THESE DE DOCTORAT SPECIALITE : PHYSIQUE. Ecole Doctorale «Sciences et Technologies de l Informatique des Télécommunications et des Systèmes»

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1 N D ORDRE : 9841 THESE DE DOCTORAT SPECIALITE : PHYSIQUE Ecole Doctorale «Scieces et Techologies de l Iformatique des Télécommuicatios et des Systèmes» Présetée ar : Djickoum DIOUF SUJET : Cellules hotovoltaïques silicium à hétérojoctios et à structure iterdigitée e face arrière Souteue le 15 Jui 2010 devat les membres du jury : M. Javier SCHMIDT Raorteur M. Heiz-Christoh NEITZERT Raorteur M. Pierre-Jea RIBEYRON Examiateur M. Pere ROCA i CABARROCAS Examiateur, Présidet du jury M. Christohe LONGEAUD Directeur de thèse M. Jea-Paul KLEIDER Ecadrat

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3 Cette thèse a été réarée au Laboratoire de Géie Electrique de Paris (L.G.E.P.) 11, rue Joliot-Curie Plateau du Moulo Gif-sur-Yvette

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5 REMERCIEMENTS Je ties tout d abord à remercier Christohe LONGEAUD our avoir acceté d être mo directeur de thèse. Jea-Paul KLEIDER m a suivi ces trois aées et ces remarques toujours judicieuses et ertietes témoiget d ue grade maitrise de la hysique. Mes remerciemets s adresset aussi à Frédéric BOUILLAUT, directeur de L.G.E.P our m avoir accueilli au sei de ce laboratoire où s est déroulée la thèse. Javier SCHMIDT et Heiz-Christoh NEITZERT ot acceté de juger ce travail e tat que raorteurs. Ils ot toute ma gratitude our ce travail. J exrime aussi ma recoaissace à Pierre-Jea RIBEYRON et Père ROCA i CABARROCAS qui m ot fait l hoeur de articier à mo jury de thèse comme examiateurs. J ai u bééficier de leurs exérieces lors de lusieurs réuios das le cadre des différets rojets euroées. U grad merci à tous les membres de l équie S.C.M. du L.G.E.P. Moussa SORO avec qui j ai artagé mo bureau our les discussios toujours itéressates sur la recherche et sur otre cher cotiet Africai. Aroua DARGA, otre aié africai, qui ous a motré la voie et s est toujours itéressé à mo travail. Peikig, Wilfried, Boris, Irèe, Jaafar, Vaessa, Olga et Jeifer our la boe ambiace sur et e dehors du laboratoire. Ae Miga-Dubois a aussi articié à la correctio de ce mauscrit, je la remercie our ces coseils. Thibaut DESRUES qui a assuré la artie exérimetale à l I.N.E.S. / C.E.A., m a aussi aorté ue aide cosidérable. La collaboratio fut erichissate our ce beau challege que costitue la réalisatio de cette structure iovate. U «big u» à tous les doctorats footeux du L.G.E.P. et de SUPELEC our les mémorables arties de foot qui furet u moye très efficace our s aérer l esrit. Je e ourrai termier sas avoir lus qu ue esée à ma famille à Dakar. Mes arets se sot sacrifiés our me ermettre de veir faire mes études uiversitaires e Frace et e m ot jamais oublié das leurs rières. Mes frères et sœurs m ot aussi toujours souteu et ecouragé. Je leur dédie à tous ce travail.

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7 SOMMAIRE Itroductio Géérale... 1 Chaitre I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques... 5 I.1 Descritio d ue cellule hotovoltaïque... 6 I.1.1 Historique de l effet hotovoltaïque... 6 I.1.2 Rayoemet solaire... 7 I.1.3 Pricie de foctioemet d ue cellule... 8 I.2 Les différets tyes de cellules I.3 Les cellules covetioelles (1D) silicium à hétérojoctios I.3.1 Structure I.3.2 Les deux semi-coducteurs de base : le silicium cristalli et le silicium amorhe.15 I.3.3 Les comosats de la cellule silicium à hétérojoctios I.3.4 Déveloemet et avatages de la techologie silicium à hétérojoctios I.3.5 Résultats marquats I.4 Les cellules silicium (2D) à cotacts arrière iterdigités I.4.1 Les cellules silicium à homojoctios à cotacts arrières iterdigités I.4.2 Les cellules silicium à hétérojoctios et à cotacts arrières iterdigités Coclusios Référeces Chaitre ІІ : Simulatio de l hétérojoctio silicium amorhe/ silicium cristalli ІІ.1 Modèle hysique our la simulatio de disositifs à base de semi-coducteur ІІ.1.1 Calcul de la cocetratio des orteurs das u semi-coducteur ІІ.1.2 Equatios de base de la modélisatio ІІ.1.3 Calcul de la desité ette de charge ІІ.1.4 La géératio otique des aires électro-trou ІІ.1.5 Les héomèes de recombiaiso das les semi-coducteurs ІІ.1.6 Les coditios aux limites ІІ.2 Pricie de base de l hétérojoctio a-si:h/c-si ІІ.2.1 Le modèle d Aderso ІІ.2.2 Comlémets au modèle d Aderso ІІ.3 Simulatio de l hétérojoctio a-si:h/c-si II.3.1 Le logiciel de simulatio AFORS-HET ІІ.3.2 Le logiciel de simulatio ATLAS de Silvaco ІІ.3.3 Modélisatio des différets matériaux d ue cellule silicium à hétérojoctios 67 Coclusios Référeces... 73

8 Chaitre ІІІ : Simulatio de la cellule hotovoltaïque silicium à hétérojoctio et à structure iterdigitée e face arrière ІІІ.1 Cadre gééral de la simulatio III.1.1 Le modèle de géératio otique III.1.2 Les modèles de recombiaiso cosidérés III.1.3 La mobilité des orteurs ІІІ.2 La structure de référece ІІІ.2.1 La géométrie de la structure de référece ІІІ.2.2 Le maillage ІІІ.2.3 Les diagrammes de bades à l équilibre thermodyamique ІІІ.3 Résultats de simulatio ІІІ.3.1 Etude de l ifluece du substrat c-si ІІІ.3.2 Passivatio de la face avat ІІІ.3.3 Etude de l hétéro-iterface c-si/a-si:h à l arrière des structures ІІІ.3.4 Otimisatio de la géométrie de la face arrière ІІІ.3.5 Etude de l ifluece des cotacts Coclusios Référeces Chaitre IV : Etudes comaratives etre les structures. Premiers résultats exérimetaux.115 ІV.1 Comaraiso etre les différetes cellules covetioelles (1D) IV.1.1 Présetatio des cellules silicium covetioelles (1D) IV.1.2 Résultats de simulatios IV.2 Les cellules iterdigitées (2D) : homojoctio/ hétérojoctio IV.2.1 Présetatio des cellules iterdigitées IV.2.2 Résultats de simulatio IV.2.3 Imact de la techique d aligemet IV.3 Les cellules à hétérojoctio : 1D cotre 2D IV.4 Vers 25 % de redemet IV.4.1 Otimisatio de l hétéro-iterface c-si/a-si:h IV.4.2 Texturatio de surface IV.4.3 Réflexio sur la face arrière IV.5 Résultats exérimetaux IV.5.1 Das la littérature IV.5.2 Résultats du rojet QCPASSI Coclusios Référeces Coclusios géérales et ersectives Publicatios de l auteur

