Perspectives

La première étape pour améliorer les résultats précédents sans changer le procédé de métallisation serait

l’optimisation du profil de température du recuit qui n’a pas été traitée lors de ces travaux. En effet, les

valeurs mesurées dans la section IV.6.1 page 152 sont légèrement supérieures à celles qui sont rapportées

dans la littérature pour des contacts optimisés (voir le chapitre II page 45).

Comme l’émetteur des cellules étudiées dans cette thèse est réalisé par implantation ionique, une

se-conde piste d’amélioration serait une co-optimisation des dimensions de la grille de métallisation (c’est à

dire l’espacement des contacts) et du profil de dopage. Pour évaluer les gains potentiels, une cellule non

métallisée a été simulée avec le logiciel PC1D en supposant les paramètres décrits dans le tableau III.3

page 118. Bien que ces derniers aient été choisis en accord avec la littérature, le principe des simulations

diffère de celui utilisé jusqu’à présent, les résultats présentés ici sont donc sensiblement différents des

pré-cédents. Ils sont plus éloignés du cas réel (comparer les sections III.6.1 page 112 et III.6.4 page 117) comme

cela est expliqué par la suite. Pour simuler les contacts déposés par sérigraphie, une résistivité de ligneρ

l

de

3µΩ·cm a été supposée en accord avec les mesures réalisées dans la section IV.4 page 144. Sur la base des

résultats optimisés présentés dans la section précédente, la largeur des contacts a été fixée à 70µm et leur

hauteur à 20µm. Finalement, la résistivité théorique d’un contactAgSi(voir la figure I.26a page 42) a été

multipliée par un facteur 10

4

pour traduire l’inhomogénéité de l’interface des contacts et obtenir des

résul-tats plus réalistes. Comme expliqué dans la section 2 page 56, cela correspondrait au cas d’un contact dont la

surface est composée de 10 % de cristallites, 0,1 % d’entre elles étant en contact direct avec la poudre

d’ar-gent frittée (voir la relation [II.10] page 57). Il faut toutefois remarquer que ce facteur a été appliqué quel

que soit le dopage de surface de l’émetteur, alors que selon la littérature (voir les sections B page 54 et A

page 59), la densité de cristallites décroît (généralement) avec la concentration en impuretés. Les courbes

commentées par la suite correspondent donc à un scénario plutôt optimiste. En utilisant cette approche, la

résistivité de contact simulée pour un dopage de surfaceN

_D

similaire à celui des cellules des lots mixtes est

de 1,6 mΩ·cm

2

. Elle est donc sensiblement inférieure à celle qui a été mesurée expérimentalement, mais

elle correspond à peu près à celle attendue après optimisation du recuit.

a. Rendementη. b.Espacement optimal des contacts s

opt

. c. Masse d’argent m

Ag

.

d. Facteur de forme FF. e. Tension en circuit ouvert V

oc

. f.Densité de courant de court-circuit j

sc

.

FigureIV.21:Diagrammes des contours des principales propriétés électriques d’une cellule et de la masse

d’argent déposée en fonction du dopage de surface N

_D

et de la profondeur de jonction x

_j

d’un émetteur

homogène (même profil de dopage sous les contacts et la couche antireflet). Des contacts de 70µm de large

par 20µm de haut avec un facteur F

_f

=0,57 ont été simulés. La résistivité de ligneρ

_l

a été fixée à 3µΩ·^cm.

La résistivité de contact théoriqueρ

c

=f(N

_D

)de la figure I.26a page 42 a été corrigée par un facteur 10

4

pour prendre en compte hétérogénéité de l’interface des contacts. Voir le tableau III.3 page 118 pour plus

d’informations sur la cellule simulée.

Pour un profil de dopage correspondant à celui des cellules étudiées au cours de ces travaux (N

_D

_≈

10

20

cm

−³

;x

_j

_≈0,4µm), la figure IV.21 montre que le rendement simulé est supérieur (η= 19,2 %) à celui

qui a été mesuré dans la section précédente (+0,2 % par rapport à celui des cellules métallisées avec la pâte

A). Cette disparité s’explique par la plus faible résistivité de contact considérée lors de ces simulations et

surtout par la non prise en compte des recombinaisons dans la jonction pn

[347]

(simulations basées sur le

modèle à une diode avec un facteur d’idéalité égal à 1, voir la section III.6.4 page 117) . Par conséquent,

le facteur de forme (FF = 80,5 %) est surévalué (+1,7 % par rapport à celui des cellules métallisées avec

la pâte A). Il faut noter que Greulich et al.

