1.4 Conclusions
2.1.4 Cellules photovoltaïques à homojonction de silicium cristallin
Les cellules photovoltaïques à homojonction de silicium cristallin (monocristallin et multicristallin) dominent le marché depuis plus de 50 ans [34]. Il existe de nombreuses configurations de cellules, de la simple homojonction avec métallisations sur les deux faces aux structures plus complexes comme la PERL (“Passivated Emitter, Rear Locally diffused cell”) ou encore les cellules RCC (“Rear Contact Cell”) où tous les contacts sont pris à l’arrière du composant, supprimant l’ombrage en face avant de cette manière [35]. Ces deux dernières catégories de cellules photovoltaïques affichent respectivement des rendements cellule certifiés de ηP ERL,c−Si= 25 ± 0, 5 % et ηRCC,c−Si = 24, 2 ± 0, 7 % [24]. Il n’est pas inutile de noter que la structure PERL est optimisée pour les wafers de silicium cristallin de type p. Nous allons voir dans la suite des exemples de structure de cellules.
2.1.4.1 Exemples de structures
Les deux ingrédients de base d’une cellule photovoltaïque sont l’absorbeur où les paires électron-trou vont être photogénérées, et la jonction pn séparant ces charges afin de les collecter aux contacts correspondants (voir chapitre 1). Les traitements qui viennent ensuite sont effectués afin de maxi-miser l’absorption des photons incidents dans la structure et la collecte des porteurs (notamment en diminuant les recombinaisons de surface).
Différentes voies peuvent être empruntées pour améliorer les différents points. Du côté de la collecte optique, cela se traduit par la texturation de l’absorbeur (pyramides inversées obtenues par attaque chimique acide), l’ajout de couches anti-reflet en face avant ou de nanostructures (nano-photonique). En ce qui concerne la collecte des porteurs photogénérés, celle-ci est améliorée par l’application de champs locaux plus intenses dans les régions proches des contacts (cas du champ de surface arrière ou BSF pour “Back Surface Field”), comme dans les régions éloignées des contacts (champ de surface avant ou FSF pour “Front Surface Field”, appliqué dans le cas des structures RCC). Ces champs localisés peuvent être produits par un dopage plus fort et de même type dans ces régions ou encore par des couches diélectriques. La figure2.10donne l’exemple de deux types de structures à homojonctions de silicium cristallin de type n.
Grille métallique Couche anti-reflet (p) c-Si (émetteur) (n) c-Si (absorbeur) Métal (n+) c-Si (BSF)
(a) Cellule à double homojonction.
Couche anti-reflet (n+) c-Si (FSF) (n) c-Si (absorbeur) Métal Emetteurs et BSF alternés p+ n+ p+ n+ p+ n+
(b) Cellule à contacts arrières.
Figure 2.10 –Exemples de structures de cellules photovoltaïques à homojonction. La structure à contacts arrières permet de s’affranchir de la grille métallique en face avant, la collecte étant faite entièrement en face arrière.
Sur la première, on trouve un absorbeur dopé n de 250 µm, une jonction à l’avant réalisée par diffusion de bore (zone p+ d’épaisseur de l’ordre de 500 nm) et un BSF (zone n+ d’épaisseur proche de 300 nm). Une couche anti-reflet passive la face avant (type SiO2 ou SiN) au dessus de laquelle
a été déposée une grille métallique. À l’arrière, une métallisation couvre toute la surface. Un type de structure équivalent mais non représenté sur cette figure existe aussi : la structure à émetteur inversé, où la jonction pn est située près du contact arrière. Appliquée au c-Si de type n celle-ci permet d’utiliser certains procédés de fabrication de la structure type p. On pourra citer par exemple le dopage de l’émetteur par diffusion de l’aluminium lors de la métallisation par screen-printing [36]. Dans le cas de la structure à contacts arrières, il n’y a plus une mais plusieurs jonctions pn, toutes situées en face arrière. Cette géométrie permet de supprimer la grille métallique de la face avant, et donc un gain de près de 10% sur la surface active. D’autre part, pour diminuer les recombinaisons des porteurs en face avant de l’absorbeur un champ électrique en face avant (FSF) est généré en dopant plus fortement la région de l’absorbeur proche de cette surface. Ce champ joue le même rôle que le BSF. De nombreuses technologies de cellules à contacts arrières existent mais la plus connue est celle de SunPower [37].