9 INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION GENERALE 1

10 INTRODUCTION GENERALE La roblématique de l éergie est au cetre de l actualité modiale. Avec ue cosommatio et ue demade croissates liées au déveloemet idustriel, la roductio de l éergie est ue questio cetrale de otre société avec des imlicatios écoomique, géoolitique, eviroemetale et sociale. La roductio modiale d éergie est largemet domiée ar les éergies fossiles (charbo, étrole, gaz) qui rerésetet 78 % du marché e 2008 [1]. Ces sources d éergie fossiles o reouvelables qui sot éfastes à l eviroemet disoset de stocks ecore disoibles our quelques déceies. La grade majorité des exerts modiaux s accorde à travers le GIEC (Groue d'exerts itergouveremetal sur l'évolutio du climat) sur le fait que l augmetatio des gaz à effet de serre issus de la combustio de ces éergies fossiles est à l origie du réchauffemet climatique. La tedace actuelle est de déveloer les éergies reouvelables our la roductio d éergie. Les riciales sources d éergie reouvelables sot le solaire (hotovoltaïque et thermique), l hydro-électricité, l éolie, la biomasse et la géothermie. Elles ermettet de roduire ue éergie rore qui e uit as à l eviroemet et disoset de stocks icommesurables. La diversité de ces sources d éergies reouvelables est u avatage car leur comlémetarité est à mettre e avat our assurer u arovisioemet durable et cotiu. Le hotovoltaïque qui reose sur la trasformatio de l éergie du soleil e électricité costitue ue voie d aveir our la roductio d éergie électrique reouvelable. La uissace d éergie hotovoltaïque istallée das le mode arochait les 15 GWc e 2008 [2] et coait ue forte croissace (Voir Figure 1). Le hotovoltaïque ossède lusieurs avatages : la source (soleil) est iéuisable et disoible sur toute la laète, le tems de retour sur ivestissemet éergétique (tems écessaire our rembourser l éergie écessaire à la fabricatio des aeaux) est d eviro trois as alors que les aeaux euvet durer jusqu à 50 as (ils sot garatis sur 25 as) et écessitet très eu d etretie. Figure 1 : Puissace d éergie hotovoltaïque istallé ar régio das le mode [2]. Des olitiques icitatives sot et doivet être déveloées our aider ce secteur à s istaller durablemet car le rix de l électricité hotovoltaïque reste suérieur à celui des électricités covetioelles même si ue baisse costate est observée. Das cette otique, les deux grades tedaces du marché hotovoltaïque our augmeter la roductio sot la réductio drastique des coûts de fabricatio (< 1 /Wc) et l obtetio de hauts redemets (> 20 %). La techologie à base de silicium cristalli domie le marché hotovoltaïque avec 67 % de la roductio modiale de aeaux e 2008 [2]. Elle bééficie d ue base de savoir faire et de 2

11 INTRODUCTION GENERALE coaissaces, d ue fiabilité rouvée, des redemets élevés et u fort otetiel de réductio des coûts et d augmetatio du redemet de coversio. Des études sot meées das ce ses à travers des rojets iovats our améliorer les rocédés de fabricatio et déveloer de ouvelles structures de cellules hotovoltaïques. Le rojet euroée QCPASSI etre e droite lige avec ces évolutios du marché hotovoltaïque. E effet, l objectif du haut redemet est à la base de ce rojet ar l utilisatio combiée d ue architecture iovate (structure à cotacts arrières) et de la techologie silicium à hétérojoctio silicium cristalli (c-si)/ silicium amorhe hydrogéé (a-si:h) ayat u otetiel bie au delà de 20 % de redemet. De lus, la réductio de l éaisseur des traches de silicium ermettra d obteir u gai sigificatif e termes de coût matière : la structure de la cellule e face arrière et le fait d effectuer le rocédé à basse temérature ermettrot de réduire les cotraites iteres (e articulier mécaique) de la cellule autorisat l utilisatio de traches très fies. De lus, il dimiuera cosidérablemet le budget thermique du rocédé cellule avec le déveloemet de rocédés basse temérature avec l utilisatio du silicium amorhe. Les recherches effectuées au cours de cette thèse ot cosisté à mettre e lace u modèle our simuler et étudier le foctioemet des cellules silicium à hétérojoctios et à structure iterdigitée e face arrière. Le mauscrit se divise e quatre chaitres : le remier chaitre sera cosacré à des gééralités sur le secteur hotovoltaïque. U accet articulier sera mis sur la résetatio des cellules hotovoltaïques à hétérojoctio c-si/a-si:h. Les cellules à cotacts arrières qui costituet ue structure iovate serot résetées aisi que leurs avatages ar raort à ue structure covetioelle. le deuxième chaitre ortera sur la résetatio du modèle mathématique utilisé our la modélisatio des cellules hotovoltaïques. Les modèles hysiques utilisés serot résetés. Les deux outils de simulatio AFORS HET et ATLAS de Silvaco utilisés das ce travail serot aussi résetés. Le troisième chaitre sera cosacré à la simulatio de la cellule silicium à hétérojoctio et à cotacts arrières. Ue étude exhaustive de l ifluece des aramètres géométriques (liés à la structure utilisée) et électriques (liés aux matériaux utilisés) sera meée afi de mieux comredre le foctioemet de ce tye de cellule et de détermier les aramètres critiques. Le quatrième et derier chaitre ermettra de faire ue étude comarative etre les cellules à structure covetioelle et les cellules à cotacts arrière d ue art et d autre art etre la techologie silicium à homojoctios et celle à hétérojoctios. 3

12 INTRODUCTION GENERALE Référeces [1] Aual Eergy Outlook 2010 Early Release Overview, EIA, December [2] Global Market Outlook for Photovoltaic util 2013, EPIA, Aril

