cellules photovoltaïques à hétérojonction de silicium avec
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Cellules photovoltaïques à
hétérojonction de Silicium avec cristallin de type n :
Caractérisations et Modélisations
Directeur de thèse : Jean-Paul KleiderFinancement : ADEME et SUPELECDébut de thèse : Octobre 2008
Wilfried Favre
Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 2
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
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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.
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)
Intérieur d’un réacteur à
plasma
ARCAM installé
au LPICM, Ecole Polytechnique
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Exemple d’une cellule à
hétérojonctions avec (n) c-Si Métallisations sérigraphiées
ITO
i pm-Si:H
n c-Si
p a-Si:H
BSF n a-Si:H
Aluminium évaporé
DHJ
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Diagramme des bandes
qχ1qχ2
Eg1Eg2
EC1
EV1
EF1
EC2
EV2
EF2
Evac
(p) a-Si:H(n) c-Si
* R.L. Anderson, Solid-State Electron. 5 (1962) 341
Exemple d’un niveau de référence familier : le niveau du vide Evac
(règle de l’affinité
électronique*)
Réajustement du niveau du vide
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Diagramme des bandes
qχ1
qχ2Eg1
Eg2
EC1
EV1
EF1
EC2
EV2
EF2
Evac
(p) a-Si:H
(n) c-Si
ΔEV
ΔEC
12)2,1( qEC
CgV EEE )2,1()2,1(
Forte inversion de trous
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Mesures optiquesBanc de photoluminescence, régime dc, ac
+ cartographie
Spectre de photoluminescence d’un échantillon (i)a-Si:H/(n)c-Si
Alimentation laser
Diode laser
Détection synchrone
Monochromateur + capteur optique
Platines (x,y,z) avec support échantillon
( Rémy Chouffot, Christelle Pareige, Aurore Brézard-Oudot, Christophe Longeaud, Alexis Poizat
…)
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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
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0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
400 500 600 700 800 900 1000 1100
Longueur d'onde (nm)
Ren
dem
ent q
uant
ique
EQE
Banc de cartographie de réponse spectrale
Cartographie du photocourant
généré
par une source lumineuse λ
= 900nm.
Photographie de la cellule mc-Si placée sur le banc de test.
(Aurore Brézard-Oudot, Christophe Longeaud, Alexis Poizat,…)
Tracé
du rendement quantique externe de la cellule.
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Géométrie d’un échantillon pour des mesures de conductance planaire
Porte substrat
Substrat
(verre
ou
p c-Si)n+ a-Si:H1 2 3
Électrodes coplanaires
Mesure du courant continu à
l’obscurité, IDC
, en fonction de la tension (appliquée entre les électrodes 1 et 2 ou 2 et 3), VDC
, et de la température.
IDC
varie linéairement avec VDC
. Conductance se note G=IDC
/VDC
Mesures électriques
Porte substrat
Substrat
(verre
ou
n c-Si)p+ a-Si:H1 2 3
Électrodes coplanaires
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10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
2 3 4 5 6 7
604123: 100 nm (n) a-Si:H
glass
c-Si FZ
c-Si CZ
G (S
)
1000/T (K-1)
Ea=0.17 ± 0.03 eV
(a)
Ea=0.018 ± 0.003 eV
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.
Tracés d’Arrhenius de la conductance pour 100 nm de a-Si:H
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+
Résultats expérimentaux obtenus sur (n) a-Si:H/(p) c-Si
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(n) a-Si:H
(p) c-Si
1
2
3
Chemin 1: Il peut être exclu (conductance faible sur verre)
Ga-Si:H
Gc-Si
Gint
La conductance élevée mesurée sur c-Si vient du chemin 3 : l’interface Gint
Chemin 2: Même chose (deux diodes qui s’opposent)
Discussion des chemins de conduction possibles
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EC Egc-Si
Ega-Si:H
(n) a-Si:H (p) c-Si
EV
EC
EV
EF a-Si:H
qVd c-Si qVd
a-Si:H
c-Si
Concentration élevée d’électrons
Ns n (x )dx
0
d cSi
Ns G L
qhn
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106
107
108
109
1010
1011
1012
1013
2 3 4 5 6 7
00.10.20.30.4
Ns (c
m-2
)
1000/T (K-1)
0.22 eV0.09 eV0.016 eV0.004 eV0.002 eV
Ea
EC
106
107
108
109
1010
1011
1012
1013
2 3 4 5 6 7
Ns from exp. T-2.42, E
a=0.07 eV
Ns (c
m-2
)
1000/T (K-1)
106
107
108
109
1010
1011
1012
1013
2 3 4 5 6 7
Ns from exp. ~T0, E
a=0.018 eV
Ns (c
m-2
)
1000/T (K-1)
Calcul de la dépendence
en T de Ns et comparaison avec l’expérience
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10-3
10-2
10-1
100
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Act
ivat
ion
Ene
rgy,
Ea (e
V)
Conduction Band Offset, EC (eV)
EC =
0.15±0.04 eV
Détermination de EC
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10-14
10-12
10-10
10-8
10-6
10-4
1 2 3 4 5 6 7 8 9
90129049012904, T
ann=250°C
80729-G80729-G, T
ann=250°C
903242903242, T
ann=250°C
903242-G903242-G, T
ann=250°C
G(S
)
1000/T (K-1)
On trouve aussi une conduction
élevée à
l’interface
EV = 0.45 ±
0.10 eV
Résultats obtenus sur (p) a-Si:H/(n) c-Si
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Simulation 1D d’une hétérostructure
avec AFORS-HET
Définition de la structure
Entrée des paramètres de chaque couche Choix des mesures à simuler
Outil de calcul numérique pour la résolution des équations du transport électronique dans un matériau semiconducteur
Développement et amélioration de certains modules du logiciel en collaboration avec le Helmholtz-Zentrum
Berlin (HZB)