Développement de cellules photovoltaïques à hétérojonctions silicium et contacts en face arrière

par Thibaut Desrues

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Mustapha Lemiti.

Soutenue en 2009

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Cette thèse explore une nouvelle voie pour améliorer le rendement des cellules solaires à base de silicium cristallin. Cette nouvelle approche utilise la technologie des hétérojonctions a-Si:H / c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts en face arrière interdigités (IBC). Les dispositifs combinant ces deux technologies (Si-HJ IBC) peuvent théoriquement atteindre des rendements supérieurs à 25 % avec un procédé entièrement à basse température (≤ 200°C). Dans cette étude, les cellules solaires sont fabriquées sur des substrats c-Si de type n de 25 cm2. Les procédés de fabrication utilisés sont potentiellement adaptés à une industrialisation (PECVD, pulvérisation, sérigraphie, LASER, masques métalliques). Des couches a-Si:H ultra-minces (entre 5 et 30 nm) dopées sont utilisées pour réaliser les zones d’émetteur et de BSF en face arrière des cellules solaires. Des matériaux a-Si:H, a-SiNx:H, a-SiCx:H et ITO sont également étudiés pour des applications comme couches de passivation et / ou anti-reflet. Pour fabriquer les cellules Si-HJ IBC, différentes couches sont localisées à l’aide de masques métalliques structurés et alignés mécaniquement. Le plus haut rendement atteint par les dispositifs Si-HJ IBC réalisés atteint ici 12. 7%. Il s’agit, à notre connaissance, du meilleur résultat obtenu au niveau mondial par ce genre de structures sur du c-Si de type n. Les performances des dispositifs expérimentaux restent principalement limitées par une faible valeur de FF. Des modélisations 2D des structures Si-HJ IBC montrent que la conception de l’émetteur et de son contact en face arrière peut entraîner des limitations à la fois sur ce FF mais également sur le Jcc. Ces phénomènes peuvent être attribués à une résistance série « distribuée » importante sur les cellules Si-HJ IBC. Différentes perspectives d’amélioration sont proposées, au niveau de la géométrie de la structure principalement. Ces optimisations devraient permettre à la fois une simplification des cellules Si-HJ IBC ainsi que l’augmentation de leur rendement.

  • Titre traduit

    = Development of rear contact silicon heterojunction solar cells


  • Résumé

    This thesis explores a new way to enhance the efficiency of solar cells based on crystalline silicon. This new approach uses a-Si:H / c-Si heterojunctions (Si-HJ) technology applied on Interdigitated Back Contact (IBC) structures. Devices combining both technologies can theoretically reach more than 25 % efficiency using a low temperature (= 200 C) fabrication process. In this study, solar cells are fabricated on 25 cm2 n-type c-Si substrates. The fabrication processes which are used are potentially suitable with industrialization (PECVD, sputtering, screen-printing, LASER, metallic masks). Ultra-thin (between 5 and 30 nm) doped a-Si:H layers are used to fabricate both emitter and BSF regions at the rear of the solar cells. Different a-Si:H, a-SiNx:H, a-SiCx:H and ITO materials are also studied to be applied as passivating and / or anti-reflective coatings. To fabricate Si-HJ IBC solar cells, different layers are localized through the use of patterned metallic masks which are mechanically aligned. The highest efficiency obtained by Si-HJ IBC devices reach here 12. 7% efficiency. This is to our knowledge the best result worldwide on n-type c-Si for this structure. The performances of experimental devices are mainly limited by a low FF value. 2D-modelling of Si-HJ IBC shows that the rear emitter and contact design can lead to some limitations on the FF, but also on the Jsc values. This phenomenon can be attributed to a large "distributed" series resistance in the Si-HJ IBC cells. Different ways to enhance the cell geometry are proposed, as well as a simplified fabrication process. These optimizations should help to obtain Si-HJ IBC solar cells with higher efficiency.

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La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (188 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 173-188

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3435)
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