Développement de cellules photovoltaïques à …

 

 

N° d‟ordre 2009ISAL0084 Ecole Doctorale Matériaux de Lyon, Année 2009

THÈSE

Présentée devant

L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Pour obtenir le grade de

Docteur en Science des Matériaux

Par

Thibaut DESRUES

Développement de cellules photovoltaïques

à hétérojonctions silicium et contacts

en face arrière

Soutenue le 30/11/2009 devant la Commission d‟examen constituée de :

MASSINES Françoise

ALCUBILLA Ramon

KLEIDER Jean-Paul

LEMITI Mustapha

RIBEYRON Pierre-Jean

Rapporteur

Rapporteur

Examinateur

Directeur

Encadrant

ROCA i CABARROCAS Pere

Examinateur

Cette thèse a été préparée à l‟Institut National de l‟Énergie Solaire (INES), au sein du

Laboratoire des Composants Solaires (LCS / DTS / Liten / CEA Grenoble).

Adresse du laboratoire :

INES – DTS/LCS
50 Avenue du Lac Léman- BP 332
73370 Le Bourget du Lac
FRANCE

SIGLE

CHIMIE

E.E.A.

E2M2

EDIIS

EDISS

Matériaux

Math IF

MEGA

ScSo

INSA Direction de la Recherche – Ecoles Doctorales

ECOLE DOCTORALE

CHIMIE DE LYON

M. Jean Marc LANCELIN

Insa : R. GOURDON

ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE,
AUTOMATIQUE

M. Alain NICOLAS
Insa : D. BARBIER Secrétariat : M. LABOUNE

EVOLUTION, ECOSYSTEME,
MICROBIOLOGIE, MODELISATION
http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2

M. Jean-Pierre FLANDROIS
Insa : H. CHARLES

INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR
LA SOCIETE
http://ediis.univ-lyon1.fr

M. Alain MILLE
Secrétariat : I. BUISSON

INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE

Sec : Safia Boudjema
M. Didier REVEL
Insa : M. LAGARDE

MATERIAUX DE LYON

M. Jean Marc PELLETIER

Secrétariat : C. BERNAVON

MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE
FONDAMENTALE

M. Pascal KOIRAN

Insa : G. BAYADA

MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE
CIVIL, ACOUSTIQUE

M. Jean Louis GUYADER

Secrétariat : M. LABOUNE

ScSo (Histoire, Geographie, Aménagement,
Urbanisme, Archéologie, Science politique,
Sociologie, Anthropologie)

M. BRAVARD Jean Paul

Insa : J.Y. TOUSSAINT

NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE

M. Jean Marc LANCELIN
Université Claude Bernard Lyon 1 Bât CPE
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72.43 13 95 Fax :
lancelin@hikari.cpe.fr

M. Alain NICOLAS
Ecole Centrale de Lyon Bâtiment H9
36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY
Tél : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17
eea@ec-lyon.fr

M. Jean-Pierre FLANDROIS
CNRS UMR 5558
Université Claude Bernard Lyon 1 Bât G. Mendel
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.26 23 59 50 Fax 04 26 23 59 49
06 07 53 89 13
e2m2@biomserv.univ-lyon1.fr

M. Alain MILLE
Université Claude Bernard Lyon 1
LIRIS – EDIIS Bâtiment Nautibus
43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72. 44 82 94 Fax 04 72 44 80 53
ediis@liris.cnrs.fr – alain.mille@liris.cnrs.fr

M. Didier REVEL
Hôpital Cardiologique de Lyon – Bâtiment Central
28 Avenue Doyen Lépine 69500 BRON
Tél : 04.72.68 49 09 Fax : 04 72 35 49 16
Didier.revel@creatis.uni-lyon1.fr

M. Jean Marc PELLETIER
INSA de Lyon – MATEIS
Bâtiment Blaise Pascal
7 avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cédex
Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28
Jean-marc.Pelletier@insa-lyon.fr

