Intégration en dispositifs tandem des cellules PV à contactspassivés : vers une technologie d'interface multifonctionnelleet universelle.

Integration of solar cells with passivated contacts into tandem devices : aiming for an universal interfacial technology.

• Auteur / Autrice : Baptiste Marteau
• Direction : Anne Kaminski-Cachopo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Collin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pere Roca i Cabarrocas, Marie-Estelle Gueunier-Farret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Silicium cristallisé

Systèmes photovoltaïques

Mots clés libres

Cellule solaire

Silicium

Contacts passivés

Tandem

Solar cell

Silicon

Passivated contacts

Tandem

Résumé

Le marché des modules photovoltaïque est dominé par les technologies basées sur le silicium cristallin (c-Si). L'utilisation de contacts passivés fabriqués à basse température (SHJ) ou haute température (TOPCon) mène à des rendements records (26,8% et 26,2%) proches de la limite théorique de 29,4%. L'option privilégiée par la majorité des acteurs pour dépasser cette limite consiste à associer la technologie c-Si avec un autre matériau semi-conducteur à large bande interdite (EGap) pour permettre une conversion optimale du spectre solaire sur toute la gamme énergétique. L'efficacité maximale théorique de tels dispositifs tandem peut alors atteindre 42%. Il semble avantageux de privilégier une structure à deux terminaux pour simplifier la mise en module et réduire les coûts associés. Cependant, cela implique de fortes contraintes sur les couches d'interface situées entre les deux cellules. En effet, ces dernières doivent alors permettre l'obtention d'excellentes durées de vie des porteurs dans chaque cellule, tout en assurant des propriétés optiques (absorption et réflexion parasites minimales) et électriques (jonction de recombinaison (JR) efficace et peu résistive) optimales.Pour la cellule c-Si, cette thèse se concentre sur la technologie TOPCon qui devrait dominer le marché d'ici 2030. De plus cette approche basée sur des empilements poly-Si/SiOx permet de disposer d'une grande versatilité pour les procédés de fabrication du dispositif tandem (stabilité jusqu'à 800°C), et de bénéficier de couches fortement dopées adaptées à la formation de JR. Le choix de l'absorbeur à large EGap s'est porté sur la technologie pérovskite (Pk) qui semble faire l'unanimité car elle combine potentiellement de faibles coûts de production et de hauts rendements. L'interface entre les deux cellules (TOPCon et Pk) du dispositif tandem est habituellement réalisée avec des couches d'oxydes transparents conducteurs comme l'ITO (Oxyde d'Indium Etain), permettant l'obtention d'excellentes propriétés électriques et optiques. L'indium est cependant un matériau critique qui pourrait limiter le développement de cette technologie à long terme. L'objectif de cette thèse consiste ainsi à explorer des approches sans indium pour l'interface des cellules tandem Pk/c-Si.Les études réalisées dans ces travaux concernent des cellules tandem Pk/c-Si en configuration nip, pour lesquelles deux approches alternatives sont étudiées pour l'ingénierie d'interface. La première n'utilise aucune couche d'interface additionnelle, et la seconde intègre une couche nc-Si (n+) pour former une diode tunnel en silicium afin d'obtenir un courant de recombinaison optimal. Ces deux approches alternatives ont mené à l'obtention de meilleures performances initiales que le procédé de référence, principalement en s'affranchissant de la problématique de court-circuits dans la cellule Pk. Les dispositifs tandem fabriqués sans couche d'interface permettent d'obtenir des facteurs de forme comparables à ceux des meilleurs dispositifs mondiaux (> 81%) ainsi que des rendements proches de 25%, démontrant le potentiel des contacts passivés TOPCon pour la formation de JR sans ITO. Ces deux technologies d'interface sans indium se sont cependant révélées limitées par l'apparition au cours du temps de résistances séries internes. Des caractérisations avancées expliquent ces dégradations par l'apparition d'une couche de SiOx entre le silicium et le SnO2 (la couche sélective d'électron - ESL- de la cellule Pk).En conclusion, les contacts passivés TOPCon sont particulièrement adaptés à la formation de jonctions de recombinaison (directes ou par le biais de diode tunnel en silicium) permettant de s'affranchir d'indium dans les couches d'interconnexion. Le silicium étant particulièrement sensible à l'oxydation, le choix de la couche de contact (ESL en configuration nip) devrait se porter sur un matériau ne comportant pas d'oxygène ou présentant une affinité pour l'oxygène plus forte que le silicium.

The photovoltaic module market is dominated by technologies based on crystalline silicon (c-Si). The use of low temperature (SHJ) or high temperature (TOPCon) passivated contacts leads to record efficiencies (26.8% and 26.2%) close to the theoretical limit of 29.4%. The option explored by the majority of institutes to overcome this limit is to combine c-Si technology with another wide bandgap (EGap) semiconductor material to enable optimum conversion of the solar spectrum over the entire energy range. The theoretical maximum efficiency of such tandem devices can then reach 42%. A two-terminal structure enables easiest module processing leading to reduced production costs. However, this places severe constraints on the interface layers between the two cells. These must provide excellent carrier lifetime in each cell, while ensuring optimal optical (minimal parasitic absorption and reflection) and electrical (efficient and highly conductive recombination junction RJ) properties.For the c-Si cell, this thesis focuses on TOPCon technology, which is expected to become market mainstream by 2030. This approach, based on poly-Si/SiOx stacks, offers great versatility for the tandem device fabrication processes (stability up to 800°C), and benefits from highly doped layers that are well suited for the formation of RJ. Among the variety of large EGap materials, perovskite (Pk) technology is the most popular solution as it benefits from both high efficiency potential and low production costs. The interface between the two cells (TOPCon and Pk) of the tandem device is usually formed by transparent conductive oxides layers such as ITO (Indium Tin Oxide), which shows excellent electrical and optical properties. However, indium is a critical material that could limit the long-term development of this technology. Therefore, the aim of this thesis is to explore indium-free approaches for the interface of Pk/c-Si tandem cells.The studies carried out in this work concern Pk/c-Si tandem cells in nip configuration, for which two alternative approaches for interface engineering are investigated. The first one uses no additional interface layer, while the second one integrates an nc-Si (n+) layer to form a silicon tunnel diode, which should provide an optimal recombination current. These two alternative approaches allowed better initial performances than the reference process, mainly by overcoming short-circuit issues in the Pk cell. Tandem devices featuring no additional interface layer show fill factors comparable to those of the world's best devices (>81%) and efficiencies close to 25%, confirming the potential of TOPCon passivated contacts to form indium-free RJ. However, these two indium-free approaches were limited by the appearance of internal series resistance over time. Advanced characterisations explain these degradations by the formation of a SiOx layer between silicon and SnO2 (the electron-selective layer - ESL- of the Pk cell).In conclusion, TOPCon passivated contacts are particularly well suited to obtain efficient recombination junctions (direct or via silicon tunnel diodes), thus eliminating the need to use indium in the interface layers. As silicon is particularly sensitive to oxidation, the choice of contacting layers (ESL in nip configuration) should be focused on a material that contains no oxygen or has a stronger affinity for oxygen than silicon.