[347]

rapportent une hausse systématique du FF de +1,5 % en

utilisant cette méthode, ce qui est en accord avec ces résultats. La tension de circuit ouvert (V

_oc

=634 mV)

et la densité de courant de court-circuit (j

_sc

= 37,6 mA_·cm

−²

) sont sensiblement moins élevées que les

mesures expérimentales (₋6 mV et ₋0,1 mA_·cm

−²

par rapport à celles des cellules métallisées avec la

pâte A) à cause des différentes hypothèses réalisées pour construire ces graphiques. La diminution de j

_sc

s’explique par la plus grande largeur des contacts simulés (70µm contre 64,7µm pour ceux déposés avec

la pâte A) et celle de V

_oc

par les paramètres supposés dans le tableau III.3 page 118. En particulier, il

est probable que les vitesses de recombinaison en face avant considérées dans les calculs (FS RV

_met

et

FS RV

_pass

) soient supérieures aux valeurs réelles

14

. Pour améliorer la corrélation entre ces simulations et

les valeurs expérimentales, il faudrait donc utiliser des paramètres mesurés plutôt que ceux du tableau III.3

page 118. Il en est de même pour la résistivité de contact qu’il faudrait extraire en fonction du dopage de

l’émetteur (après optimisation du recuit pour chaque profil de dopage). Bien que les données présentées

ici diffèrent sensiblement des mesures expérimentales, cette méthode permet toutefois d’estimer les gains

potentiels d’une co-optimisation de la grille de métallisation et du profil de dopage de l’émetteur en prenant

pour référence les valeurs simulées (plutôt que celles mesurées) pour un profil de dopage standard (N

_D

_≈

10

20

cm

−3

etx

_j

_≈ 0,4µm).

La figure IV.21 montre qu’une modification du profil de dopage ne permet pas d’améliorer

significative-ment les performances des cellules. En effet, dans ce cas, le profil optimal est défini par un dopage de surface

N

D

=8_·10

19

cm

−³

et une profondeur de jonction dex

j

=0,4µm (R

,e

=77Ω/). Grâce à ce dernier, il serait

possible d’obtenir une cellule caractérisée parFF = 80,5 %,V

_oc

= 636 mV et j

_sc

= 37,6 mA_·cm

−2

, ce qui

correspond à un rendement de η = 19,2 %. L’espacement optimal entre les contacts pour un tel profil est

s

opt

=1,9 mm pour une consommation d’argentm

Ag

=163 mg. Ainsi, aucun gain significatif n’est possible

par rapport à un profil de dopage standard. En effet, lorsque la concentration en dopants diminue, la forte

résistivité de contact associée (voir les sections I.4.3 page 42 et II.2.2 page 52) entraîne une chute duFF.

Dans le même temps, le nombre de contacts est multiplié pour limiter les pertes résistives, ce qui conduit à

une chute deV

_oc

et j

_sc

à cause de l’augmentation de la surface métallisée (hausse du taux d’ombrage et des

recombinaisons). Il faut toutefois noter qu’une jonction légèrement plus profonde permettrait d’augmenter

l’espacement entre les contacts et donc de réduire quelque peu la consommation d’argent grâce à de plus

faibles pertes dans l’émetteur (R

_,e

plus élevée, voir la figure III.16 page 120).

Mise à part une modification facilitée du profil de dopage de l’émetteur par rapport aux procédés de

diffusion, un avantage majeur de l’implantation ionique est la possibilité d’ajuster spatialement ce dernier

sans avoir recours à des étapes supplémentaires. Dans ce cas, il est possible de sur-doper localement le

silicium sous les contacts pour créer un émetteur sélectif. Par la suite, il suffit d’aligner les contacts avec les

zones fortement dopées pour améliorer la résistivité de contact indépendamment du profil de dopage sous la

couche antireflet. Pour évaluer le potentiel de cette technique, les hypothèses précédentes ont été reprises en

fixant la résistivité de contactρ

c

à 1,6 mΩ·cm

2

(correspondante à celle attendue pour un dopage de surface

de 10

20

cm

−3

sous les contacts). La figure IV.22 montre que les lignes de contours diffèrent du cas précédent.

Ici, les pertes dues à la résistivité de contact ne dépendent plus du dopage et l’évolution du facteur de forme

FF est régie par les lignes de contours de la résistance carrée de l’émetteur (voir la figure III.16 page 120).

Malgré la diminution de ce dernier, il devient intéressant de limiter la concentration en donneurs à la surface

de l’émetteur pour réduire les pertes par recombinaisons. Le profil optimal est maintenant caractérisé par

un dopage de surface N

_D

= 1_·10

18

cm

−3

et une profondeur de jonction de x

_j

= 7µm (R

_,e

= 57Ω/).

Grâce à ce dernier, il serait possible d’obtenir une cellule caractérisée parFF = 81,1 %, V

_oc

= 651 mV et

j

_sc

= 37,7 mA_·cm

−²

, ce qui correspond à un rendement de η = 19,9 %. L’espacement optimal entre les

contacts pour un tel profil est s

_opt

= 2,1 mm pour une consommation d’argentm

_Ag

= 153 mg. Par rapport

aux résultats de la section précédente (pour un profil de dopage standard), un gain de 0,7 % serait possible

pour une consommation d’argent réduite de 10 mg. Il faut toutefois noter qu’un tel profil est difficile à

obtenir technologiquement. En fixantN

_D

= 10

19

cm

−³

etx

_j

= 1µm (R

_,e

= 123Ω/), le gain en rendement

serait quand même de 0,4 %. Par ailleurs, une jonction plus profonde permettrait toujours de réduire la

consommation d’argent.