M.Pascal KOIRAN
Ecole Normale Supérieure de Lyon
46 allée d‟Italie 69364 LYON Cédex 07
Tél : 04.72.72 84 81 Fax : 04 72 72 89 69
Pascal.koiran@ens-lyon.fr
Secrétariat : Fatine Latif – latif@math.univ-lyon1.fr

M. Jean Louis GUYADER
INSA de Lyon – Laboratoire de Vibrations et Acoustique
Bâtiment Antoine de Saint Exupéry
25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex
Tél : 04.72.18.71.70 Fax : 04 72 18 87 12
mega@lva.insa-lyon.fr

M. BRAVARD Jean Paul
Université Lyon 2
86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07
Tél : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48
Jean-paul.bravard@univ-lyon2.fr

Remerciements

Mustapha Lemiti me guide depuis 6 ans déjà dans le monde du photovoltaïque. Il a su
m‟accompagner, d‟abord durant mes années de formation, puis ensuite pour cette thèse qu‟il a
dirigée. Son appui a été important pour moi, particulièrement dans les périodes de doutes. Je
le remercie de m‟avoir donné le « virus » du photovoltaïque, dont je ne suis pas prêt de
guérir…

Cette thèse existe avant tout grâce à Pierre-Jean Ribeyron. Assez rapidement, il a su
me confier beaucoup de responsabilités dans l‟organisation et la présentation de mes travaux.
C‟est grâce à cette confiance que j‟ai pu, pendant ces trois années, m‟épanouir autant au
niveau professionnel. Je tiens également à le remercier pour avoir quelquefois partagé avec
moi sa vision du monde, empreinte d‟une certaine sagesse.

Jean-Paul Garandet, puis Dick Heslinga ont successivement dirigé le LCS, où se
déroulait la thèse. Merci à eux pour avoir encouragé mes travaux, et pour avoir suivi leur
avancement avec intérêt.

Merci à l‟ADEME pour avoir financé en partie cette thèse, ainsi qu‟à André Claverie

et Yvonnick DURAND qui ont accompagné son évolution.

Françoise Massines et Ramon Alcubilla me font l‟honneur d‟être membre du jury. Je

les remercie également pour leur travail de rapporteur.

J‟ai eu la chance de rencontrer Jean-paul Kleider et Pere Roca i Cabarrocas dans le
cadre de projets de recherche et de conférences. Chaque discussion avec eux se révèle
fructueuse. Je tiens à les remercier pour tous leurs conseils et pour avoir accepté d‟être
membre du jury.

Ma progression dans le monde du photovoltaïque est basée sur des relations
privilégiées avec mes différents « tuteurs » successifs. D‟abord Jean-François Lelièvre et
Erwann Fourmond de l‟INL, puis (surtout) Yannick Veschetti au LCS. Ce fut un réel plaisir
de travailler et apprendre autant avec eux. Je dois ajouter également Sébastien Dubois, qui,
bien que ne m‟ayant pas encadré, a su répondre à un grand nombre de mes questions. Merci
pour leur grande patience, leur disponibilité, et leur pédagogie.

Pendant ces trois années, j‟ai travaillé au sein d‟une équipe qui s‟est agrandie petit à
petit. Au sein de la HET-Team, je tiens à remercier tout particulièrement Aurélie
Vandenheynde, qui a consacré tout son temps et son énergie à faire avancer nos travaux
pendant les derniers mois de la thèse. Merci à Florent Souche, Anne-Sophie Ozanne et
Christine Denis, qui m‟ont également beaucoup aidés. Je n‟oublie pas Delfina Muðoz, ma
correctrice numéro un et néanmoins prof de yoga! Merci pour sa gentillesse et sa générosité.

Remerciements

Merci également à Anthony Favier, qui a tout tenté pour me faire reprendre le skateboard,
avec un succés limité jusqu‟à maintenant…

D‟autres collègues du labo ont fait avancer, de près ou de loin, ces travaux de thèse. Je
remercie Marc « Gyver » Pirot, Nicolas Enjalbert, Rémi Monna, Isabelle Chevalier, Armand
Bettinelli et Bruno Rémiat pour leurs nombreux coups de mains et conseils. Merci également
à Claude Jaussaud pour ses questions théoriques et Vincent Sanzone pour sa passion du débat.

