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Conséquences pour les contacts des cellules photovoltaïques

I.4 Physique du contact métal/semi-conducteur

I.4.3 Conséquences pour les contacts des cellules photovoltaïques

Comme cela a été décrit dans la section 1 page 30, selon la théorie Schottky-Mott, il devrait être possible

d’obtenir des contacts ohmiques en choisissant un métal possédant un faible travail de sortie φ

M

. Cela

permettrait théoriquement d’obtenir un transport non résistif des électrons grâce à la création d’une faible

barrière de potentiel ou d’une zone d’accumulation à l’interface métal/semi-conducteur. Cependant, en

comparant la variation de la barrière de potentiel en fonction du travail de sortie des différents métaux, il

s’avère que les résultats expérimentaux s’éloignent de la théorie. En pratique, une barrière de potentiel non

négligeable est toujours observée à l’interface du contact. Cette divergence est due à la création de défauts

de surface qui créent un continuum de niveaux électroniques dans le gap du semi-conducteur. Comme cela

a été expliqué dans la section 2 page 34, ces derniers ont pour conséquence d’ancrer le niveau de Fermi

E

f

(S C), ce qui se traduit par une quasi-indépendance de la barrière de potentielφ

b

par rapport àφ

M

. Or, le

silicium présentant des liaisons covalentes, il est fortement altéré par les états de surface.

Le modèle à prendre en compte n’est donc plus celui de Schottky-Mott mais celui de Bardeen qui

montre que ces états de surface empêchent la réalisation de contacts ohmiques par le simple choix d’un

métal adapté. Dans le cas de la métallisation des cellules photovoltaïques industrielles, l’influence de ces

états est renforcée par l’utilisation de procédés de dépôt sous air ambiant comme la sérigraphie qui entraine

une oxydation et une contamination rapide de la surface. Ces considérations soulignent la nécessité de

trouver une alternative au choix du métal pour obtenir des contacts ohmiques lors de la métallisation des

cellules photovoltaïques.

En admettant que la conception de contacts ohmiques par choix du métal ne soit pas une solution

réaliste

[66]

, cette opération se fait grâce à un sur-dopage du silicium. En effet, l’étude des mécanismes de

transport au sein du contact métal/semi-conducteur décrite dans la section 1 page 38 montre que les

élec-trons photogénérés peuvent franchir la barrière de potentiel grâce à trois principaux mécanismes : l’émission

thermoïonique (TE), l’effet tunnel activé thermiquement (TFE) et l’effet tunnel (FE). L’expression théorique

de la résistivité de contact obtenue en unifiant ces trois mécanismes montre que celle-ci diminue fortement

lorsque le régime d’effet tunnel est activé. Dans ce cas, les électrons n’ont plus besoin de posséder une

grande énergie pour passer la barrière et un plus grand nombre de porteurs seront en mesure de

traver-ser l’interface semi-conducteur/métal. Comme l’importance relative de ce régime dépend fortement de la

concentration en donneurs, il est possible de moduler les propriétés électriques du contact en jouant sur le

dopage du matériau. En particulier, un semi-conducteur fortement dopé présentera une faible résistivité de

contact.

La figure I.27 résume les conclusions précédentes en présentant la variation de la résistivité de contact en

fonction du dopage pour différentes barrières de potentiel (qui représentent la majorité des métaux pouvant

être utilisés

[63,66,71,90,94]

). D’un côté, si le semi-conducteur est faiblement dopé (N

D

< 4,2·10

17

cm

−3

), la

résistivité de contact dépend fortement de la hauteur de la barrière car les électrons sont extraits par émission

thermoïonique. Dans ce cas, il y a une différence de 7 ordres de grandeur entreρ

c

b

= 0,5 eV) etρ

c

b

=

0,9 eV) pourN

D

= 10

16

cm

−3

. Au contraire, si le semi-conducteur est fortement dopé (N

D

>6,1·10

19

cm

−3

),

la résistivité du contact est quasi indépendante de la hauteur de la barrière car les électrons sont extraits par

effet tunnel. Dans ce cas, il y a une différence de seulement 1 ordre de grandeur entre ρ

c

b

= 0,5 eV) et

ρ

c

b

=0,9 eV) pourN

D

=10

20

cm

−3

. Entre ces deux cas, la situation est intermédiaire avec une extraction

par effet tunnel activé thermiquement.

Dans le domaine photovoltaïque, les industriels utilisent donc des émetteurs fortement dopés pour

obte-nir des contacts peu résistifs. Typiquement, ils ont une concentration en phosphore de l’ordre de 10

20

cm

3

.

De plus, il est alors possible d’utiliser de l’argent comme métal de contact pour sa bonne conductivité

(né-cessaire pour limiter la résistance de ligne) car le choix du métal n’a alors que peu d’importance sur la

résistivité de contact.

FigureI.27:Résistivité d’un contact métal/semi-conducteur sur du silicium type n en fonction du dopage et

de la barrière de potentiel calculée grâce à l’équation [I.49] page 41. Les lignes en pointillés délimitent la

moyenne du domaine de validité de chacun des mécanismes pour toutes les hauteurs de barrière

considé-rées. La zone grisée représente les valeurs typiques mesurées sur des cellules industrielles (voir le chapitre

suivant).

