cellules à jonction arrière peuvent être appliquées à ces couches. Il est aussi prévu
de réaliser in situ l‟émetteur n + au cours de l‟épitaxie. Cette étape permettra d‟éviter
l‟étape de diffusion et la réalisation des cellules avec le procédé ELIT pourra ainsi être
simplifiée.
Taille des cellules
Tout au long de cette thèse, nous avons travaillé sur des cellules à jonction
arrière de 1,2 cm 2 . Leur faible surface les rendent très sensibles aux phénomènes de bord
et il sera donc préférable dans l‟avenir d‟augmenter leurs dimensions.
Les perspectives et améliorations à apporter aux cellules EWT ne sont pas
dévoilées dans cette thèse car ces informations sont confidentielles et leurs divulgations
pourraient nuire aux travaux de recherche engagés par Advent Solar. On peut
simplement relever que la structure EWT prendra son essor avec la produ ction et la
manipulation au niveau industriel de substrats de silicium de moins en moins épais.
151
152
Publications de l’auteur
Journaux internationaux avec comité de lecture :
Pyramidal texturing of silicon solar cell with TMAH chemical anisotropic etching
P. PAPET, O. NICHIPORUK, A. KAMINSKI, Y. ROZIER, J. KRAIEM, J-F. LELIEVRE,
A. CHAUMARTIN, A. FAVE, M. LEMITI.
Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 90, Issue 15, 22 September 2006, Pages
2319-2328.
TMAH texturisation of silicon surface
P. PAPET, O. NICHIPORUK, A. FAVE, A. KAMINSKI, M. LEMITI
Material Science, Vol. 4, n° 4, 2006.
Présentation orale dans des congrès avec comité de lecture et publication des actes
Realization of Self-aligned Back-Contact solar cells
P. PAPET, O. NICHIPORUK, S. AMTABLIAN, J. KRAIEM, J-F. LELIEVRE, J.
GREGOIRE, A. KAMINSKI, A. FAVE, M. LEMITI.
Proc. 21th European Solar Energy Conference, Dresden, Germany, 2006, pp. 758-761.
Présentation sous forme de poster dans des congrès avec comité de lecture et publication
des actes
ELIT Process: Epitaxial Layer for interdigitated back contacts on transferred solar cells
J. KRAIEM, S. AMTABLIAN, O. NICHIPORUK, P. PAPET, J-F. LELIEVRE, A. FAVE, A.
KAMINSKI, P-J RIBEYRON, M. LEMITI.
Proc. 21th European Solar Energy Conference, Dresden, Germany, 2006, pp. 1268-1272.
Interdigitated back contact solar cells on transferred silicon thin film epitaxially grown
on porous silicon
J. KRAIEM, O. NICHIPORUK, P. PAPET, J-F. LELIÈVRE, A. LAUGIER, M. LEMITI
Proc. 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference and Solar Energy,
Shanghaï, China, (October 2005).
Présentation sous forme de poster dans des congrès
Pyramidal texturing of silicon solar cell with optimised chemical anisotropic etching
containing TMAH.
P. PAPET, O. NICHIPORUK, Y. ROZIER, J. KRAIEM, J-F. LELIEVRE, J. De La TORRE,
A. FAVE, A. KAMINSKI, M. LEMITI.
Proc. 14th International Materials Research Congress, Cancun, Mexico, (August 2005).
Optimization of substrate reutilization in layer transfer process for thin film silicon
solar cells
J. KRAIEM, O. NICHIPORUK, P. PAPET, J-F. LELIEVRE, E. TRANVOUEZ, J. DE LA
TORRE, A. LAUGIER, M. LEMITI