13 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques 5

14 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques I.1 Descritio d ue cellule hotovoltaïque Pour décrire le foctioemet d ue cellule hotovoltaïque, il est écessaire de réseter le rayoemet solaire qui est la source d éergie icidete. Mais commeços d abord ar u rael historique des dates imortates de la découverte de l effet hotovoltaïque à la réalisatio de cellules hotovoltaïques. I.1.1 Historique de l effet hotovoltaïque L'effet hotoélectrique est l émissio d électros d u matériau, qui eut être u métal ou u semi-coducteur, lorsqu il est éclairé. Les électros e sot émis que si la fréquece de la lumière est suffisammet élevée (la fréquece limite déed du matériau), alors que leur ombre, qui détermie l'itesité du courat, est roortioel à l'itesité de la source lumieuse. Deux effets sot à distiguer : l émissio d électros roremet dite et la modificatio de la coductivité du matériau qui doe l effet hotovoltaïque. La coversio hotovoltaïque reose sur l effet hotovoltaïque qui cosiste e la trasformatio de l éergie lumieuse e éergie électrique. La aissace d ue techologie résulte bie souvet de la combiaiso des résultats des travaux coexes meés ar ombre de chercheurs. C est bie le cas our le hotovoltaïque. De la découverte de l effet hotoélectrique à la cocetio de la cellule hotovoltaïque il a fallu attedre u siècle! Voici les dates imortates das l histoire du hotovoltaïque : 1839 : Le fraçais Alexadre Edmod Becquerel (1820/1891) découvre l effet hotoélectrique. Avec so ère Atoie César Becquerel (1788/1878), ils résetet devat l Académie des Scieces l effet hotoélectrique exérimeté avec des électrodes de latie et de cuivre logées das ue solutio électrolytique acide [1] : Willoughby Smith (1828/1891), igéieur électricie aglais, découvre avec so assistat J. May les roriétés hotosesibles du séléium : Erst Werer Vo Siemes (1816/1892), igéieur et idustriel allemad, exose devat l Académie des Scieces de Berli u article sur l effet hotovoltaïque das les semicoducteurs. Mais jusqu à la Secode Guerre Modiale, le héomèe reste ecore ue curiosité de laboratoire : William Grylls Adams (1836/1915), rofesseur aglais, met e évidece l effet hotovoltaïque du séléium : Erst Werer vo Siemes récise que la coductivité du séléium est roortioelle à la racie carrée de l itesité de la lumière et imagie les ossibilités de catage de l éergie solaire : Heirich Rudolf Hertz (1857/1894), hysicie allemad, ublie les résultats de ses exérieces hotoélectriques das u article ititulé "Sur u effet de la lumière ultraviolette sur les décharges électriques" : Philie Leard (1862/1947), hysicie allemad, fait ue série d observatios sur l éergie ciétique des électros et détermie que le seuil de l effet hotoélectrique déed de la fréquece de la lumière icidete. 6

15 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques 1905 : Albert Eistei (1879/1955), hysicie allemad, ublie "Sur u oit de vue heuristique cocerat la roductio et la trasformatio de la lumière". E 1921, il reçoit le rix Nobel de hysique our so aort à la hysique théorique et articulièremet so exlicatio de l effet hotoélectrique : Robert Adrews Millika (1868/1953), hysicie américai, cofirme exérimetalemet les travaux d Eistei : Russel Ohl (1898/1987), igéieur américai, découvre la joctio - et ses travaux le coduiset à déveloer la remière cellule solaire e silicium : La remière hotoile a été déveloée aux États-Uis ar les chercheurs des laboratoires Bell (D.M. Chai, C.S. Fuller, et G. L. Pearso), qui ot découvert que la hotosesibilité du silicium ouvait être augmetée e ajoutat des "imuretés" [2]. C'est ue techique aelée le "doage" qui est utilisée our tous les semi-coducteurs. Leur cellule solaire a u redemet de coversio de 6 %. Cette découverte costitue our l idustrie satiale aissate ue solutio idéale our satisfaire les besois e électricité à bord des satellites : Ue cellule avec u redemet de coversio de 9 % est mise au oit. Les remiers satellites alimetés ar des cellules solaires sot evoyés das l esace. Ce résumé historique laisse malheureusemet das l ombre de ombreux chercheurs qui ot directemet ou idirectemet fait aître la techologie hotovoltaïque. Arès cet historique, ous allos rocéder à ue descritio du rayoemet solaire. I.1.2 Rayoemet solaire Le soleil est ue source d éergie iéuisable cosidérée das l atiquité comme u dieu. Cette étoile distate de 150 millios de km de la terre est costituée d'eviro 85% d'hydrogèe et de 15% d'hélium. Sa temérature itere est de 15 à 20 millios de degrés Celsius. Ce flot cotiu de chaleur roviet d'ue fusio ucléaire qui trasforme l'hydrogèe e hélium. L'éergie libérée das les rofodeurs du soleil rayoe esuite das l'esace sous forme de lumière et de chaleur ricialemet. Le sectre solaire, e remière aroximatio, s'aarete lutôt au sectre d'émissio d u cors oir de temérature K. Le soleil émet doc u sectre das des logueurs d'ode de 290 à 2770 m qui comred les rayos ultraviolets, les couleurs de l'arc-e-ciel et les rayos ifrarouges. L atmoshère terrestre joue le rôle de filtre et e laisse asser qu ue artie de ce sectre. Outre l absortio das les différetes couches de l atmoshère, la latitude du lieu d observatio, les coditios climatiques (saiso, tems) et aussi les gaz résets das l atmoshère (l ozoe O 3, le dioxyde de carboe CO 2 et l eau H 2 O) costituet des obstacles limitat la diffusio de la lumière. La otio de AM our «Air Mass» (masse atmoshérique) a été défiie our ouvoir comarer les erformaces des cellules hotovoltaïques. Cette covetio ermet d harmoiser les résultats obteus das les laboratoires. AM quatifie la uissace absorbée ar l atmoshère e foctio de l agle θ du soleil ar raort au zéith. 1 AM (1.1) cos( ) 7

16 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Les sectres solaires AM0 et AM1.5 sot ricialemet utilisés our évaluer les redemets de coversio des cellules solaires. AM0 rerésete le sectre solaire das l esace (hors atmoshère) et est utilisée our évaluer les erformaces des cellules solaires our alicatios satiales. Le sectre solaire AM 1.5 rerésete le sectre solaire sur terre à ue altitude de 0 m e lei soleil et avec u agle zéithal θ de 48,2 (cette valeur de θ doat AM = 1,5). Le redemet de coversio d ue cellule our alicatio terrestre est défii à 25 C et avec u sectre solaire AM 1.5 dot la uissace icidete est de W/m 2. Figure 1.1 : Sectres du cors oir à la temérature de K, du rayoemet solaire hors de l atmoshère AM0 et celui au iveau de la mer AM1.5 avec les raies d absortio de certais costituats de l atmoshère comme la vaeur d eau, l oxygèe et l ozoe. I.1.3 Pricie de foctioemet d ue cellule Pour mieux comredre le ricie de foctioemet d ue cellule hotovoltaïque, il est imortat de décrire les héomèes qui régisset l iteractio etre u semi-coducteur et le rayoemet lumieux. I L iteractio rayoemet/semi-coducteur Les trois rocessus qui euvet se roduire lors de l iteractio rayoemet/semi-coducteur sot : l absortio fodametale qui rerésete le assage d u électro d u état occué de la bade de valece à u état vide de la bade de coductio arès l absortio d u hoto, l émissio sotaée qui rerésete le assage d u électro de la bade de coductio à la bade de valece avec émissio d u hoto, l émissio stimulée qui rerésete le assage d u électro de la bade de coductio à la bade de valece suite à l absortio d u hoto avec l émissio d u deuxième hoto. 8