14. Par exemple, la présence de la couche d’oxyde thermique (quelques nanomètres deSiO

₂

) qui améliore la passivation à la

surface de l’émetteur sous la couche antireflet n’a pas été prise en compte lors des simulations.

a. Rendementη. b.Espacement optimal des contacts s

opt

. c. Masse d’argent m

Ag

.

d. Facteur de forme FF. e. Tension en circuit ouvert V

_oc

. f.Densité de courant de court-circuit j

_sc

.

FigureIV.22:Diagrammes des contours des principales propriétés électriques d’une cellule et de la masse

d’argent déposée en fonction du dopage de surface N

D

et de la profondeur de jonction x

j

d’un émetteur

sélectif (N

_D

=10

20

cm

−3

sous les contacts). La résistivité de contact ρ

c

a été fixée à 1,6 mΩ·^cm

²

^{. Voir la}

légende de la figure précédente pour la définition des autres propriétés de la cellule simulée.

Chapitre

V

Développement d’un procédé de métallisation basé

sur le concept double couche

V.1. Introduction

L’objectif principal des expériences décrites dans ce chapitre est d’adapter le procédé de flexographie au

dépôt de lignes étroites pouvant jouer le rôle de couche d’accroche pour des contacts basés sur le concept

double couche. Comme souligné dans la section iv. page 88, la flexographie semble répondre au cahier

des charges de la métallisation des cellules à l’échelle industrielle. Pour étudier en détail cette technique

d’impression, une presse de laboratoire a été utilisée durant tous les essais décrits par la suite (IGT-F1,

voir la section III.3.2 page 102). La méthodologie développée pour étudier le procédé de sérigraphie a

été reproduite pour analyser l’influence des différents paramètres d’impression sur la qualité des lignes

déposées.

Comme l’illustre la figure V.1, plusieurs encres ont d’abord été caractérisées à l’aide du protocole

ex-périmental développé dans le chapitre IV. Elles sont toutes dérivées d’une pâte de sérigraphie classique à

cause des difficultés de formulation évoquées précédemment. Par la suite, des essais d’impression ont été

réalisés pour identifier les paramètres importants. En effet, aucune publication ne rapportait l’utilisation de

la flexographie pour métalliser des cellules photovoltaïques au début de cette thèse. Contrairement à l’étude

de la sérigraphie durant laquelle certains paramètres ont pu être supprimés du domaine expérimental grâce

aux données de la littérature, ici, il a d’abord fallu distinguer les facteurs importants des facteurs

secon-daires. Par conséquent, trois plans d’expériences ont été mis en place. Le premier permet d’identifier les

facteurs et les interactions qui affectent le plus les résultats, alors que le second se concentre sur l’étude

dé-taillée de leur effet. Finalement, le troisième permet de préciser les paramètres optimaux. Parallèlement, les

réponses à analyser ont été modifiées. En effet, le ratioARde la couche d’accroche n’est pas très important

pour ce type de contacts car c’est surtout l’étape d’épaississement par LIP qui va déterminer ce dernier. Par

contre, cette couche doit être aussi fine et étroite que possible tout en étant suffisamment continue pour

li-miter le risque d’interruptions des contacts. Ainsi, la largeur de la lignew

_c

, le gain de ligneLG

1

, la fraction

métallisée MA

2

et le coefficient de variation c

_v

(de la largeur des impressions) ont été systématiquement

mesurés. Une fois les résultats optimisés, les propriétés des contacts ont été utilisées pour simuler les

carac-téristiques des cellules métallisées. Finalement, la couche d’accroche imprimée a été épaissie par LIP pour

démontrer la faisabilité de cette technique de métallisation.

La section suivante détaille le comportement rhéologique des quatre encres utilisées lors des tests

d’im-pression. La troisième partie présente l’identification des paramètres importants avant de se focaliser sur

1. LG: « Line Gain ».

2. MA: « Metallized Area ».

l’étude et l’optimisation du procédé de flexographie pour le dépôt de la couche d’accroche. La quatrième

section tire parti des investigations menées dans le chapitre précédent pour évaluer le rendement et la

consommation d’argent attendus grâce à ce schéma de métallisation. Les résultats présentés permettent

par ailleurs d’optimiser les dimensions de la grille de métallisation à ce type de contacts. Par la suite, la

faisabilité de ce concept est démontrée dans la cinquième partie de ce chapitre grâce à des essais

d’épais-sissement de la couche d’accroche. La conclusion revient sur les principaux points étudiés avant d’aborder

différentes pistes d’amélioration.

FigureV.1:Schéma résumant le principe de l’étude de la flexographie à l’échelle du laboratoire.

V.2. Formulation et caractérisation des encres de flexographie

Dans le document Etude de la métallisation de la face avant des cellules photovoltaïques en silicium (Page 172-177)