Étude, réalisation et caractérisation de dopages par implantation ionique pour une application aux cellules solaires en silicium

par Adeline Lanterne

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Aurélie Tauzin.

Le président du jury était Anne Kaminski-Cachopo.

Le jury était composé de Laurent Roux, Samuel Gall.

Les rapporteurs étaient Daniel Mathiot, Mustapha Lemiti.


  • Résumé

    Cette thèse a pour but d'étudier le dopage par implantation ionique pour la réalisation des différentes zones dopées des cellules solaires en silicium cristallin (émetteur, champ arrière...). L'avantage de l'implantation ionique, par rapport à la diffusion gazeuse, est de pouvoir contrôler le profil des dopants implantés ainsi que de simplifier les procédés de fabrication des cellules. Deux techniques d'implantation ionique ont été utilisées dans ces travaux, l'implantation classique par faisceau d'ions et l'implantation par immersion plasma. Des dopages au phosphore, au bore et à l'arsenic ont été réalisés par cette technique d'implantation avec une activation par recuit thermique. L'importance de la température de recuit, des doses d'implantation et des couches de passivation sur la qualité électrique des jonctions formées a été mise en évidence. Des jonctions à faible courant de saturation ont pu être obtenues pour les différentes sources dopantes. Ces dopages par implantation ont ensuite été appliqués à la réalisation de cellules solaires en silicium sur substrat de type p (avec un émetteur dopé au phosphore) et sur substrat de type n (avec un émetteur dopé au bore et un champ arrière dopé au phosphore). L'utilisation de l'implantation ionique a permis d'atteindre un rendement de 19,1 % sur les cellules de type p soit un gain de 0,6 %abs par rapport au dopage par diffusion gazeuse, ainsi qu'un rendement de 20,2 % sur les cellules de type n.

  • Titre traduit

    Study, realization and Characterization of ion implantation doping for silicon solar cells application


  • Résumé

    This study aims at investigating the use of ion implantation doping for the realization of emitters and back surface fields of silicon solar cells. The benefits of using ion implantation instead of high temperature gaseous diffusion are the possibility to precisely control the dopant concentration profiles as well as to simplify the solar cells fabrication process. Beam line ion implantation and plasma immersion ion implantation techniques have been used and compared during this work. Phosphorus, boron and arsenic have been implanted and activated by thermal annealing to form the various doping layers. The influences of the annealing temperature, of the implantation doses and of the passivation layers on the junction electrical quality have been studied. Low emitter saturation current densities were reached for each dopant. The implanted doped regions were then integrated in p-type silicon solar cell structure (including a phosphorus doped emitter) and in n-type PERT bifacial solar cell structure (including a boron doped emitter and a phosphorus doped back surface field). With the use of ion implantation, efficiency of 19,1 % was reached for the p-type solar cells corresponding to an overall gain of 0,6 %abs as compared to the gaseous diffusion doping, while 20,2 % of efficiency were measured on the n-type bifacial silicon solar cells.


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