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 Kleider Financement : ADEME et SUPELEC Début de thèse : Octobre 2008 Wilfried Favre

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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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 3

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 4

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 5

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 6

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 8

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

…)

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 9

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 10

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.

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 11

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 13

(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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 14

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 15

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 16

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

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 18

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)

Ecole Energie & Recherche 2010 - Roscoff - Wilfried Favre 19

À

suivre...

Et encore un MERCI

à

tous ceux qui ont aidé

à

la mise en place et au

perfectionnement de ces différents bancs de mesures.