Élaboration et caractérisation de solutions dopantes au bore innovantes par voie PECVD : application à la fabrication de cellules solaires à homojonction

Development and characterization of innovative boron doping solutions by PECVD : application to homojunction solar cells fabrication

• Auteur / Autrice : Thomas Blévin
• Direction : Jean-Pierre Vilcot, Raphaël Cabal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 15/12/2015
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Couches diélectriques

Silicium cristallisé

Conception et construction

Photopiles

Mots clés libres

Dopage au bore

Résumé

Cette thèse explore deux voies alternatives d’élaboration de l’émetteur bore des cellules à base de silicium cristallin de type n, afin de simplifier leur procédé de fabrication, d’une part, et d’améliorer leur rendement de conversion, d’autre part. La première voie, orientée transfert industriel, propose l’utilisation d’une couche diélectrique dopante (SiOx:B) déposée par PECVD-LF, recuite par diffusion thermique. Des paramètres d’émetteur similaires à ceux obtenus dans le cas d’une diffusion gazeuse BCl3 sont recherchés. La seconde approche, plus amont, envisage quant à elle l’élaboration d’un hétéro-émetteur en silicium microcristallin dopé bore (µc-Si:B), obtenu par cristallisation thermique d’une couche de silicium amorphe dopée bore, déposée par PECVD-RF. La formation d’un hétéro-émetteur bore à haute température vise l’obtention de Vco plus élevées sur cellules n-PERT. L’élaboration et le suivi des propriétés des couches SiOx:B ont permis de mettre en évidence différents phénomènes ayant lieu lors de la diffusion. La qualification du dopage et de la passivation de l’émetteur bore a montré de bonnes performances. L’utilisation du SiOx:B lors d’une étape de codiffusion a permis de réaliser des cellules de type n-PERT (239 cm²) selon deux procédés simplifiés (3 étapes de moins) avec les rendements les plus hauts atteints à notre connaissance (20%) sur la structure considérée. D’autre part, les couches µc-Si:B ont été développées puis caractérisées. Le potentiel électrique des hétéro-émetteurs associés a été évalué sur structure symétrique indiquant que des iVco supérieures à 700mV peuvent être atteintes. L’évaluation de la prise de contact sur ce nouvel émetteur a été réalisée par sérigraphie. A ce jour, un phénomène de cloquage limite néanmoins l’intégration de cet émetteur en cellule complète.

This thesis focuses on two alternative boron emitter elaboration routes for n-type crystalline silicon solar cells in order to simplify fabrication processes on one hand, and to improve conversion efficiencies on the other hand. The first route, driven by industrial integration concern, proposes the use of PECVD-LF boron-doped dielectric layers (SiOx:B), annealed by thermal diffusion. Emitter parameters similar to those made by BCl3 gaseous diffusion are obtained on n-type substrates. The second approach, which is more exploratory, considers a boron-doped microcrystalline silicon layers (µc-Si:B) made by boron-doped amorphous silicon crystallization. The elaboration of this high temperature hetero-emitter targets higher open-circuit voltages than standard n-PERT cells.SiOx:B layers elaboration and structural properties study highlighted several phenomena occurring during diffusion annealing. Doping and passivation qualification of associated boron emitters showed good performances. The use of SiOx:B layers during a dopant codiffusion step led to industrial size (239 cm²) n-PERT solar cells fabrication according to two simplified processes (3 steps suppression) with, what is to our knowledge, the highest published efficiencies (20%) on the considered structure. On the other hand, µc-Si:B layers were developed and characterized. The electrical potential of associated hetero-emitters was assessed on symmetrical devices showing that iVoc higher than 700mV can be reached. Contacting on this new emitter was evaluated by metal screen-printing. However, to date, blistering issues limit emitter integration into solar cells.