Je tiens à remercier Djicknoum Diouf, Philippe Thony, Alexandre Ferron et Mathieu

Baudrit pour leur implication, à différents niveaux, dans nos études de simulation.

Au début de la thèse, une partie importante de la fabrication des cellules avait lieu au
LPICM. Merci à David Éon, puis Martin Labrune, pour leur collaboration et pour nous avoir
permis de commencer rapidement nos travaux.

Les quelques manips effectuées au CIME m‟ont permis d‟avancer rapidement de

manière autonome. Je tiens à remercier Delphine Constantin, pour m‟y avoir accueilli.

J‟ai eu souvent l‟occasion de collaborer avec l‟INL. Je remercie Anne Kaminski et
Caroline Boulord pour leur implication dans certains aspects de nos travaux. Merci également
à Barbara Bazer-Bachi, avec qui c‟est un plaisir de se poser des questions, puis d‟y répondre!

Je tiens particulièrement à remercier tous les « Précaires » avec qui j‟ai pu partager
mon bureau: Johann Jourdan, Hakim Marko, Mickaël Lozac‟h, Pierre Saint-Cast, Nicolas
Sassiat, Raphaël Cabal, Thomas Schütz-Kuschly, et Jordi Veirman. J‟ai apprécié discuter et
avancer avec eux, dans une ambiance de solidarité qu‟on aimerait retrouver partout.

Même si on passe une (trop) grande partie de sa vie au boulot, il reste encore beaucoup
de temps pour faire autre chose. À Grenoble, j‟ai eu la chance de cotoyer des personnes
extraordinaires: Lucile, Julien, Daphné, Jennifer, Christelle, Mamé, Cédric, Émilie et Jojo. Je
veux les remercier pour tous les bons moments qu‟on a passés ensemble. Merci tout
particulièrement à Jen pour sa douceur, sa patience et ses encouragements. J‟ai eu la chance
de retrouver des colocataires de luxe au Bourget : merci à Florian, Romain et Thomas de se
battre pour faire la vaisselle (et ce n‟est pas du second degré).

Je n‟oublie pas mes amis de Rouen, Lyon et Arêches, que je retrouve à chaque fois
avec joie. La place manquant ici pour tous les nommer, je leur adresse un grand merci
collectif pour les nombreux week end festifs et autres randonnées passés en leur compagnie.
Et pour finir, merci à mes parents, à mon frère et Manouche, ainsi qu‟à ma soeur pour leur
soutien inébranlable depuis toutes ces années. Déjà un quart de siècle qu‟ils me supportent…
dans tous les sens du terme!

INTRODUCTION

ETAT DE L’ART

TABLE DES MATIÈRES

1. Bases sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques en silicium cristallin

1.1 Nature du rayonnement solaire

1.1.1
Spectre solaire
1.1.2 Dualité de la lumière

1.2

Effet photoélectrique et production d‟énergie

1.2.1 L’effet photoélectrique
1.2.2 La diode p/n: base du dispositif photovoltaïque
1.2.3 Production d’énergie par un dispositif photovoltaïque

1.3

Limites intrinsèques à la conversion photovoltaïque

1.3.1 Absorption du rayonnement
1.3.2 Recombinaisons intrinsèques (radiatives et Auger)
1.3.3 Facteur de forme
1.3.4 Rendement maximal théorique d’une cellule c-Si

1.4

Limites technologiques à la conversion photovoltaïque

1.4.1 Pertes optiques et résistives
1.4.2 Recombinaisons volumiques Shockley-Read-Hall (SRH)
1.4.3 Recombinaisons surfaciques et au contact

2. La cellule photovoltaïque standard en silicium cristallin
2.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard

2.1.1 Texturation et Couche Anti-Reflet
2.1.2 Champ de Surface Arrière

La cellule standard optimisée: structure PERL

2.2
2.3 Cellule standard à émetteur inversé

3. Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium cristallin à haut rendement – 31
–