Proc. 14th International Materials Research Congress, Cancun, Mexico, (August 2005).
153
TMAH texturisation and etching of interdigitated back contacts solar cells
P. PAPET, O. NICHIPORUK, A. FAVE, A. KAMINSKI, B.BAZERBACHI, M. LEMITI
8th International Conference on Intermolecular and Magnetic Interactions in Matter
Naleczow, Poland 8–10 September 2005
Utilisation du TMAH dans la réalisation de cellules photovoltaïques. Texturation et
cellules auto-alignées
P. PAPET, O. NICHIPORUK, J. KRAIEM, J.F. LELIEVRE, A. KAMINSKI, M. LEMITI
Colloque National sur la Recherche en Photovoltaïque, CNRS/ADEME/CEA, novembre 2005,
ADEME, Sophia-Antipolis, France.
154
155
FOLIO ADMINISTRATIF
THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES
DE LYON
NOM : PAPET
DATE de SOUTENANCE : 21/12/2007
(avec précision du nom de jeune fille, le cas échéant)
Prénoms : Pierre Roger
TITRE : NOUVEAUX CONCEPTS POUR LA REALISATION DE CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES A CONTACTS
INTERDIGITES SUR SUBSTRATS MINCES EN SILICIUM CRISTALLIN
NATURE : Doctorat
Numéro d'ordre : 2007-ISAL-0106
Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique
Spécialité : Dispositifs de l’Electronique Intégrée
Cote B.I.U. - Lyon :
/
et
bis
CLASSE :
RESUME :
L’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE (PV) EST UNE ENERGIE RENOUVELABLE TRES PROMETTEUSE
QUI PERMET UNE TRANSFORMATION DIRECTE DE LA LUMIERE DU SOLEIL EN ELECTRICITE.
CEPENDANT LE COUT DE FABRICATION DES CELLULES PV RESTE ONEREUX. POUR LA RENDRE
PLUS COMPETITIVE, L’UNE DES SOLUTIONS CONSISTE A REDUIRE LA QUANTITE DE SILICIUM
NECESSAIRE A LEUR FABRICATION.
DANS CETTE PERSPECTIVE, CETTE THESE EST CENTREE SUR L’AMELIORATION DES CELLULES
PV A CONTACTS ARRIERE INTERDIGITES SUR SUBSTRATS EN SILICIUM CRISTALLIN MINCES.
A TRAVERS CE MANUSCRIT SONT PRESENTEES DIFFERENTES TECHNIQUES DE FABRICATION
ET DE CARACTERISATION QUI, SUITE A DE NOMBREUX TESTS, ONT PERMIS DE MIEUX
COMPRENDRE LE FONCTIONNEMENT DES CELLULES A JONCTION ARRIERE. L’ENSEMBLE DE
CES RECHERCHES A ENTRAINE L’AMELIORATION DE LA PUISSANCE FOURNIE PAR CES
CELLULES JUSQU’A ATTEINDRE DES RENDEMENTS DE PLUS DE 17.5% TOUT EN DEVELOPPANT
DES PROCEDES DE FABRICATION MOINS ONEREUX.
LE DERNIER CHAPITRE EST CONSACRE A L’ETUDE ET A L’AMELIORATION DES CELLULES
INDUSTRIELLES EWT. CETTE STRUCTURE PRESENTE UN FORT POTENTIEL ECONOMIQUE CAR
SA FABRICATION NE NECESSITE PAS DE SUBSTRATS DE SILICIUM ONEREUX (SI
MULTICRISTALLIN).
MOTS-CLES : PHOTOVOLTAÏQUE, CELLULE A JONCTION ARRIERE, CELLULE EWT, OPTIMISATION,
TECHNOLOGIE, PASSIVATION
Laboratoire (s) de recherche : Institut des Nanotechnologies de Lyon
Directeur de thèse: Anne KAMINSKI, Mustapha LEMITI
Président de jury :
Composition du jury :
Invité
Rapporteur
Rapporteur
Invité
Invité
G. GOAER
G. GUILLOT
M. HILALI
A. KAMINSKI
M. LEMITI
S. MARTINUZZI
J-C MULLER
A. TERAO
Y. VESCHETTI
Directeur Technique
Docteur (U.S.A.)
Maître de Conf., HdR
Professeur
Professeur
Docteur CNRS, IR
Docteur (U.S.A)
Docteur
156

Nouveaux concepts pour la réalisation de cellules

Transcription

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