17 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Ces différets rocessus sot foctio du tye de semi-coducteur. Nous devos distiguer les semi-coducteurs à bade iterdite directe et ceux à bade iterdite idirecte. U semi-coducteur est à bade iterdite directe quad le miimum de la bade de coductio et le maximum de la bade de valece sot obteus our ue même valeur du vecteur d ode k (voir figure 1.2(a)). Les trasitios bade à bade (de la bade de coductio vers la bade de valece) sot radiatives (émissio sotaée) et sot favorisées avec ce tye de semi-coducteur utilisé e otoélectroique (matériau III-V e gééral comme le GaAs). U semi-coducteur est à bade iterdite idirecte quad le miimum de la bade de coductio est décalé ar raort au maximum de la bade de valece das l esace des k. Les trasitios bade à bade imliquet u chagemet de vecteur d ode k et sot doc o-radiatives (voir figure 1.2(b)). Ceci est le cas même si avec u hoto de lus grade éergie, u électro eut être directemet excité vers u miimum relatif de la bade de coductio et se thermalise das le miimum absolu de la bade de coductio. La trasitio d u électro das u matériau à bade iterdite idirecte est assistée ar u hoo absorbé ou émis ar l électro afi que so vecteur d ode corresode au maximum de la bade de valece our absorber u hoto. Figure 1.2 : Trasitios bade à bade das u semicoducteur (a) à bade iterdite directe et (b) à bade iterdite idirecte. I Foctioemet et caractéristiques de sortie d ue cellule hotovoltaïque Le foctioemet de toute cellule hotovoltaïque est basé sur l existece d u cham itere afi de séarer les aires électro- trou géérées ar l absortio de la lumière. Cette barrière de otetiel eut être créée ar: ue joctio - avec u même semi-coducteur que l o aelle homojoctio ue joctio - avec deux semi-coducteurs différets que l o aelle hétérojoctio u cotact métal/semi-coducteur de tye Schottky 9

18 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Le ricie de foctioemet d ue cellule à joctio - à homojoctio est décrit das la figure 1.3. Les hotos icidets créet des aires électro-trou et ous avos deux scéarios ossibles suivat le lieu de créatio des aires électro-trou : Si ue aire est géérée das ue zoe électriquemet eutre ( ou ), les orteurs diffuset. Si les orteurs mioritaires atteiget la zoe de charge d esace alors ils sot roulsés ar le cham électrique das la zoe où ils devieet orteurs majoritaires. Ces orteurs cotribuet aisi au courat ar leur diffusio et il se crée u courat de diffusio. Si ue aire est géérée das la zoe de charge d esace, l électro et le trou sot séarés ar le cham électrique et chacu est roulsé das la régio où il est orteur majoritaire (régio our l électro et régio our le trou). Ces orteurs doet aissace à u courat de géératio. Ces deux cotributios doet aissace à u hotocourat qui cotribue au courat iverse de la diode formée ar la joctio. Le courat iverse d ue joctio - est foctio des desités de orteurs mioritaires das les régios eutres de la diode et de la géératio de aires électro-trou das la zoe de charge d esace. L éclairemet augmete le courat iverse ar la créatio de orteurs mioritaires das les zoes eutres et la géératio de aires électro-trou das la zoe de charge d esace. Figure 1.3 : Illustratio du foctioemet d ue cellule hotovoltaïque covetioelle. Sous illumiatio, le courat aux bores d ue joctio - qui costitue la cellule hotovoltaïque est doé ar l exressio suivate : I qv I s ex I h ikbt 1, (1.2) où I s est le courat de saturatio, V est la tesio aliquée, i est le facteur d idéalité de la diode, I h le courat hotogééré, q la valeur absolue de la charge élémetaire, k B la costate de Boltzma et T la temérature. 10

19 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Les aramètres de sortie d ue cellule hotovoltaïque sot aisi défiis à artir de la caractéristique I(V) sous illumiatio : I SC le courat de court-circuit qui corresod au courat obteu à V=0. V OC la tesio de circuit ouvert qui corresod à u courat ul. V max la tesio obteue au oit de foctioemet maximal (uissace maximale) I max le courat obteu au oit de foctioemet maximal (uissace maximale) FF le facteur de forme défii ar : FF V max I V OC I max (1.3) SC ηle redemet de coversio est le raort etre la uissace maximale P max obteue avec la cellule sur la uissate icidete (P ic est doée ar uité de surface): Pmax VmaxI max VOC I SC FF (1.4) P S P S P S ic ic ic I V max V OC V Puissace utile I max I SC Figure 1.4 : Caractéristiques de sortie d ue cellule hotovoltaïque à artir de la courbe courat-tesio sous éclairemet. L exressio 1.2 corresod à la relatio courat-tesio d ue cellule idéale. E ratique, des résistaces série R S et arallèle R P existet et la relatio courat-tesio d ue cellule réelle est doée ar : I q V R I I 1 V R I S S s ex I h ikbt (1.5) RP 11

