Intégration de collecteurs de charges avancés dans les cellules solaires bifaciales à haut rendement : vers un procédé générique pour les nouveaux matériaux silicium

Integrating advanced charge carrier collectors in bifacial solar cells : towards a generic process for new crystalline silicon materials

• Auteur / Autrice : Maxim Hayes
• Direction : Olivier Palais, Benoit Martel, Sébastien Dubois
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Clerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Parola, Pierre Rale
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Kleider, Mustapha Lemiti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas, Électrodynamique des

Ions -- Implantation

Photopiles

Silicium cristallisé

Photoélectricité

Nanoélectronique

Microélectronique

Mots clés libres

Photovoltaïque

Silicium cristallin

Implantation ionique par immersion plasma

Contact passivé

Silicium bas-Coût

Effet getter externe

Photovoltaics

Crystalline silicon

Plasma immersion ion implantation

Passivated contact

Low-Cost silicon

External gettering

Résumé

L'industrie PV connaît un fort engouement pour les cellules PERC. Néanmoins leurs performances sont limitées par deux sources de recombinaison des porteurs de charge: au niveau de l'émetteur obtenu par diffusion de P, et en face arrière aux interfaces Al-Si. L'objectif principal de cette thèse vise à limiter ces pertes en intégrant deux nouveaux collecteurs. Le premier est un émetteur sélectif (ES) obtenu par implantation ionique à immersion plasma (PIII) de P. Le second concerne un contact passivé (CP) constitué d'un film de silicium polycristallin (poly-Si) dopé au B sur un oxyde mince. Dans un second temps, les travaux s'intéressent à la compatibilité entre ces collecteurs et les plaquettes de Si issues de lingots fabriqués par solidification dirigée. Un procédé de masquage in situ des implantations PIII a permis d'élaborer des ES avec une bonne maîtrise de la géométrie du motif et des niveaux de dopage. Ensuite, un éventail de techniques pour la métallisation du poly-Si(B) a été étudié. La voie de métallisation par sérigraphie de pâtes traversantes est la plus encourageante à l'heure actuelle. Elle permet l'utilisation de couches hydrogénantes non sacrificielles qui ont mené à l'obtention de précurseurs de cellules avec un excellent niveau de passivation. Néanmoins, la résistance de contact entre le métal et le poly-Si(B) demeure à ce jour trop élevée pour une intégration optimale. Enfin, l'association de Si multicristallin avec différents CP a montré la propension de ces derniers à générer un effet getter externe efficace. Cela laisse envisager une très bonne compatibilité entre l'architecture cellule développée et les Si bas-coût et à faible emprunte carbone

Thanks to a relatively simple fabrication process and high conversion efficiency values the PERC structure is well established at the industrial level. Nevertheless, industrial PERC solar cells performances are mostly limited by two charge carrier recombination sources: P thermally diffused emitter on the front side and the Al-Si interfaces at the rear contacts. The main goal of this work aims at limiting both recombination sources. A selective emitter (SE) obtained by plasma immersion ion implantation (PIII) is developed for an integration on the front side; whereas a B-doped polysilicon (poly-Si) on oxide passivated contact (PC) is integrated on the back side. The second goal of this work consists in evaluating the compatibility between these advanced carrier collectors and directionally solidified Si materials. SE featuring good geometrical properties and a well-controlled doping were fabricated thanks to an in situ localized doping process obtained with a specific mask developed for PIII. Besides, several metal deposition technologies were investigated for the poly-Si(B). Fire-through screen-printing appears as the most promising approach so far. Indeed, the deposition of a non-sacrificial hydrogen-rich layer allowed to reach an excellent surface passivation level for solar cell precursors. However, the specific contact resistivity obtained remains too high for an optimal cell integration. Lastly, the fabrication of poly-Si PC showed excellent external gettering efficiencies for multicrystalline Si. Thus, the potential of the developed cell structure to be integrated with low-cost and low carbon footprint materials is encouraging