Néanmoins, l’hétérogénéité du contact déposé par sérigraphie entraine des pertes supplémentaires.

Comme cela est représenté par la zone hachurée sur la figure I.27, la résistivité mesurée sur les cellules

industrielles est 1000 à 10 000 fois supérieure à celle attendue théoriquement

[91,94,95]

. Le chapitre suivant

s’intéresse donc à cet aspect clé de la métallisation en face avant. Pour cela, il revient d’une manière plus

détaillée sur le procédé standard, la création de la microstructure du contact et ses conséquences ainsi que

sur l’influence des différents paramètres du procédé. Par la suite, c’est une revue des différentes solutions

alternatives pour limiter les pertes dues à son utilisation qui est exposée.

Chapitre

II

État de l’art de la métallisation en face avant

II.1. Introduction : définition d’un bon contact

Le premier chapitre a mis l’accent sur la nécessité de limiter les pertes technologiques pour maximiser

les performances des cellules photovoltaïques industrielles. Au niveau de la métallisation en face avant,

ce sont principalement les pertes électriques, optiques et les recombinaisons surfaciques qui peuvent être

réduites. En premier lieu, les contacts doivent donc présenter de faibles résistances de ligneR

l

et de contact

R

c

(enΩ).

La résistance de ligneR

l

(le long d’un contact) est donnée par :

R

l

l

l

f

A

f

=ρ

l

l

f

F

f

w

f

h

f

[II.1]

oùl

f

(en m),h

f

(en m) etw

f

(en m) sont la longueur, la hauteur et la largeur du contact. Pour des contacts

déposés par sérigraphie, la sectionA

f

(en m

2

) est calculée grâce au produitF

f

w

f

h

f

où le terme correctifF

f

prend en compte la forme caractéristique des lignes (pour d’autres types de contactsA

f

peut être différente,

voir la section III.6.5 page 121). Enfin, la résistivité de ligneρ

l

(enΩ·m) traduit la qualité intrinsèque du

contact.

En considérant que le courant entre des deux côtés de chaque contact, la résistance de contactR

c

(entre un

contact et l’émetteur) est définie par

[66,73]

:

R

c

=

p

ρ

c

R

,c

l

f

coth

w

f

2

s

R

,c

ρ

c

[II.2]

oùρ

c

est la résistivité de contact (enΩ·m

2

) etR

,c

est la résistance carrée de la couche sous le contact (en

Ω/). En règle générale, le contact est relativement large (w

f

> 1,5p

ρ

c

/R

,c

) et le terme de droite tend

vers 1. Dans ce cas, l’expression [II.2] peut être approximée par :

R

c

p

ρ

c

R

,c

l

f

[II.3]

Sachant que la longueur l

f

est généralement fixée par les dimensions de la cellule et la disposition

des barres collectrices, les équations [II.1] et [II.3] montrent que pour limiter les pertes électriques, il

faut d’abord réduireρ

l

et ρ

c

. Ces dernières peuvent donc être vues comme deux facteurs de qualité d’un

contact. Typiquement, les contacts des cellules industrielles sont caractérisés par une résistivité de ligne de

2,5 à 3,5µΩ·cm pour une résistivité de contact allant de 0,1 à 10 mΩ·cm

2

. Selon la première expression,

une autre option est d’augmenter la section A

f

. Cependant, les pertes optiques sont proportionnelles à la

largeur w

f

du contact. Il en est de même pour les recombinaisons qui sont beaucoup moins nombreuses

sous la surface passivée de la couche antireflet que sous la grille de métallisation. De plus, la nécessité de

trouver un compromis entre les pertes par ombrage et les pertes résistives dans l’émetteur ne permet pas de

déposer des contacts très proches si ces derniers sont trop larges. Par conséquent, il est préférable de réduire

leur largeurw

f

et d’augmenter leur hauteurh

f

plutôt que l’inverse. Ainsi, une autre figure de mérite de la

métallisation est le ratio AR = h

f

/w

f

qui s’échelonne entre 0,1 à 0,3 pour les contacts des cellules

indus-trielles. Enfin, il faut noter que la résistance shuntR

S h

peut également être affectée (en moindre mesure) lors

de l’étape de métallisation. Celle-ci doit être aussi élevée que possible pour limiter les fuites de courant et

la perte de puissance associée. Finalement, un contact peut être caractérisé par les quatre figures de mérite

précédemment citées comme cela est résumé sur la figure II.1.

FigureII.1:Schéma simplifié d’un bon contact.

Ce chapitre vise à présenter comment ces objectifs sont atteints à l’échelle industrielle. Dans la première

section, l’accent est mis plus sur la description technologique du procédé standard de métallisation. Dans

un second temps, les principaux résultats des recherches traitant des mécanismes de formation du contact

et d’extraction des électrons photogénérés sont exposés. Cette section revient en détail sur la disparité entre

la résistivité de contact théorique et celle mesurée expérimentalement (voir la figure I.27 page 43). Dans

un troisième temps, c’est une revue des principaux paramètres régissant la qualité de la métallisation qui

est présentée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre détaille les motivations pour s’affranchir du procédé

standard avant d’introduire les principales solutions alternatives. Il se conclue par la formulation des

pro-blématiques de cette thèse.