Investiguer de nouveaux profils de jonction

On a vu précédemment que la technologie à homojonction de type PERT est limitée en Vco. Au-delà de l’aspect détérioration par la sérigraphie, il est intéressant d’explorer d’autres

voies d’élaboration de l’émetteur bore en s’inspirant de l’architecture à hétérojonction (Si-HJ) mais en restant compatible avec les hautes températures impliquées au cours des procédés homojonction. L’architecture Si-HJ met en œuvre une jonction abrupte, différente de la jonction diffuse (cf. Figure I-15), permettant une passivation de l’interface entre la base et l’émetteur.

Figure I-15 : Profils de dopage abrupt et diffus. Le profil de dopage diffus correspond à un émetteur obtenu expérimentalement après diffusion gazeuse BCl3.

L’intérêt d’une telle jonction réside aussi dans le contrôle de l’épaisseur de l’émetteur, ce qui permet en théorie de réduire l’activité recombinante (moins d’absorption des photons dans l’émetteur, donc moins de recombinaisons) et d’obtenir des J plus faibles. Une jonction

fine pourrait être obtenue par diffusion thermique suivie d’une étape de « etch back21

» mais le contrôle et l’uniformité de la gravure ne sont pas aisés. La mise en place d’une implantation ionique à forte dose et faible énergie (implantation par immersion plasma), suivie d’un recuit thermique rapide permet aussi de former une jonction fine mais ce recuit est très agressif et peut dégrader les propriétés du substrat.

La réalisation d'une jonction abrupte passe alors par l’utilisation d’un matériau différent de celui de la base. En technologie Si-HJ, une couche de silicium amorphe hydrogéné dopé est déposée sur le substrat en silicium cristallin. Cependant, du fait des restrictions en température (T<250°C), ce matériau est incompatible avec le procédé homojonction (passivation, métallisation…).

Une option est alors de considérer une structure hybride arborant un hétéro-émetteur dont le matériau serait stable en température. En l’espèce, le choix peut se porter sur le silicium épitaxié ou le silicium poly/microcristallin. Dans les deux cas, l’hétéro-émetteur est alors compatible avec les hautes températures mises en jeu au cours du procédé de fabrication des cellules à homojonction.

 Le silicium épitaxié dopé est généralement réalisé par CVD [Lai11] ou par PECVD [Gohary09]. Il présente l’avantage d’avoir une fraction cristalline de 100%, ce qui se traduit par une absence de joints de grains (zones de recombinaisons). Des rendements de cellules supérieurs à 14% ont été obtenus à partir d’émetteurs épitaxiés dopés bore [Schmich07][Damon10] et récemment, Payo et al ont montré que l’intégration de ces couches dans une architecture de type IBC permet d’atteindre plus de 22% de rendement avec des Vco

de l’ordre de 680mV [Payo14].

 Les couches poly-Si dopées peuvent être obtenues par deux voies. La première consiste à déposer directement la couche de poly-Si dopée par procédé CVD, PECVD, APCVD [Benvenuto12], HWCVD22 [Munoz08]. La seconde voie est de cristalliser une couche de silicium amorphe dopé, la cristallisation de l’amorphe se faisant ensuite par recuit thermique ou recuit laser. On notera qu’à ce jour, le traitement thermique semble préférable car il permet un meilleur taux de cristallisation [Marcins11].

Les couches en silicium polycristallin (ou poly-Si) ont tout d’abord été utilisées comme couches de passivation [Aoki75] puis intégrées comme émetteurs dans des transistors à hétérojonction [Matsushita79]. Elles ont ensuite été implémentées dans des cellules solaires au cours des années 1980 afin de diminuer les recombinaisons en surface [Kwark87]. Yablonovich et al ont montré le potentiel du poly-Si23 dopé n+ en réalisant des cellules avec une Vco de 720mV [Yablonovitch85]. D’autres chercheurs ont alors décidé d’implémenter des

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Gravure chimique de l’émetteur qui permet d'en diminuer l'épaisseur, et corrélativement, d'en modifier le profil de dopage.

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HWCVD : Hot Wire Chemical Vapor Deposition

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couches poly-Si dans leurs cellules de manière à améliorer la Vco, à l’image de Tarr et al qui

affichent une tension de circuit ouvert de 652mV24 avec une couche en poly-Si dopée phosphore [Tarr85]. En parallèle, des couches poly-Si de type n+ (arsenic) et p+ (bore) permettent à Lindholm et al de mesurer des Vco de 583mV et 591mV24, soit un gain moyen de

+10mV et +25mV, respectivement, par rapport au standard [Lindholm85]. En 2002, des rendements de cellules de 15% et des Vco de 598mV sont mesurés sur substrat Cz (111)

[Yamamoto02]. Ce n’est qu’en 2012 que les premières applications significatives de ces couches poly-Si dopées voient le jour, tels qu’en témoignent les brevets de la startup japonaise TetraSun (achetée par First Solar en 2013) [Schultz-Wittmann12] et du numéro deux américain SunPower [Cousins12]. Ces deux brevets laissent penser que l’intégration de ces couches offre la possibilité d’obtenir des Vco bien supérieures à ce que l’on obtient avec

un émetteur diffus, présageant un potentiel en rendement très intéressant.

Lors de cette thèse, environ à mi-parcours, cette approche a été validée par le Fraunhofer ISE : Feldmann et al confirment le potentiel du concept en démontrant un rendement de 23,7% avec leur cellule à contact passivé TOPCon25 [Feldmann13]. La structure basée sur l’utilisation conjointe d’un oxyde tunnel et d’une couche de poly-Si dopé n+

en face arrière permet d’avoir une excellente passivation de surface ainsi qu’un transport de charges efficace, se traduisant respectivement par des Vco de 703mV et des FF de 82,2% sur substrat

Fz26. Ces bons résultats valident alors l’intérêt porté dès le début de cette thèse aux couches poly-Si dopées.

Afin d’améliorer la Vco des cellules à homojonction type n, l’émetteur bore considéré

dans ces travaux de thèse sera fabriqué à partir d’une couche de silicium amorphe dopé bore (a-Si:BH) cristallisée par voie thermique. Cette approche est retenue d’après les données collectées dans la littérature [Marcins11] mais aussi afin de pouvoir s’appuyer sur les développements internes réalisés à l’INES sur la technologie Si-HJ (couches amorphes dopées).

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Mesures effectuées à 28°C.

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Tunnel Oxide Passivated Contact.

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