Développement et caractérisation de contacts passivés avec recuit rapide à haute température pour la fabrication de cellules solaires en silicium de type p.

Development and characterization of Fired Passivating Contacts for p-type silicon solar cells fabrication

• Auteur / Autrice : Anatole Desthieux
• Direction : Pere Roca i Cabarrocas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/11/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• 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 : Olivier Palais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pere Roca i Cabarrocas, Lars Korte, Marie-Estelle Gueunier-Farret, Erwin Kessels, Delfina Muñoz, Damien Aureau, Jorge Ivan Posada Parra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lars Korte, Marie-Estelle Gueunier-Farret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Science des matériaux

Mots clés libres

Photovoltaïque

Cellules solaires en silicium

Contacts passivés

Caractérisation in situ

Photoluminescence modulée

Photovoltaics

Silicon solar Cells

Passivating contats

In situ characterization

Modulated Photoluminescence

Résumé

Étant appelée à jouer un rôle déterminant dans la transition énergétique, l'industrie photovoltaïque est mise au défi de réduire l'impact environnemental de la fabrication de panneaux solaires. Selon toute probabilité, les cellules solaires en silicium à contacts passivés (TOPCon) domineront le marché dans les prochaines années grâce à leurs excellentes performances électriques. Cependant, leur intégration est énergivore, d'où l'étude de nouveaux procédés de fabrication comme les contacts passivés avec recuit rapide (FPC).Ce manuscrit présente l'optimisation des conditions de dépôts des différentes couches utilisées dans une cellule FPC, ainsi que des caractérisations poussées de ces couches. Des analyses de spectroscopie photoélectronique X ont permis de montrer que le dépôt d'une couche de (p) µc-Si:H par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) modifie la composition chimique de l'oxyde tunnel enterré dans l'empilement passivant.Des améliorations ont été apportées à un dispositif d'acquisition de Photoluminescence Modulée embarqué sur un réacteur de dépôt PECVD. Cette technique permet de mesurer en temps réel l'évolution de la durée de vie des porteurs de charge dans un échantillon durant une étape de fabrication. Cela a permis de montrer que l'action combinée de la température et de la lumière engendre l'activation de charges fixes positives stables dans des couches d'AlOx, ce qui est très inhabituel.Les mesures de passivation en temps réel d'échantillons FPC pendant une étape d'hydrogénation ont mis en évidence l'importance majeure de la température et de la durée du recuit pour atteindre les niveaux de passivation attendus. Cette technique a également été utilisée pendant le dépôt de couches de SiNx:H. Elle a permis d'observer (i) les fortes dégradations liées aux plasmas directs de H2 et NH3 sur des couches de (p) µc-SiOx et (ii) que pendant le dépôt de SiNx:H, la majorité de l'amélioration de la passivation a lieu pendant les premières minutes de dépôt.L'intégration de contacts FPC a été réalisé sur de grands wafers industriels de type mono-cast, donnant des résultats prometteurs sur surfaces polies.

Due to its expected role in the energy transition, the photovoltaic industry is being challenged to reduce the environmental impact of the manufacturing of solar panels. The silicon solar cells with Tunnel Oxide Passivated Contact (TOPCon) technology are likely to broadly hit the market within the next years due to their great electrical performances. Yet their integration is rather energy intensive, which is why novel manufacturing options such as the Fired Passivating Contact (FPC) cells are being investigated.This dissertation presents the optimization of the deposition conditions of the various layers of a FPC cell, along with their thorough characterization. X-ray photoelectron spectroscopy analysis allowed to show that the deposition of a Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposited (PECVD) (p) µc-Si:H layer modified the chemical composition of the buried tunnel oxide layer in the passivating stack.Improvements were made on an extit{in situ} Modulated Photoluminescence acquisition setup mounted on a PECVD reactor. This technique allows to monitor in real time the evolution of the passivation properties of a sample during a given processing step. In a case study, this resulted to the demonstration that the combined action of light and temperature on AlOx layers leads to the activation of stable positive fixed charges, which is highly unusual.The real-time lifetime measurements of FPC samples during a hydrogenation step evidenced the importance of the temperature and duration of the annealing step in order to fully achieve high passivation properties. The technique was also used during the SiNx:H deposition and allowed to show (i) the detrimental effect of direct H2 and NH3 plasma on FPC and especially on the ones based on (p) µc-SiOx layers, and (ii) that during the SiNx:H deposition, most of the improvement happens during the first minutes of deposition.The integration of FPC was carried out on large area mono-cast wafers with very promising results on polished surfaces.