Procédés d’implantation ionique et structures innovantes pour les cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium

par Tristan Carrere

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Paul Kleider.

Soutenue le 29-09-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif sur Yvette) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .


  • Résumé

    Ce travail a pour but d'implémenter des procédés d’implantation ionique pour des cellules solaires à hétérojonctions de silicium (SHJ) afin d'en simplifier le procédé de fabrication ou d’en augmenter les performances.Nous avons d'abord étudié le procédé pour réaliser le dopage des couches de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Par ce nouveau procédé, il est possible de réaliser des dopages localisés de manière simple, à travers des masques, ce qui peut permettre une diminution des coûts de fabrication de certains types de cellules SHJ comme les cellules à contacts interdigités à l'arrière. Les implantations de phosphore et de bore ont été étudiées, pour la réalisation de dopage respectivement de type n et p. Les comportements et les conclusions sont très différents pour ces deux types de dopage. Le phosphore étant plus lourd que le bore, il est possible de l'implanter dans des couches très minces sans endommager fortement l'interface avec le silicium cristallin, mais la création très importante de défauts dans le a-Si:H, résistant à des recuits post-implantation, conduit à de fortes dégradations des propriétés électriques du a-Si:H, et il n'a pas été possible d'atteindre des niveaux de conductivité suffisants. Au contraire, pour le bore, conformément à des résultats de la littérature, les atomes sont activés plus facilement par un recuit post-implantation grâce à la forte diminution de la concentration de défauts localisés. Cependant, le bore, implanté plus profondément, atteint e plus facilement l'interface, ce qui nécessite des recuits à plus haute température pour guérir les défauts d'interface. Néanmoins, pour des couches de a-Si:H de l'ordre de 25 nm, nous avons pu trouver des conditions technologiques permettant d'obtenir des propriétés comparables à celles obtenues par le procédé classique de dépôt de (p) a Si:H assisté par plasma, à savoir des valeurs élevées de conductivités du a-Si:H (10-4 Ω-1cm-1) et de passivation d’interface (i VOC > 700 mV).Une deuxième partie de ce travail est consacrée à l’étude d’une nouvelle cellule, dite à homo hétérojonction de silicium (HHJ) comprenant un homo-émetteur additionnel (p+) c-Si à l’hétéro-interface côté émetteur. Le but est d’améliorer la passivation de l’interface afin d’augmenter le rendement de la cellule. Des simulations numériques ont mis en évidence une augmentation de FF de la cellule HHJ, que nous avons pu attribuer à une meilleure passivation par effet de champ et à une diminution de la résistance globale du a-Si:H due à des modifications des courbures de bandes. Elles ont aussi montré la nécessité d’un homo-émetteur suffisamment mince et fortement dopé (5×1018 cm-3). De ce fait, nous avons utilisé le procédé d’implantation ionique pour développer des profils de bore adéquats et avons pu vérifier expérimentalement que l'incorporation de la couche de (p+) c-Si permet la diminution de la résistance de contact et l'amélioration de la passivation de l'interface (i) a-Si:H/(p+) c-Si par effet de champ lorsque la concentration de bore en surface n'est pas trop importante. Ces deux améliorations ont pu être concrétisées dans la réalisation de cellules présentant une amélioration du facteur de forme et de meilleurs rendements de conversion par rapport à des cellules SHJ de référence. Cette réalisation constitue la première preuve de concept pour les cellules de type HHJ.

  • Titre traduit

    Ion implantation processes and innovative structures for silicon heterojunction solar cells


  • Résumé

    This work aims at investigating the use of ion implantation to process silicon heterojunction solar cells (SHJ) in order to improve the ratio of cost to produced power (€/Wp) of the cells either by cost reduction due to manufacturing simplification or by increase of the cell performance.A first part of the work consists in doping hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) layers by ion implantation. Using hard masks, doping of localized regions required in cell architectures like interdigitated back contact cells can thus be easily achieved at lower cost. Both boron and phosphorus implantation have been studied for p- and n-type doping, respectively. These two types behave very differently. Phosphorous being heavier than boron, very shallow implantation can be achieved on thin a-Si:H layers onto crystalline wafers without damaging the interface. However very high defect densities are created in a-Si:H which cannot be annealed out by post-implantation annealing treatments. Therefore it was not possible to reach conductivity values suitable for solar cell applications. For B implantation, consistently with previous work, the activation of B atoms has been achieved upon annealing thanks to a decrease of localized bandgap states. Also, boron can penetrate deeper and reach high concentration at the a-Si:H/c-Si interface, which requires higher temperature annealing compared to P implantation to recover a good interface passivation quality. Nevertheless, for a-Si:H layers of about 25 nm process conditions allowing similar properties to PECVD-doped (p) a-Si:H deposition (i.e. conductivity of 10-4 Ω-1cm-1 and interface passivation allowing i-VOC > 700 mV) have been obtained.A second study is dedicated to the study of a new cell concept, named silicon homo-heterojunction (HHJ) which comprise an additional homo-emitter (p+) c-Si at the emitter interface. The goal is to improve the interface passivation in order to increase the cell efficiency. Numerical simulations have evidenced an improved fill factor in this cell that is attributed to a field effect passivation improvement and a decrease in series resistance related to band bending changes in the a-Si:H layers. The need of sufficiently shallow and strongly doped (> 5×1018 cm-3) emitter has also been evidenced. Therefore, ion implantation has been used to develop suitable boron profiles and both the increase in fill factor and the decrease in contact resistances have been obtained when the boron surface concentration is not too high. These improvements have been validated by processing HHJ solar cells that exhibit a fill factor improvement and an improved efficiency compared to SHJ cells. This achievement is a first proof of concept of the HHJ architecture.


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