Caractérisation des cellules solaires à base de silicium par imagerie de luminescence

Silicon solar cells characterization by luminescence imaging

• Auteur / Autrice : Daniel Ory
• Direction : Laurent Lombez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....) - Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Nadine Witkowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Bazer-Bachi, Jean-François Guillemoles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marcel Pasquinelli, Jean-Marie Bluet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cellules solaires silicium

Photoluminescence

Électroluminescence

Chimie physique et théorique

Mots clés libres

Luminescence

Cellules solaires

Dislocations

Silicium

Luminescence

Solar cells

Dislocations

Silicon

Résumé

Nous présentons dans cette thèse deux méthodes inédites de caractérisations par imagerie de luminescence. L'une est applicable aux dislocations et est réalisée par photoluminescence et l'autre est applicable aux cellules solaires par électroluminescence. La première méthode nous a permis de caractériser l'orientation des dislocations sous la surface ainsi que leurs propriétés de recombinaison sous la forme d'un temps de vie effectif ou bien de vitesse de recombinaison. La deuxième méthode consiste en un balayage en tension de l'image d'électroluminescence de la cellule solaire couplée à une calibration absolue des flux entre source et capteur. Ceci nous a permis d'aboutir à une cartographie des principales caractéristiques clés des cellules solaires que sont la longueur de diffusion, et par extension la durée de vie des porteurs minoritaires et courant de saturation, ainsi que la résistance série et donc la tension locale (autrement dit “implied Voc” ou écart des quasi-niveaux de Fermi). Nous avons pu constater par exemple un faible impact des dislocations sur la résistance série, ainsi que visualiser l'agrégation des impuretés comme le fer en leur périphérie. Nos résultats suggèrent également que les impuretés présentes tendent à diminuer la résistance série et que les propriétés optiques des cellules sont modifiées par les dislocations.

In this thesis, we present two novel methods of characterization by luminescence imaging. One is applicable to dislocations and is performed by photoluminescence and the other is applicable to solar cells by electroluminescence. The first method allowed us to characterize the orientation of dislocations under the surface as well as their recombination properties in the form of effective lifetime or recombination rate. The second method consists of a voltage scan of the electroluminescence image of the solar cell coupled with an absolute calibration of the fluxes between source and sensor. This has enabled us to map the key characteristics of solar cells which are the diffusion length, and by extension the lifetime of the minority carriers and saturation current, as well as the series resistance and therefore the local voltage (i.e. ''implied Voc'' or Quasi-Fermi Levels splitting). For example, we have been able to observe a weak impact of dislocations on series resistance, as well as visualising the aggregation of impurities such as iron in their periphery. Our results also suggest that the impurities tend to decrease the series resistance and that the optical properties of the cells are modified by the dislocation