De l'influence de contaminations par le cuivre et le titane sur les performances photovoltaïques de cellules solaires au silicium cristallin

par Tleuzhan Turmagambetov

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Jean-Paul Garandet.

Le président du jury était Anne Kaminski-Cachopo.

Le jury était composé de Jean-Paul Garandet, Sébastien Dubois, Daniel Morvan.

Les rapporteurs étaient Daniel Mathiot, Olivier Palais.


  • Résumé

    Ce travail s’est intéressé à l’influence de contaminations par le cuivre (Cu) et le titane (Ti) sur les performances des cellules solaires photovoltaiques (PV) au silicium (Si) cristallin. Le Cu et le Ti sont des impuretés souvent présentes dans les plaquettes à l’issue de l’étape de croissance des lingots, et peuvent être considérées comme des impuretés modèles respectivement pour les difuseurs rapides et les diffuseurs lents. Des lingots monocristallins Czochralski (Cz) et multicristallins (mc), certains volontairement contaminés et d’autres sans contaminations volontaires ont été cristallisés. Leurs propriétés électriques et compositionnelles ont été caractérisées, et des cellules ont été fabriquées. Les influences du Cu et du Ti sur le rendement de conversion PV (η), sa stabilité sous éclairement, et la tension de claquage (Vbd) de la jonction, ont pu être évaluées. La contamination par le Ti, même à une concentration de 6 ppm pds ajoutée à la charge de Si, affecte significativement le η. Cela est lié au fort pouvoir recombinant des atomes de Ti (malgré un traitement d’hydrogénation) et au faible coefficient de diffusion du Ti, qui ne permet pas son extraction du volume par l’effet getter externe développé par la diffusion P. La contamination par le Ti cependant n’a pas d’influence significative sur la Vbd et est compatible avec des η stables sous éclairement. D’un autre côté, nous avons montré que la contamination par le Cu, pourtant importante (concentration de 90 ppm pds ajoutée au Si charge), n’affecte pas le η des cellules mc. Cela s’explique par le faible pouvoir recombinant des atomes de Cu, par ailleurs efficacement extraits du volume au cours de la diffusion P, en raison du coefficient de diffusion élevé du Cu. Par contre la contamination par le Cu influencerait de façon négative le claquage des jonctions. Un point important est que le η des cellules contaminées Cu diminue sous éclairement. Nous avons montré que cette dégradation est activée par l’étape de recuit rapide des métallisations. Cela confirme de façon indirecte que ces effets de dégradation sont liés à des mécanismes de précipitation du Cu sous éclairement.

  • Titre traduit

    Influences of copper and titanium contaminations on the photovoltaic performances of crystalline silicon solar cells


  • Résumé

    This thesis focuses on the influence of copper (Cu) and titanium (Ti) contaminations on the photovoltaic (PV) performances of p-type crystalline silicon (Si) solar cells. These impurities are common in Si and can be considered as model elements since they behave differently and their properties are similar to those of other transition metals. For these studies, deliberately contaminated and uncontaminated single-crystalline Czochralski (Cz) and multicrystalline (mc) ingots were grown. The compositional and electrical properties of these ingots were extensively characterized. Then wafers from these ingots were transformed into solar cells in order to assess the impact of Cu and Ti on the PV conversion efficiency (η), its evolution under illumination, and the p-n junction breakdown voltage (Vbd). We showed that Ti strongly affects the η, for both Cz and mc Si solar cells (even if only 6 ppm wt of Ti were added into the feedstock). This is due to the high recombination strength of interstitial Ti atoms (even after an hydrogenation step), which are not efficiently extracted by the external gettering effect developped by the phosphorus (P) diffusion, due to their low diffusivity. However, the Ti contamination did not significantly influence the Vbd and was compatible with stable η under illumination. On the other hand, we unexpectedly showed that a strong contamination of the Si feedstock by Cu (90 ppm wt of Cu added to the feedstock) do not affect the η of the mc cells. This is essentially due to the lower recombination strength of Cu atoms, which are in addition efficiently extracted by external gettering effects due to their high diffusivity. Nevertheless, we showed that Cu could slighty enhance the junction breakdown. Above all, the mc Cu contaminated cells were affected by light-induced degradation (LID) effects. We showed that these Cu-related LID were activated by the metallization firing step (rapid annealing), which indirectely confirmed that these LID effects would be due to the precipitation of Cu atoms under illumination.


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