20 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Le circuit électroique équivalet est reréseté sur la figure 1.5. R S I I h I S R P R charge V Figure 1.5 : Circuit électrique équivalet d ue cellule hotovoltaïque réelle. I Origies des ertes das ue cellule La coversio de l éergie solaire e éergie électrique est jamais totale. L origie des ertes est diverse. Elles sot liées aux matériaux utilisés (silicium ici) mais aussi à la techologie. Ue remière source de erte est l absortio icomlète du sectre solaire ar le silicium. E effet, les hotos ossédat ue logueur d ode suérieure à celle associée à la largeur de la bade iterdite du silicium sot erdus car e ouvat être absorbés. 23,5 % du sectre solaire est aisi erdu. Les ertes ar thermalisatio sot aussi imortates. E effet, les hotos ossédat ue éergie tro grade ar raort à la largeur de la bade iterdite e euvet géérés qu ue seule aire électro-trou. L excès d éergie est erdu ar thermalisatio comme reréseté sur la figure 1.2. Pour le silicium, cela rerésete 33% avec u sectre AM1.5. Des cellules dites de troisième géératio avec l itroductio des héomèes de dow-coversio et u-coversio sot à l étude our réduire ces ertes. Le cocet de dowcoversio cosiste à trasformer u hoto tro éergétique e lusieurs hotos d éergie suérieure à la largeur de la bade iterdite du silicium [3]. Le cocet de u-coversio quat à lui cosiste trasformer lusieurs hotos de faible éergie o absorbés e u seul hoto absorbé [3, 4]. D autres cocets sot aussi à l étude tels que les cellules tadem, les structures avec électros chauds [5], les structures thermohotovoltaïques [6], les structures avec olymères orgaiques L origie de la dégradatio des caractéristiques de sortie sot aussi multiles : Lors de la formatio de la joctio -, il se crée à l équilibre thermodyamique ue barrière de otetiel qui s oose à la diffusio des orteurs majoritaires. La hauteur de cette barrière de otetiel que l o aelle tesio de diffusio V D costitue la valeur théorique maximale que eut atteidre le V OC. E utilisat l exressio 1.2, le V OC est doé ar : ik BT I SC V OC l (1.6) q I S Le V OC est meilleur avec u courat de saturatio lus faible. Pour dimiuer le courat de saturatio, il faut utiliser u substrat de boe qualité (durées de vie des orteurs élevées), et de faible résistivité. Toutefois, il faut aussi oter qu avec u substrat mois résistif, la durée de vie des orteurs se dégrade doc u comromis est à trouver. La réductio de l éaisseur 12

21 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques coduit aussi à ue amélioratio du I S (doc du V OC ) avec la réductio des recombiaisos volumiques. Le courat de court-circuit I SC est essetiellemet coditioé ar le ombre de hotos qui éètre das la cellule. La réflexio sur la face avat de la cellule détermie le ombre de aires électro-trou créées. Cela exlique l utilisatio et l otimisatio des TCO (Trasaret Coductive Oxyde, oxyde coducteur trasaret), écessaires à la rise de cotacts, et des couches atireflets afi de réduire la réflexio. La texturatio ermet de réduire ecore lus cette réflexio. A cette réflexio miimisée, il faut aussi ajouter la qualité du substrat et de la assivatio des surfaces qui ermettet de réduire les recombiaisos volumiques et e surface des orteurs afi de ouvoir les collecter. Le facteur de forme FF est essetiellemet limité ar les résistaces série. Par résistace série, ous etedos toute sorte de résistace : résistace de cotact etre le métal et le semicoducteur, résistace des doigts de métallisatio, résistace du bus-barre (cotacts vers le réseau) et résistace de substrat. Miimiser ces résistaces au iveau des cotacts est aussi écessaire our avoir de boes erformaces. I.2 Les différets tyes de cellules Das le hotovoltaïque, il existe de ombreuses filières qui euvet être regrouées e deux grads groues : la filière silicium et la filière couches mices. La filière silicium regroue toutes les cellules à base de silicium cristalli ou multicristalli. Elle est comosée de cellules silicium à homojoctios et à hétérojoctios. Cette filière domie toujours le marché de la roductio des modules hotovoltaïques : 90 % e 2005 et 67 % e 2008 [7]. Les substrats de silicium cristalli utilisés sot ecore assez éais (250 µm) et rerésetet ue boe artie du coût de fabricatio d où la tedace vers l utilisatio de substrats mois éais our baisser les coûts de fabricatio. 25 % costitue le meilleur redemet obteu e laboratoire ar le rofesseur Marti Gree de l UNSW (Uiversity of New South Wales). La filière couches mices coait ue croissace imortate ces derières aées comme ous ouvos le voir sur la figure 1.6. Elle est comosée de lusieurs braches : Les cellules e couches mices à base silicium amorhe. Les cellules sot soit à simle joctio -i- ou bie à joctios multiles. Les éaisseurs sot de l ordre du μm ce qui red cette filière mois couteuse avec ceedat des redemets lus faibles. Les meilleurs redemets (15 %) ot été obteus avec des triles joctios. Les cellules e couches mices de la famille des chalcoyrites Cu(I,Ga)Se 2 (CIGS) ou Cu(I,Ga)(Se,S) 2 (CIGSS). Des redemets de l ordre de 20,1 % ot été obteus avec des cellules CIGS. La rareté de l idium et du gallium eut costituer u frei our cette filière. Les cellules multi-joctios e semi-coducteurs III-V (GaAs, AlGaAs, IGaAsP). De très bos redemets sot obteus avec cette filière mais les coûts de fabricatio sot lus élevés (bâti sous ultravide, croissace très lete). Les cellules sot destiées à des alicatios satiales. U redemet de 32 % a été obteu avec ue trile joctio GaIP/GaAs/Ge sas cocetrateur et 41 % avec cocetrateur. 13

22 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Les cellules orgaiques qui suscitet u itérêt gradissat otammet avec u coût de fabricatio otetiel très faible même si l ecasulatio our lutter cotre l oxydatio reste roblématique. Elles sot ecore ceedat à l état de recherche avec des redemets e déassat as 5 %. Les cellules à colorats (Grätzel) sot aussi à bas coûts avec des redemets maximum de 11 % mais le vieillissemet raide de ces cellules est roblématique. Figure 1.6 : Evolutio des deux filières hotovoltaïques, silicium (wafer based) et couches mices (Thi film) etre 2005 et A ces deux grades filières qui occuet l essetiel du marché hotovoltaïque, ous ouvos ajouter les cellules e tellurure de Cadmium (Cd état toxique) et aussi les techologies e gestatio (électros chauds, ioisatio ar imact, bade itermédiaire). Ces cocets sot à l état de recherche. Notre travail est orieté vers la filière silicium et lus articulièremet les cellules à hétérojoctios à base de silicium cristalli. Nous réseteros das la suite les cellules covetioelles à hétérojoctios, les cellules à cotacts arrières iterdigités à homojoctios et les cellules à cotacts arrières iterdigités à hétérojoctios. I.3 Les cellules covetioelles (1D) silicium à hétérojoctios I.3.1 Structure La figure 1.7 rerésete la structure covetioelle d ue cellule silicium à hétérojoctios où les cotacts sot lacés sur les deux faces de la structure. Sur u substrat de silicium cristalli, sot déosées sur les deux faces des couches de silicium amorhe hydrogéé qui vot créer des hétérojoctios etre le silicium cristalli et le silicium amorhe. La couche de a-si:h déosée sur la face avat (face éclairée) a u doage différet du substrat c-si et est aelée émetteur. La couche de a-si:h déosée sur la face arrière est du même tye de doage que le substrat et est aelée BSF (Back Surface Field). Au dessus de l émetteur est esuite déosé u oxyde trasaret coducteur. Les cotacts métalliques sot efi lacés sur les deux faces de la cellule. 14