Une des autres pistes étudiées pour augmenter encore la collecte des porteurs est la réduction de l’épaisseur des wafers, ce qui permettrait en même temps de diminuer les prix de fabrication (à condition que les pertes liées à la découpe n’augmentent pas). Néanmoins, une limite inférieure à l’épaisseur se dessine (Winf ≈ 90µm) à partir de laquelle l’absorbeur est trop fin pour convertir la même quantité de photons incidents [25]. Il faudra alors choisir entre prix de fabrication1 et rendement.
Jusqu’à présent, nous avons introduit les différents constituants d’une cellule photovoltaïque de manière très qualitative. Nous allons maintenant aborder plus en détails le fonctionnement de la structure, notamment à travers l’étude du diagramme des bandes d’une cellule à homojonction de silicium cristallin.
2.1.4.2 Diagramme de bandes
Le diagramme des bandes d’un semiconducteur est une représentation en énergie dans laquelle figurent le minimum de la bande de conduction (Ec), le maximum de la bande de valence (Ev), et le niveau de Fermi (EF). Ces bandes sont définies à partir d’un niveau de référence : le niveau du vide (qEvide = 0 eV). Ainsi, la position de la bande de conduction par rapport à l’énergie du vide dépend de l’énergie nécessaire pour extraire un électron de la bande de conduction du matériau vers le niveau du vide, plus connue sous le nom d’affinité électronique (Ec = −qχ = −4, 05 eV pour le c-Si). Le travail de sortie qΦ correspond à l’énergie à fournir au système pour apporter un électron du niveau de Fermi jusqu’au niveau du vide. On rappelle que la position du niveau de Fermi dans le gap dépend du dopage introduit dans le matériau (cf p.39). La bande de valence est quant à elle placée à l’énergie de gap Eg sous la bande de conduction (Ev = −qχ − Eg = −5, 17 eV pour le c-Si à 300 K). À l’équilibre, les niveaux de Fermi sont alignés, ce qui implique une courbure des bandes de conduction et de valence (et la présence d’une chute de potentiel) à travers la jonction. La figure 2.11 donne l’exemple du diagramme des bandes de deux homojonctions de silicium cristallin conventionnelles respectivement avec base (a) de type p et (b) de type n et un champ de surface arrière dû à la présence d’une couche du même type que l’absorbeur mais plus dopée. Les niveaux d’énergie sont donnés en fonction de l’épaisseur x définie à partir de la face avant, le dopage considéré pour les émetteurs sont Németteur= 5 × 1017 cm−3, celui pour l’absorbeur cristallin vaut Nbase= 1015
cm−3 et le dopage des couches BSF valent NBSF = 1018 cm−3.
1. L’ajout d’astuces optiques pour confiner le rayonnement lumineux dans les structures fines dans le but d’aug-menter la conversion dans l’absorbeur fait partie des coût de fabrication supplémentaires.
(a) Homojonction (n) c-Si/(p) c-Si avec BSF. (b) Homojonction (p) c-Si/(n) c-Si avec BSF.
Figure 2.11 – Diagrammes des bandes de cellules à homojonction de silicium cristallin de type p et de type n avec champ de face arrière. Les émetteurs sont dopé tels que Németteur=5 × 1017 cm−3 et d’épaisseur demetteur=300 nm, les bases dopées avec Nbase=1015cm−3, dbase=250 µm et les couches BSF avec NBSF=1018 cm−3, dBSF=150 nm.
Sur ces figures nous avons mis en évidence la présence d’une région de la base au niveau de la jonction où les porteurs majoritaires sont de l’autre type. Pour la structure avec cristallin absorbeur de type n par exemple, on trouve une zone large de quelques dizaines de nanomètres où le niveau de Fermi est plus proche du maximum de la bande de valence. Les porteurs majoritaires dans cette région sont les trous malgré le dopage de type n. Cette inversion de type dans la base provient du fort dopage de l’émetteur et aura un impact important sur les résultats expérimentaux. On peut insister sur le fait que la présence d’une telle région n’empêche pas l’augmentation de la chute de potentiel dans l’absorbeur mais tend à limiter la tension de circuit-ouvert qui pourrait être atteinte sous éclairement2.