Réalisation de cellules solaires intégrées par oxydation localisée d'un substrat de silicium fritté poreux

Realization of integrated solar cell by localized oxidation of a porous sintered silicon substrate

• Auteur / Autrice : Youssouf Boye
• Direction : Eric Millon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 12/02/2016
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Esidor Ntsoenzok
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Millon, Danièle Blanc, Abdelilah Slaoui, Alain Straboni, Mustapha Lemiti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Danièle Blanc, Abdelilah Slaoui
• DOI : 10.70675/15330393z68fbz4992zb808z3aac659b7278

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Silicium -- Substrats

Silicium poreux

Photopiles

Mots clés libres

Cellule intégrée

Substrat fritté intégré

Oxydation thermique du Si fritté poreux

Integrated solar cell (i-Cell)

Integrated sintered substrate

Thermal oxidation porous of sintered Si

Résumé

Les travaux de recherche menés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre de la réalisation de la technologie cellule solaire intégrée (i-Cell), qui est une technologie innovante de fabrication de cellules solaires à hauts rendements de conversion et à bas coût de production. L’i-Cell consiste en la réalisation de plusieurs cellules élémentaires ou sous-cellules, en feuilles minces de silicium cristallin purifié, qui sont connectées en série sur un substrat de Si fritté bas coût. La technologie i-Cell permet en effet la réduction du coût de la plaquette grâce à la faible épaisseur des feuilles de silicium et grâce à l’utilisation de substrats issus du frittage de poudres de silicium. Dans une telle structure la fonction photovoltaïque est assurée par la feuille mince de surface alors que le transport du courant et la fonction mécanique sont gérés par le substrat fritté ce quipermet de réduire les coûts de fabrication de la cellule. En effet, à l’instar des couches minces, on peut décomposer la couche active en cellules de faibles surfaces et ainsi produire sur une surface standard (156 x 156 mm²), une cellule dans laquelle circule un faible courant qui permet de réduire fortement la consommation des métaux précieux au sein de la cellule (Argent) et entre les cellules du module (Cuivre). En outre, la configuration des cellules à i-Cell permet de s’affranchir des busbars en Ag traditionnellement utilisés dans les technologies silicium. Ceci présente l’avantage d’éviter le masquage de la lumière et donc d'augmenter la puissance de la cellule. Ce travail de thèse s’articule sur deux axes de recherche principaux. Le premier est orienté sur l’étude de la cinétique d’oxydation thermique de substrats de silicium frittés poreux. Le deuxième axe concerne la réalisation du substrat fritté intégré et la réalisation des premiers prototypes d’i-Cells sur ces derniers. Ce travail a permis de démontrer la faisabilité de l’i-Cell et de réaliser des prototypes d’i-Cell sur le substrat fritté intégré. Des rendements de conversion PV supérieurs à 18% ont été ainsi obtenus.

The research work conducted in this thesis are within the framework of the realization of the integrated solar cell technology (i-Cell), which is an innovative solar cell technology with a high conversion efficiency and a low cost production. The i-Cell consists of the realization of several elementary cells or sub-cells, in purified crystalline silicon thin foils, which are connected in series on a low cost sintered silicon substrate. In fact, the i-Cell technology allows the reduction of the cost of the wafer thanks to the low thickness of the silicon foils and through the use of substrates obtained from the sintering silicon powders. In such a structure, the photovoltaic function is provided by the thin purified Si foil on the surface. Whereas both the current transport and the mechanical function are provided by the sintered silicon substrate – thin allows to reduce the cell manufacturing costs. In fact, just like thin films, we can decompose the active layer in small cell surfaces and thus produce, on a standard surface (156 x 156 mm²), a low current cell that greatly reduces the consumption of precious metals within the cell (Silver) and between the cells within the module (Copper). Furthermore, the configuration of cells in the i-Cell technology permits to eliminate the use of Silver busbars traditionally used in the Si solar cell technologies. This offers the advantage of avoiding the masking light and thus increases the power of the i-Cell. This thesis work focuses on two main axes of research: The first axis relates to the study of the kinetics of thermal oxidation of porous sintered silicon substrates. The second axis of research focuses on the realization of the “integrated sintered substrates”, which consists of the realization of local conductive zones on the insulating porous sintered substrate, and the fabrication of the first i-Cells prototypes on them. This work demonstrated the feasibility of i-Cell and produced prototypes of i-Cell on the integrated sintered substrate. High photovoltaic conversion efficiencies, greater than 18%, were obtained.