23 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Cotacts avat émetteur TCO (80 m) a-si:h ( ou ; 10 m) Substrat ou base c-si ( ou ; 250 µm) BSF a-si:h ( ou ; 10 m) Cotacts arrière Figure 1.7 : Structure d ue cellule hotovoltaïque silicium à hétérojoctios I.3.2 Les deux semi-coducteurs de base : le silicium cristalli et le silicium amorhe I Le silicium cristalli Le choix de la largeur de bade iterdite idéale our ue cellule résulte d u comromis : ue largeur de bade iterdite lus imortate etraie d ue art u courat de saturatio lus faible (augmetatio du V OC ) et d autre art ue réductio de l absortio (dimiutio du I SC ). Comte teu de ces évolutios, la largeur de bade iterdite otimale se situe à 1,4 ev. Les matériaux les mieux adatés our les alicatios hotovoltaïques sot das l ordre le GaAs (1,42 ev à 300 K), l IP (1,27 ev à 300 K) et le silicium cristalli (1,12 ev à 300 K). Le silicium est as doc à riori le choix idéal d autat lus que c est u semi-coducteur à bade iterdite idirecte ce qui limite l absortio du rayoemet lumieux comaré à u matériau à bade iterdite directe comme le GaAs. E effet, 1 µm de GaAs ermet d absorber 90 % du rayoemet lumieux alors qu il faut 100 µm de silicium cristalli. Le silicium reste ceedat le matériau le lus utilisé das l idustrie hotovoltaïque. Les cellules hotovoltaïques à base de silicium cristalli occuaiet 67 % du marché de la roductio modiale des modules hotovoltaïques e 2008 [7]. L itérêt de ce semicoducteur est multile : abodat das la ature, o toxique, so doage est assez facile avec du bore ou du hoshore. Le silicium bééficie aussi de so imlatatio das l idustrie de la microélectroique. Cette idustrie utilise du silicium cristalli de très boe qualité (grade ureté) et chimiquemet stable das le tems. Aisi, des techiques de croissace ot été déveloées our obteir cette ureté otammet e réduisat les défauts (dislocatios) das le matériau. La qualité du silicium cristalli est foctio de la techique utilisée our so élaboratio. Nous avos ricialemet : Le silicium moocristalli (c-si) élaboré avec la techique Float zoe (Fz) qui ermet d obteir des matériaux avec ue durée de vie des orteurs allat de 500 µs à 5 ms [8]. 15

24 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Le silicium moocristalli élaboré avec la techique Czochralski (Cz) qui ermet d obteir des matériaux avec ue durée de vie des orteurs allat de 50 µs à 500 µs [9]. le silicium multi-cristalli (mc-si) élaboré à artir de sources de matériaux mois raffiées. Il se caractérise ar la résece de joits de grais qui limitet la durée de vie des orteurs (de 1 µs à 100 µs). Les redemets obteus avec des cellules hotovoltaïques à base de silicium moocristalli sot lus imortates. Mais, il faut sigaler que les techiques d élaboratio utilisées our obteir du silicium moocristalli sot très couteuses. Le silicium multi-cristalli a doc l avatage d être mois couteux que le silicium moocristalli. Cela exlique la rédomiace des cellules à base de silicium multi-cristalli das l idustrie hotovoltaïque. I Le silicium amorhe La structure La référece [10] costitue u ouvrage de référece our «comredre» le silicium amorhe. La structure du silicium amorhe est, ar oositio à celle du silicium cristalli (réseau régulier d atomes sur la figure 1.8(a)), u réseau aléatoire d atomes qui coserve u ordre local (à courte distace). E effet, ue distributio régulière d atomes est resectée our les remiers voisis (ordre à courte distace) mais lus o s éloige d u atome doé lus les logueurs et agles de liaisos fluctuet (désordre à grade distace). Aisi, les ositios atomiques sot distribuées aléatoiremet et ue grade artie des liaisos de covalece sot brisées. Les atomes du réseau aléatoire se caractériset o lus ar leur ositio mais lutôt ar le ombre de liaisos qu ils ot avec leurs voisis : c est la otio de coordiatio qui a été itroduite ar Zachariase e La figure 1.8(b) motre u exemle de réseau aléatoire das le silicium amorhe. Certaies liaisos e sot as satisfaites tadis que d autres sot reliées à des atomes d hydrogèe. (a) (b) Figure1. 8: Réseaux (a) ériodique das le silicium cristalli et (b) aléatoire das le silicium amorhe. hydrogèe silicium. La ériodicité du réseau cristalli est à la base de la théorie des semi-coducteurs. L alicatio du théorème de Bloch et la résolutio de l équatio de Schrödiger e utilisat u otetiel ériodique ermettet de détermier l existece d ue structure de bades. Pour les semi-coducteurs à 0 K l avat derière bade (bade de valece) est totalemet remlie et la derière bade (bade de coductio) est totalemet vide. Ces deux bades sot séarées ar ue bade iterdite (ga e aglais). Das le silicium amorhe, le réseau d atomes est 16

25 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques aléatoire ce qui red ioérat cette aroche. Mais, les travaux de Thore et Weaire e 1971 ot motré que la ériodicité du réseau (ordre à logue distace) est as ue coditio écessaire à l existece d ue bade iterdite das le silicium amorhe : l ordre à courte distace est suffisate [11]. Les travaux d Aderso ot motré quat à eux les héomèes de localisatio de la foctio d ode de l électro avec u désordre croissat [12]. Il existe des états localisés das la bade iterdite ou e bord de bade (de coductio ou de valece). Aisi, das le silicium amorhe, les défauts ot our origie : le désordre das le matériau dû la distorsio des liaisos (variatios des logueurs et agles de liaiso) qui fait aaraitre des états das la bade iterdite au voisiage des bades de valece et de coductio. Ces états sot aelés queues de bade. Les liaisos Si-Si brisées (ou edates) qui fot aaraitre des états rofods. Ces états sot situés au milieu de la bade iterdite. Le doage du silicium amorhe est ossible e dimiuat ces états rofods ar l itroductio d atomes d hydrogèe qui dimiuet le ombre de liaisos edates. La distributio des états das la bade iterdite La distributio d états gééralemet utilisée our décrire les défauts das la bade iterdite du silicium amorhe est rerésetée sur la figure 1.9 et est comosée ar : Les queues de bade qui sot des états e bord de bade (tail states) de tye doeur du coté de la bade de valece et acceteur du coté de la bade de coductio et sot rerésetées ar ue distributio exoetielle décroissate. La queue de bade de coductio (QBV) est de tye doeur et est eutre si elle est vide ; la queue de bade de valece (QBC) est de tye acceteur et est eutre si elle est vide. Les états rofods qui corresodet à des liaisos edates das le silicium amorhe. Ces états rofods sot de tye amhotère c est-à-dire qu ils euvet coteir 0, 1 ou 2 électros: leur charge eut être +q, 0 et q. Les états rofods euvet être rerésetés ar deux distributios gaussiees Nous avos ue gaussiee de tye doeur +/0 (sa charge est +q s il est ioisé ou 0 sio) et ue gaussiee de tye acceteur 0/- (sa charge est -q s il est ioisé ou 0 sio). Les deux gaussiees sot séarées ar ue éergie de corrélatio U qui corresod à l éergie écessaire our ajouter u électro à u état occué uiquemet ar u seul électro (eutre). Figure 1.9 : Distributio d états das la bade iterdite du silicium amorhe. 17

