Cellules photovoltaïques à hétérojonction de Silicium avec cristallin de type n : Caractérisations et Modélisations Wilfried Favre Directeur de thèse : Jean-Paul Kleider Financement : ADEME et SUPELEC Début de thèse : Octobre 2008
Pourquoi cette thèse? Dans quel contexte? Contexte économique Explosion du marché mondial de l énergie photovoltaïque Recherche de la diminution des coûts de production pour un rendement de conversion toujours plus élevé Intérêts scientifiques Etudier les propriétés électroniques des matériaux utilisés pour la fabrication des cellules Développer de nouvelles méthodes de caractérisation Concevoir et améliorer des outils de simulation pour ces structures Participation à plusieurs projets nationaux et 1 projet européen Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 2
Qu est-ce qu une hétérojonction (p)a-si:h/(n)c-si? Fabrication et propriétés Création de la jonction par dépôt de Silicium amorphe hydrogéné (a-si:h) dopé p sur un substrat de Silicium cristallin (c-si) dopé n. Les deux matériaux pourtant majoritairement composés de Silicium ont des gaps différents. En éclairant la structure dans le visible, des paires électron/trou sont créées (surtout dans le c-si), séparées par le champ interne puis collectées à l avant et à l arrière. Intérieur d un réacteur à plasma Performances et intérêt de la filière Rendements de 23% déjà atteints Alliance entre les filières c-si et les technologies couches minces (300µm c-si, qques nm a-si:h) Jonction formée à basse température (<250 C) ARCAM installé au LPICM, Ecole Polytechnique Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 3
Exemple d une cellule à hétérojonctions avec (n) c-si Métallisations sérigraphiées ITO p a-si:h i pm-si:h DHJ n c-si BSF n a-si:h Aluminium évaporé Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 4
Diagramme des bandes Exemple d un niveau de référence familier : le niveau du vide E vac (règle de l affinité électronique*) E C1 E vac qχ 1 Réajustement du qχ niveau 2 du vide E C2 E g1 E F2 E g2 E F1 E V2 E V1 (p) a-si:h (n) c-si * R.L. Anderson, Solid-State Electron. 5 (1962) 341 Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 5
Diagramme des bandes qχ 1 E C1 ΔE C E vac E g1 qχ 2 E C2 E F1 E F2 E V1 ΔE V E g2 (p) a-si:h E C ( 1,2) q 2 1 E (1,2) E (1,2 ) E V Forte inversion de trous (n) c-si g C Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 6 E V2
Mesures optiques Banc de photoluminescence, régime dc, ac + cartographie ( Rémy Chouffot, Christelle Pareige, Aurore Brézard-Oudot, Christophe Longeaud, Alexis Poizat ) Détection synchrone Alimentation laser Monochromateur + capteur optique Diode laser Platines (x,y,z) avec support échantillon Spectre de photoluminescence d un échantillon (i)a-si:h/(n)c-si Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 8
Cartographie de photoluminescence Couches (i+p) a-si:h symétriques sur (n) c-si Couches (i+n) a-si:h symétriques sur (n) mc-si Intérêt de la cartographie : déterminer l homogénéité des dépôts et des substrats Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 9
Banc de cartographie de réponse spectrale (Aurore Brézard-Oudot, Christophe Longeaud, Alexis Poizat, ) 1 0.9 0.8 Rendement quantique 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 EQE Photographie de la cellule mc-si placée sur le banc de test. 0.2 0.1 0 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Cartographie du photocourant généré par Longueur d'onde (nm) une source lumineuse λ = 900nm. Tracé du rendement quantique externe de la cellule. Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 10
Mesures électriques Géométrie d un échantillon pour des mesures de conductance planaire 1 2 3 n+ a-si:h Substrat (verre ou p c-si) Porte substrat Électrodes coplanaires 1 2 3 p+ a-si:h Substrat (verre ou n c-si) Porte substrat Électrodes coplanaires Mesure du courant continu à l obscurité, I DC, en fonction de la tension (appliquée entre les électrodes 1 et 2 ou 2 et 3), V DC, et de la température. I DC varie linéairement avec V DC. Conductance se note G=I DC /V DC Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 11
Résultats expérimentaux obtenus sur (n) a-si:h/(p) c-si Tracés d Arrhenius de la conductance pour 100 nm de a-si:h G (S) 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 E =0.018 ± 0.003 ev a 604123: 100 nm (n) a-si:h c-si FZ c-si CZ glass E a =0.17 ± 0.03 ev (a) 2 3 4 5 6 7 1000/T (K -1 ) La conductance obtenue sur les échantillons avec substrat cristallin est plus élevée de plusieurs ordres de grandeur que sur substrat de verre, et avec une énergie d activation plus faible. Pour les échantillons sur verre, l énergie d activation mesurée (0.17 ev) et la conductivité à 300K (0.02 S cm -1 ) sont typiques du silicium amorphe dopé n+ Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 12
Discussion des chemins de conduction possibles G a-si:h 1 (n) a-si:h G int G c-si 3 2 (p) c-si Chemin 1: Il peut être exclu (conductance faible sur verre) Chemin 2: Même chose (deux diodes qui s opposent) La conductance élevée mesurée sur c-si vient du chemin 3 : l interface G int Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 13
(n) a-si:h Concentration élevée d électrons (p) c-si E C qv d a-si:h a-si:h E C qv d c-si E g c-si c-si E F E g a-si:h E V E V N s N s G d c Si 0 n(x )dx L qh n Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 14
Calcul de la dépendence en T de Ns et comparaison avec l expérience 10 13 10 12 10 11 N (cm -2 ) s 10 10 10 9 10 8 10 7 10 6 E C 0 0.1 0.2 0.3 0.4 E a 0.22 ev 0.09 ev 0.016 ev 0.004 ev 0.002 ev N s from exp. T -2.42, E a =0.07 ev N s from exp. ~T 0, E a =0.018 ev 2 3 4 5 6 7 1000/T (K -1 ) Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 15
10 0 Détermination de E C Activation Energy, E a (ev) 10-1 10-2 E C = 0.15±0.04 ev 10-3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Conduction Band Offset, E C (ev) Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 16
Résultats obtenus sur (p) a-si:h/(n) c-si 10-4 10-6 9012904 9012904, T ann =250 C On trouve aussi une conduction élevée à l interface G(S) 10-8 10-10 80729-G 80729-G, T ann =250 C 903242 903242, T ann =250 C 903242-G 903242-G, T ann =250 C E V = 0.45 ± 0.10 ev 10-12 10-14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1000/T (K -1 ) Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 17
Simulation 1D d une hétérostructure avec AFORS-HET Outil de calcul numérique pour la résolution des équations du transport électronique dans un matériau semiconducteur Définition de la structure Développement et amélioration de certains modules du logiciel en collaboration avec le Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) Entrée des paramètres de chaque couche Choix des mesures àsimuler Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 18
Et encore un MERCI à tous ceux qui ont aidé à la mise en place et au perfectionnement de ces différents bancs de mesures. À suivre... Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 19