Structures à contacts en face arrière

3.1
3.2 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si

3.2.1 Choix du type de substrat
3.2.2 Nettoyage de surface
3.2.3 Couches a-Si:H
3.2.4 Oxyde Transparent Conducteur (OTC) et contacts
3.2.5 Traitements thermiques
3.2.6 Critères pour l’optimisation des cellules à hétérojonction silicium

3.3 Cellules à hétérojonctions a-Si:H / c-Si et contacts en face arrière

Conclusions

MATERIEL ET MÉTHODES EXPERIMENTALES

1. Fabrication des cellules solaires à hétérojonctions silicium
1.1 Dépôts de couches minces a-Si:H, a-SiNx:H et a-SiCx:H
1.2 Dépôts d‟ITO et contacts métalliques

– 1 –

– 5 –

– 11 –

– 11 –
– 11 –
– 11 –
– 12 –
– 13 –
– 13 –
– 14 –
– 16 –
– 18 –
– 18 –
– 19 –
– 20 –
– 20 –
– 20 –
– 21 –
– 21 –
– 22 –

– 25 –
– 25 –
– 26 –
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– 31 –
– 34 –
– 37 –
– 39 –
– 40 –
– 42 –
– 43 –
– 43 –
– 44 –

– 47 –

– 49 –

– 50 –
– 50 –
– 52 –

1.3 Grille de contact en face avant
1.4 Découpe des cellules

2. Méthodes de caractérisation

2.1 Caractérisation des couches minces

2.1.1 Propriétés de conduction
2.1.2 Épaisseur: ellipsométrie
2.1.3 Propriétés de passivation de surface: durée de vie effective
2.1.4 Vitesse de recombinaison de surface, courant de saturation de l’émetteur
2.1.5 Résistivité spécifique de contact (méthode TLM)
2.1.6 Transmission, réflexion et absorption
2.2 Caractérisation des cellules solaires

2.2.1 Paramètres électriques de la cellule solaire
2.2.2 Mesure SunsVoc
2.2.3 Réponse spectrale et cartographie en photocourant

3. Modélisation des dispositifs en deux dimensions

Conclusions

CHAPITRE I : REALISATION ET OPTIMISATION DE L’EMETTEUR ET DES
CONTACTS OHMIQUES

– 73 –

1. Fabrication de contacts ohmiques pour cellules à hétérojonctions silicium

1.1

Films a-Si:H de type n

1.1.1
1.1.2

Influence du flux de gaz dopant
Influence de l’épaisseur
1.2 Matériaux de contact électrique

1.2.1 Mesure de la résistivité spécifique de contact
1.2.2 Validation sur cellules à hétérojonction silicium standard

2. Fabrication d’émetteurs pour cellules à hétérojonctions silicium

2.1

Films a-Si:H de type p

2.1.1
2.1.2

Influence du flux de gaz dopant
Influence de l’épaisseur
2.2 Matériaux de contact électrique

2.2.1
2.2.2

Influence du travail de sortie
Influence de l’épaisseur d’a-Si:H

Conclusions du Chapitre I

CHAPITRE II : ÉTUDE DE LA FACE AVANT

1. Simple couche anti-reflet

Films de a-SiNx:H
Films de a-SiCx:H
Films d‟ITO

1.1
1.2
1.3
1.4 Comparaison des différents matériaux

2. Couche anti-reflet utilisant une couche de a-Si:H mince de passivation

2.1 Couche de a-Si:H mince de passivation

2.1.1 Étude du a-Si:H intrinsèque
2.1.2 Comparaison entre le a-Si:H intrinsèque et le a-Si:H dopé (n)
2.1.3 Étude de l’empilement a-Si:H (i) / a-Si:H (n)
2.1.4 Choix de la couche mince de passivation

– 2 –

– 53 –
– 54 –

– 55 –
– 55 –
– 55 –
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– 65 –
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– 67 –

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– 76 –
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– 79 –
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– 84 –
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– 88 –
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