26 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Outre ce modèle stadard de distributio d états das la bade iterdite (ga), il existe aussi u modèle basé sur u réservoir de défauts (Defect Pool model e aglais). Ce modèle, souvet cité das la littérature, a été déveloé ar Powell et Deae [13, 15] et est basé sur l équilibre thermodyamique etre les liaisos faibles Si-Si et les liaisos edates. La distributio d états das ce modèle est rerésetée das la figure Pour u doage de tye, u excès d électros est fouri au matériau qui s adate e trasformat des liaisos faibles e liaisos brisées qui euvet iéger ces électros sulémetaires et cela se traduit ar ue augmetatio de la desité de défauts rofods rès de la bade de valece. Pour u doage de tye, ous avos ue accumulatio de trous das le matériau qui réagit e créat des liaisos brisées caables de iéger ces trous sulémetaires et cela se traduit ar ue augmetatio de la desité de défauts rofods rès de la bade de coductio. Figure 1.10 : La distributio d états das le ga avec le modèle defect Pool. Les queues de bade et les défauts rofods cotrôlet le trasort électroique das le silicium amorhe ar exemle via les recombiaisos das ces états. Notio de ga de mobilité, ga otique La figure 1.11 motre ue rerésetatio lus réaliste de la distributio d états aux bords de bade où les états localisés s étedet à l itérieur du ga. La défiitio du ga est as doc uique comme das le cas du silicium cristalli. Nous avos ricialemet ces trois défiitios du ga das le silicium amorhe: 1) Le ga de mobilité E µ est la lage d éergies du matériau qui cotiet les états localisés, la mobilité état ulle das cette lage. 2) Le ga otique de Tauc E Tauc est lus courammet utilisé. Ce ga otique dû aux liaisos Si-Si corresod à la géératio de aires électro-trou iduite ar l absortio de hotos et est légèremet lus faible que le ga de mobilité. E Tauc se mesure exérimetalemet ar u tracé des variatios de la quatité (.h) 0.5 e foctio de h, où est l absortio du matériau et h l éergie des hotos. Mathématiquemet E Tauc eut être défii à artir des exressios suivates, et corresod alors à la distace éergétique etre les deux distributios araboliques de la bade de valece et la bade de coductio: 18

27 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques N E N E V arabole V et V E N E QBC N E C QBC N arabole EC et C E bade de valece: QBV N E bade de coductio : QBV N E arabole V E N E E arabole 3) Le ga otique E 04 corresod à l éergie des hotos our laquelle le coefficiet d absortio vaut 10 4 cm 1. Ces différetes défiitios du ga otique (E Tauc et E 04 ) doet des valeurs sesiblemet idetiques avec des écarts de l ordre de 0,1 ev au maximum. C Bade de valece Bade de coductio états étedus Ga de mobilité E µ états étedus états localisés E V Ga de Tauc E Tauc E C états localisés E Figure 1.11: Défiitios du ga das le silicium amorhe Présetemet, le ga de mobilité e eut se mesurer de faço directe. Selo les cas, il diffère des gas otiques suivat la relatio E Eot 0. 15eV [11]. Le doage Les remières études sur le silicium amorhe remotet au début des aées soixate. Ces études fot suite à u itérêt gradissat our les semi-coducteurs amorhes e gééral. Les remiers déôts réalisés ot révélé ue desité élevée de défauts rofods (de l ordre de cm 3 ) das le silicium amorhe qui emêchait so doage et dégradait e même tems les roriétés électroiques (hotocoductivité, mobilité des orteurs). Avec cette desité élevée de défauts rofods, le iveau de Fermi reste bloqué et les atomes doats itroduits sot iactifs. Le doage du silicium amorhe est redu ossible grâce à l itroductio de l hydrogèe. E effet, l hydrogèe atomique sature les liaisos edates ce qui se traduit ar ue baisse de la desité de défauts rofods jusqu à quelques cm 3 our u bo silicium amorhe hydrogéé. La cocetratio d hydrogèe das le silicium amorhe hydrogéé varie de 6 % à 35 % car so iveau fial déed du substrat, du lasma, du doage, de la temérature de déôt et des évetuels recuits. Sear et LeComber ot réussi e 1975 à doer le silicium amorhe hydrogéé avec du hoshore (tye ) et du bore (tye ) [16]. Dès lors, le silicium amorhe deveait u matériau utile car ouvat être itégrés das des disositifs classiques (joctios -, trasistors). Les remières cellules solaires à base de silicium amorhe hydrogéé furet réalisées ar Carlso e 1976 avec des redemets de coversio allat de 2 % à 2,5 % [17]. 19

28 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques Les mécaismes de doage du a-si:h sot détaillés das la référece [10] même si des zoes d ombre subsistet. Avatages et désavatages Le silicium amorhe hydrogéé est u matériau qui ossède lusieurs avatages. Il eut être déosé uiformémet sur de grades surfaces et à faible coût. Les alicatios ossibles avec ce matériau sot multiles : les cellules hotovoltaïques (diodes -i- ou cellules à hétérojoctios), les matrices d adressages our écras lats TFT-LCD, les détecteurs otoélectroiques à bas coût (diodes -i-), détecteurs de rayoemets (le a-si:h a ue boe résistace aux radiatios, la structure du disositif est aussi de tye diode -i-) Le silicium amorhe résete ceedat des roriétés électroiques mois boes que celles du silicium cristalli. Les coductivités atteites our les a-si:h de tye et sot bie iférieures à celle du c-si même si des valeurs de coductivité allat jusqu à cm -1 euvet être atteites avec du silicium amorhe hydrogéé doé. Des roblèmes de métastabilité ot aussi été observés das le silicium amorhe hydrogéé. Cette métastabilité eut être iduite ar différets héomèes comme l illumiatio, le assage d u courat, l alicatio d ue tesio, le bombardemet de articules etc. La créatio de défauts suite à l illumiatio (effet Staebler-Wroski) est le lus cou [18]. Cet effet a ceedat eu d ifluece our les alicatios hotovoltaïques sur les cellules à hétérojoctios car les couches de a-si:h utilisées sot mices (autour de 10 m) our miimiser l absortio das ces couches. I.3.3 Les comosats de la cellule silicium à hétérojoctios I L oxyde trasaret coducteur Das la structure stadard d ue cellule hotovoltaïque, u oxyde trasaret coducteur est lacé sur la face avat (face éclairée) de la cellule. Le TCO doit avoir certaies roriétés : Il doit être avoir ue excellete trasarece otique. Etat lacé sur la face avat, cette coditio est écessaire our avoir le maximum de lumière qui éètre das la cellule our géérer des aires électro-trou. Il doit avoir ue boe coductivité our assurer la collecte des orteurs Il doit aussi avoir ue boe adhérece sur ue variété de substrats Les oxydes trasarets coducteurs sot des matériaux à grad ga. Il existe ue grade variété d oxydes trasarets coducteurs ossibles. Nous avos les oxydes de zic, les oxydes d étai et les oxydes d idium qui euvet être doés avec u grad ombre d élémets atomiques (selo les cas : Al, I, Ga, F, S). L oxyde d idium doé à l étai ommé ITO (Idium Ti Oxide) est l oxyde trasaret coducteur le lus cou et aussi le lus utilisé. L ITO ossède e effet d excellets roriétés : trasarece suérieure à 80 % voire 90 % sur le sectre visible, résistivité faible de 10 4.cm à cm our les meilleurs ITO mais ouvat excéder cm our des ITO médiocres, et ue très boe adhérece sur ue multitude de substrats [19]. Pour les cellules à cotact arrière, les TCO e face avat sot remlacés ar des matériaux qui jouerot à la fois le rôle de couche atireflet et de couche de assivatio de la surface du substrat c-si. Le itrure de silicium (SiN x ) est gééralemet utilisé our ce tye de structure. 20

