a-Si : H/c-Si heterojunction solar cells : back side assessment and improvement

par Silvia Martin de Nicolas

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Paul Kleider.

Le président du jury était Pere Roca i Cabarrocas.

Le jury était composé de Jean-Paul Kleider, Pere Roca i Cabarrocas, Isodro Martin, Cédric Ducros, Delfina Munoz, Lars Korte.

Les rapporteurs étaient Isodro Martin.

  • Titre traduit

    cellules solaires à hétérojonction a-Si : H/c-Si : évaluation et amélioration de la face arrière


  • Résumé

    Parmi les technologies photovoltaïques à base de silicium, les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si (HJ) ont montré une attention croissante en ce qui concerne leur fort potentiel d’amélioration du rendement et de la réduction de coûts. Dans cette thèse, des investigations sur les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si de type (n) développées à l'Institut National de l'Énergie Solaire sont présentées. Les aspects technologiques et physiques du dispositif à HJ ont été revus, en mettant l'accent sur la compréhension du rôle joué par la face arrière. À travers le développement et la mise en œuvre des films de a-Si:H intrinsèques et dopés (n) de haute qualité des cellules solaires à HJ, les conditions requises en face arrière des dispositifs ont été établies. Une comparaison entre plusieurs types de champ surface arrière, avec et sans l’introduction d’une couche buffer, est présentée et les caractéristiques des cellules solaires résultants sont discutées. Une discussion autour du contact arrière de cellules solaires à HJ est aussi présentée. Une nouvelle approche d’oxyde transparent conducteur en face arrière basé sur les couches d’oxyde de zinc dopé au bore (ZnO:B) est étudié. Dans le but de développer des couches de ZnO:B de haute qualité bien adaptées à leur utilisation dans des dispositifs à HJ, différents paramètres de dépôt ainsi que des traitements après dépôt comme le post plasma d’hydrogène ou le recuit laser sont étudiés et leur influence sur des cellules solaires est évaluée. Au cours de ce travail il est montré que la face arrière des cellules solaires à HJ joue un rôle important sur l’accomplissement de hauts rendements. Cependant, l'augmentation de la performance globale du dispositif dû à l’optimisation de la face arrière de la cellule est toujours dépendante des phénomènes ayant lieu en face avant des dispositifs. L'utilisation des films optimisés pour la face arrière des HJs développées dans cette thèse, associée à des couches améliorées pour la face avant et une nouvelle approche de métallisation nous a permis d’atteindre un rendement de conversion record de plus de 22%, démontrant ainsi le grand potentiel de cette technologie à HJ de a-Si:H/c-Si.


  • Résumé

    Amongst available silicon-based photovoltaic technologies, a-Si:H/c-Si heterojunctions (HJ) have raised growing attention because of their potential for further efficiency improvement and cost reduction. In this thesis, research on n-type a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells developed at the Institute National de l’Énergie Solaire is presented. Technological and physical aspects of HJ devices are reviewed, with the focus on the comprehension of the back side role. Then, an extensive work to optimise amorphous layers used at the rear side of our devices as well as back contact films is addressed. Through the development and implementation of high-quality intrinsic and n-doped a-Si:H films on HJ solar cells, the needed requirements at the back side of devices are established. A comparison between different back surface fields (BSF) with and without the inclusion of a buffer layer is presented and resulting solar cell output characteristics are discussed. A discussion on the back contact of HJ solar cells is also presented. A new back TCO approach based on boron-doped zinc oxide (ZnO:B) layers is studied. With the aim of developing high-quality ZnO:B layers well-adapted to their use in HJ devices, different deposition parameters as well as post-deposition treatments such as post-hydrogen plasma or excimer laser annealing are studied, and their influence on solar cells is assessed. Throughout this work it is evidenced that the back side of HJ solar cells plays an important role on the achievement of high efficiencies. However, the enhancement of the overall device performance due to the back side optimisation is always dependent on phenomena taking place at the front side of devices. The use of the optimised back side layers developed in this thesis, together with improved front side layers and a novel metallisation approach have permitted a record conversion efficiency over 22%, thus demonstrating the great potential of this technology.


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