Oxydes Transparents Conducteurs Multifonctionnels à base de Zinc pour les Cellules Photovoltaïques à Contacts Passivés

Zinc-based Multifunctional Transparent Conductive Oxides for Photovoltaic Cells with Passivated Contacts

• Auteur / Autrice : Charles Seron
• Direction : Anne Kaminski-Cachopo, Quentin Rafhay
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 09/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/LITEN
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Kaminski-cachopo, Olivier Palais, Pere Roca i cabarrocas, Erwann Fourmond
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Palais, Pere Roca i cabarrocas

Mots clés

Mots clés libres

Contacts passivés

Oxyde Transparent Conducteur

Disponibilité de la ressource

Silicium cristallin

Resource availabilty

Transparent Conductive Oxide

Crystalline silicon

Passivated contacts

Résumé

Les cellules photovoltaïques (PV) à simple jonction en silicium cristallin (c-Si) continuent aujourd’hui de dominer le marché mondial, principalement avec des architectures de type PERC (« Passivated Emitter and Rear Contacts »). Afin d’augmenter les performances des dispositifs PV en c-Si, et approcher de leur limite théorique maximale de 29%, l’utilisation des contacts passivés en pleine surface des cellules est particulièrement plébiscitée depuis plusieurs années. Ces contacts passivés intégrés en double face, permettent d’assurer une passivation de surface suffisante pour obtenir des cellules présentant des VOC supérieurs à 680 mV, contre 650 mV en production pour l’architecture PERC. Des rendements supérieurs à 25% peuvent ainsi être obtenus. L’intégration en double face des contacts passivés entraîne cependant une absorption parasite, notamment en face avant. Afin de limiter ce phénomène, les contacts passivés sont amincis (<30 nm), rendant les couches particulièrement résistives et ne permettant pas une prise de contact directe sur le contact passivé. Afin d’assurer la circulation des charges, des couches d’oxyde transparent conducteur (TCO) sont utilisées. Dans les développements actuels, les couches de TCO sont majoritairement composées d’oxyde d’indium, qui est un matériau particulièrement problématique en terme d’approvisionnement et de coût, limitant les possibilités d’industrialisation à une très large échelle. Des TCO alternatifs, tels que les oxydes à base de zinc, présentent des propriétés prometteuses, pour remplacer l’indium sans pour autant l’égaler. Toutefois des optimisations dans la fabrication des couches et des traitements, notamment d’hydrogénation, pourraient permettre de rehausser les performances de ces couches alternatives. L’hydrogénation est également une étape incontournable dans la fabrication des cellules PV en c-Si, puisque l’hydrogène permet de diffuser et de se fixer sur les défauts structurels et d’interface des dispositifs. Cette thèse vise ainsi à développer des couches de TCO à base de zinc, déposées par pulvérisation cathodique, appliquées à des cellules présentant en double face un contact passivé poly-Si/SiOX. Les traitements d’hydrogénation par la couche de TCO seront particulièrement intéressants sur ce type d’architecture, souffrant d’une exo-diffusion de l’hydrogène liée à la haute température lors de la fabrication du contact passivé (>850°C). En retour, un contact passivé poly-Si/SiOX présente des résistivités faibles, permettant de réduire les contraintes, et d’effectuer des recuits des couches de TCO à des températures supérieures à 200°C. Les études réalisées ont porté sur trois voies d’hydrogénation. Dans un premier temps, deux premières voies visant à incorporer de l’hydrogène dans des couches de ZnO:Al (AZO) sans procédé de dépôt ont été étudiées. Si des résultats intéressants ont été obtenus sur les propriétés des matériaux, l’effet de l’hydrogénation s’est avéré limité en cellule. L’AZO démontre toutefois une excellente compatibilité pour contacter des couches de poly-Si n+. L’autre voie d’hydrogénation employée, standard de l’industrie PV, consiste à déposer une couche diélectrique riche en hydrogène. Ce dépôt, ici sur les couches de TCO sans indium, a été étudié dans un second temps. Cette méthode a permis de montrer des améliorations des propriétés optiques en face avant, et un bon contact électrique sur poly-Si n+ comme sur poly-Si p+, permettant d’obtenir des cellules sans indium aux performances comparables à des cellules de référence. Pour chacune des approches, la fiabilité des dispositifs a été évaluée par des tests en vieillissement accéléré, tout comme l’étude de la localisation de l’hydrogène par des caractérisations avancées.

Nowadays, single junction crystalline silicon (c-Si) photovoltaic (PV) cells are still leading PV world market share, principally through PERC (“Passivated Emitter and Rear Contacts”) structure. To reach higher performance, above the theoretical maximum limit of 29%, use of full surface passivated contacts has been sparkling interest since a few years. These passivated contacts integrated in front and rear side of solar cells, ensure an excellent surface passivation, allowing to reach open circuit voltage (VOC) above 680 mV, whereas PERC structure exhibits VOC of 650 mV in production lines. Conversion efficiencies higher than 25% can be obtained. However, double face integration of passivated contacts leads to parasitic absorption, especially on front side. To limit this effect, passivated contact layers thickness is reduced (<30 nm), making these layers highly resistive, and unable to be contacted with a direct metallization. To allow charge circulation, transparent conductive oxide (TCO) layers are used. In current developments, indium-based TCO are mainly used. However, indium presents an issue of resource availability and cost, due to its scarcity, which limits the perspective of an industrialization at a larger scale. Alternative materials, such as zinc-based TCO, exhibit promising performances to replace indium, but are still inferior. Thus, optimization of material development and layer treatment, such as hydrogenation, can improve material properties. Moreover, hydrogenation is a key process in c-Si PV cells fabrication, which can diffuse and fix with structural and interfacial defects in the cells. This thesis aims to develop zinc-based TCO, deposited by magnetron sputtering, integrated onto double side poly-Si/SiOX passivated contact solar cells. Hydrogenation treatments from the TCO layer are particularly interesting in such PV cells, which suffer from exo-diffusion of hydrogen out of the samples, due to the high temperatures needed for passivated contact formation (>850°C). Poly-Si/SiOX presents a lower resistivity than other passivated contact technologies, allowing reduced constraints on TCO properties. Moreover, poly-Si/SiOX can endure temperature treatment larger than 200°C. Three techniques of hydrogenation have been studied. Firstly, two ways aiming to incorporate hydrogen into ZnO:Al (AZO) layers without any deposition process were investigated. Promising results on material properties were obtained, but with a limited effect on PV cell performances. Excellent integration on poly-Si (n+)/SiOX has been demonstrated with AZO. In a second part, the classic way for hydrogenation in PV, consisting in a deposited a hydrogen-rich dielectric has been used. Here, this deposition has been realized onto In-free TCO layers. With this method, optical advantage has been obtained on front side, and good electrical contact obtained onto poly-Si (n+) as well as poly-Si (p+), allowing to reach conversion efficiencies with indium free PV cells superior to its reference counterparts. For each approach used, reliability of cells developed has been tested through aging tests and hydrogen localization into active layers has also been investigated with advanced characterization.