29 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques I L émetteur L émetteur est costitué ar ue fie couche de silicium amorhe hydrogéé de doage oosé au substrat ou du c-si fortemet doé das le cas d ue homojoctio. L émetteur ermet d avoir ue joctio - afi de séarer les aires électro-trou hotogéérés. Il doit être ris très mice our miimiser l absortio das cette couche. Toutefois, c est ue couche qui a ue résistace carrée imortate d où la écessité de la couvrir d u excellet coducteur (métal ou oxyde trasaret coducteur) our assurer la collecte des orteurs. I Le BSF Le BSF est ue couche qui crée u cham électrique arrière et qui ermet égalemet de assiver la face arrière de la cellule. Le BSF est ue couche fortemet doé ( + ou + ) avec le même tye de doage que le substrat. Avec ue joctio + - ou + -, ue barrière de otetiel est iduite ar la différece de iveau de doage etre le substrat et le BSF. Cette barrière de otetiel sur la face arrière de la structure ermet de cofier les orteurs mioritaires das le substrat et aisi d éviter qu ils e se recombiet sur la face arrière de la cellule. La structure BSF ermet de réduire les recombiaisos sur la face arrière et d assurer ue meilleure collecte des orteurs majoritaires. I Les cotacts Les cotacts métalliques sot lacés sur les deux faces de la cellule our les structures stadards rerésetées sur la figure 1.7. Ces cotacts ermettet de collecter le courat hotogééré. Les cotacts métalliques de tye ohmique costituet u cas idéal car le maximum de courat sera collecté avec ce tye de cotact. Outre u choix de métal doat des cotacts ohmiques, il est aussi imortat d avoir des résistaces de cotact le lus faible ossible. La métallisatio de la face avat résulte d u comromis etre taux d ombrage et résistaces série. E effet, dimiuer le taux d ombrage se traduit ar u courat élevé uisque lus de hotos éètret das la cellule mais cela suose d u autre coté d avoir des doigts de métallisatio mois larges et doc ue augmetatio des résistaces série. Pour réaliser les cotacts métalliques, ous avos ricialemet les techiques suivates : l électrolyse : faible coût, boe résistivité mais écessite de ombreuses étaes l évaoratio : excellete résistivité et résistace de cotact mais lus chère et avec u faible redemet d utilisatio du métal la sérigrahie : faible coût, simle, adatée à de gros volumes mais techologie déveloée à haute temérature. La sérigrahie costitue la solutio la lus comatible avec les stadards idustriels et est de lus e lus utilisée. Elle ermet e ue seule étae de réaliser les doigts et les bus des métallisatios our u coût raisoable et selo u rocédé facilemet automatisable. 21

30 CHAPITRE I : Gééralités sur les cellules hotovoltaïques I.3.4 Déveloemet et avatages de la techologie silicium à hétérojoctios Les remiers comosats à base d hétérojoctios a-si:h/c-si (diode) ot été réalisés ar l équie de Walter FUHS [20]. Cette découverte fut exloitée ar l etrerise jaoaise SANYO our réaliser des cellules solaires. SANYO a commecé ces remiers travaux sur les cellules silicium à hétérojoctios a-si:h/c-si vers la fi des aées 1980 et la remière ublicatio a été faite e 1991 [21]. SANYO domie actuellemet le marché de la roductio des cellules silicium à hétérojoctios avec ses cellules HIT (Heterojuctio with Itrisic Thi film) dot l origialité est d utiliser ue couche de silicium amorhe hydrogéé itrisèque (o doé) etre le silicium amorhe hydrogéé doé et le silicium cristalli (Voir la Fig. 1.12). Cette couche de silicium amorhe itrisèque joue u rôle rimordial das les valeurs élevées de V OC obteues avec la techologie HIT. Figure 1.12 : Structure d ue cellule HIT La techologie des cellules silicium à hétérojoctios ossède lusieurs avatages. E effet, elle ossède u grad otetiel d amélioratio du redemet avec l otimisatio du déôt du silicium amorhe (assivatio du silicium cristalli). L itégralité du rocédé de fabricatio est à basse temérature (autour de 200 C) ce qui ermet de baisser cosidérablemet le budget thermique. Le rocédé basse temérature ermet aussi d utiliser des substrats mois éais (avec mois de casse) et de réveir toute dégradatio liée à la mauvaise qualité du substrat. La réductio de l éaisseur du substrat costituat la voie rivilégiée our dimiuer le coût des cellules solaires e c-si ou mc-si, cette techologie est mieux adatée que la techologie silicium à homojoctios où le rocédé est à haute temérature. D autat lus que la réductio de l éaisseur du substrat red ecore lus critique la assivatio des surfaces. La techologie silicium à hétérojoctios est doc simle à mettre e œuvre et sa mise à l échelle est facile. Les cellules silicium à hétérojoctios ossèdet aussi ue meilleure costace du redemet avec la temérature. E effet, des mesures e extérieur ot motré que la variatio du redemet des cellules est mois imortate qu avec ue cellule à homojoctios (-0,33 %/ C cotre -0,45 %/ C). Sayo a mesuré u gai e éergie de 9 % our des cellules à hétérojoctios affichat u redemet de coversio idetique à des cellules classiques [22]. Evidemmet u tel gai déed fortemet des coditios de mesures et du tye d esoleillemet, il e s agit ici que d u exemle. 22