Fabrication et l'étude des modules de cellules solaires à base de nanofils de silicium

Fabrication and study of solar cell modules based on silicon nanowire based radial junction solar cells

• Auteur / Autrice : Mutaz Al ghzaiwat
• Direction : Pere Roca i Cabarrocas, Martin Foldyna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Guillemoles
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pere Roca i Cabarrocas, Martin Foldyna, Jaromír Pištora, Silke Christiansen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonin Fejfar, Maria Tchernycheva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie solaire

Cellules photoélectriques

Science des matériaux

Mots clés libres

Cellules solaires

Nanofils de silicium

Jonction radiale

Modules solaires

Couches minces

VLS assisté par plasma

Solar cells

Silicon nanowires

Radial junctions

Solar modules

Thin films

Plasma-Assisted VLS

Résumé

Dans cette thèse, nous avons utilisé un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à basse température afin de fabriquer des minimodules à base de cellules solaires à jonction radiale (RJ SiNWs) sur des substrats de verre de 5x5 cm² en employant la gravure laser pour la mise en série des cellules.Nous avons utilisé une couche de 600 nm d’épaisseur de dioxyde d’étain dopée au fluor (FTO) déposée sur du verre sodocalcique (SLG). La couche de FTO sert à la fois de contact arrière pour le module et de source de catalyseur Sn une fois la couche de FTO réduite par un plasma de H2. Ensuite, on fait croître des SiNW dopés p par le procédé Vapor-Liquid-Solid (VLS) assisté par plasma, suivi d’un dépôt d’une couche de Si intrinsèque a-Si:H et d’une couche de Si dopée n µc-SiOx:H, afin d’obtenir une cellule solaire à jonction radiale PIN. Nous avons obtenu une efficacité énergétique de 6.3 % avec une surface active de 0.126 cm². C’est à notre connaissance l’efficacité la plus élevée obtenue en utilisant une couche de FTO comme source de catalyseur Sn.La gravure laser a été utilisée pour retirer localement des couches minces dans l’objectif de fabriquer des minimodules solaires. Grâce à la gravure laser, une connexion monolithique en série entre les cellules solaires à jonction radiale adjacentes a pu être accomplie. Dans cette thèse, la gravure laser a servi à retirer localement la couche de FTO ainsi que les RJ SiNWs, étapes appelées respectivement P1 et P2. On dépose ensuite une couche transparente d’oxyde d’indium-étain (ITO), servant de contact avant, par pulvérisation cathodique (étape P3), et on procède à la séparation en bandes par la technique « lift-off ». Nous avons mené une étude détaillée de l’étape P2 de gravure obtenue par un laser vert (532 nm) et IR (1064nm). La puissance du laser a un impact direct sur l’ablation des RJ SiNWs, et peut aussi endommager le contact arrière de la cellule. Nous avons déterminé que le laser vert entraîne une fonte partielle de matériau sur les bords de la zone gravée, contrairement au laser IR qui produit des gravures de meilleure qualité. La cartographie Raman des zones gravées permet une analyse des matériaux dans la zone étudiée, et a donné des indications sur la composition des résidus laissés par les impulsions laser. Nous avons démontré que l’utilisation du laser IR pour l’étape P2 de gravure est préférable. Elle permet d’avoir des connexions en série de haute qualité entre les cellules.Enfin, le mini-module optimisé de 10 cm² à base de RJ SiNWs a atteint un rendement de conversion énergétique de 4.37 % avec une puissance générée de 44 mW, grâce à l’amélioration de l’étape P2 et de l’impression par jet d’encre d’une grille dense d’Ag. À notre connaissance, cette puissance générée est la plus élevée rapportée pour des modules solaires à base de cellules à jonction radiale.

In this thesis, we have used a low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor to fabricate Si nanowire radial junction solar mini-modules on 5x5 cm2 glass substrates with the assistance of the laser scribing technique for the series connection of the cells.We have used fluorine-doped tin oxide (FTO) deposited on soda-lime glass substrates (SLG) as a back contact as well as the source of the Sn catalyst which was formed by a direct reduction of FTO using a H2 plasma. Subsequently, p-type SiNWs were grown using plasma-assisted vapor liquid solid (VLS) process, followed by the deposition of intrinsic a-Si:H and n-type µc-SiOx:H layers to achieve pin radial junction solar cells. We have obtained an energy conversion efficiency of 6.3 % with an active area of solar cells of 0.126 cm2, which is to our knowledge, the highest efficiency obtained based on FTO layers as a source of Sn catalyst.Laser scribing was used to perform a selective removal of thin-film materials in order to fabricate minimodules. With laser scribing, a monolithic series connection between adjacent RJ SiNW solar cells on the same glass substrate was achieved. In particular, the laser scribing system has been used to perform selective removal of FTO thin-film and RJ SiNWs, which are commonly known as step P1 and P2, respectively, and to perform a final scribe to isolate the active region from the rest of the substrate. The transparent top ITO contact was sputtered and cell stripes were defined using the lift-off technique (step P3).We have carried out a detailed study of the P2 laser scribe obtained with either green (532 nm) or IR (1064 nm) laser setups. The power of the laser has to be controlled as it has a direct impact on the removal of SiNW RJs and it can damage the underneath FTO contact. We have found that the scribing using a green laser produces a partial melting outside the scribed spots, unlike the IR laser which provides a cleaner scribing and less crystallized material at the edges of scribed spots. Mapping of the scribed spots using Raman spectroscopy allowed analyzing the material composition within the scanned area inside the craters left by the laser pulses. We have demonstrated that the use of the IR laser is preferable for P2 scribing because it can provide a high-quality series connection between cells.Finally, the optimized 10 cm2 SiNW RJ mini-module has reached an energy conversion efficiency of 4.37 % with power generation of 44 mW, thanks to the improved P2 laser scribing and the dense Ag grid printed using the ink-jet method. This performance represents, to the best of our knowledge, the highest reported power generation for silicon nanowire-based solar modules on glass substrates.