Statut de la filière technologique

Afin de fabriquer nos cellules solaires « photonisées », nous avons développé une filière technologique spécifique qui permet de structurer la couche active à partir d’un empilement complet de couches (ultra)minces.

Contrairement aux configurations où les différentes couches sont déposées sur un substrat structuré aléatoirement (substrats de type Asahi glass-U [10] généralement utilisés comme références), nos nanostructures pour la collection et le piégeage de la lumière sont gravées directement dans la couche de a-Si :H. La mise en place de cette approche est donc moins directe car les propriétés électriques de la cellule sont également modifiées lors des étapes de gravure. Les problèmes associés à cette technique sont une augmentation des recombinaisons de surface et une dégradation de la couche d’ITO en face avant car celle-ci est placée sous le masque dur de silice qui est retiré en cours de fabrication. Néanmoins, l’avantage de nos structures est qu’elles assurent un contrôle accru des propriétés optiques de la cellule. En effet, ces dernières sont déterminées par les paramètres du CP et sont donc facilement ajustables. A titre d’exemple, il est possible d’adapter les propriétés d’absorption de la cellule à CP en fonction de la source lumineuse utilisée, ce qui est particulièrement intéressant pour des applications photovoltaïques non solaires (par exemple lorsque la source lumineuse est une DEL ou un tube fluorescent).

Nous avons choisi de réaliser la nano-structuration des couches en utilisant la lithographie holographique. Cette technique, qui dans notre cas permet de couvrir des surfaces de quelques cm², a été optimisée de manière à transférer des réseaux 1D et 2D carré de trous dans une couche de résine. En modifiant ses paramètres, la lithographie holographique permet de jouer sur la période et le facteur de remplissage en air du CP ce qui en fait une méthode versatile et adaptée à ce genre d’étude. Les motifs ont ensuite été transférés jusque dans la couche active en utilisant la gravure ionique réactive. Pour cela, un procédé de gravure a été développé pour le a-Si :H afin d’obtenir les profils et les cinétiques de gravure recherchés. Ces étapes nous ont permis de structurer des empilements complets de couches qui, après caractérisation à l’aide d’une sphère intégrante, ont montré un gain significatif de l’absorption sur l’ensemble du spectre utile. Ainsi, l’aspect optique de notre approche est désormais validé.

Comme mentionné précédemment, la gravure par plasma induit des défauts dans les couches qui peuvent dégrader leurs propriétés électriques. En définissant un plot de résine de 4,5mmx4,5mm à la surface de nos échantillons (empilement complet de couches sans masque dur de silice), nous avons gravé localement les couches d’ITO et de a-Si :H afin de prendre les contacts de part et d’autre de la jonction. Les caractéristiques I(V) résultantes, mesurées sous obscurité et sous illumination, sont généralement conformes au comportement escompté (à noter cependant la présence de résistances parallèles anormalement basses sur certains échantillons traduisant l’existence de courants de fuite). En revanche, nous avons observé une augmentation de la résistance série sur la caractéristique I(V) à chaque fois que la couche d’ITO était exposée pendant une durée plus ou moins longue au plasma de CHF3 lors du retrait du masque dur et cela, même en l’absence de CP. Ce problème est actuellement le point bloquant de la filière technologique et des alternatives sont étudiées pour conserver au mieux les propriétés électriques de l’ITO. Pour cette raison, nous considérons en ce moment le retrait du masque dur par voie humide. Dans un premier temps, l’objectif est de travailler sur un échantillon sans CP et de mesurer la caractéristique I(V) après dépôt et retrait de la silice. Pour l’instant, mis à part les simulations opto-électriques, rien ne permet d’évaluer l’impact réel des recombinaisons de surfaces sur les flancs de gravure mais une étape de passivation de surface finale parait d’ores et déjà incontournable pour le bon fonctionnement de nos cellules.

Pour compléter ce paragraphe, on peut mentionner la possibilité d’utiliser une filière technologique alternative qui se base sur la lithographie par nano-impression. Afin de développer cette autre voie de fabrication, un masque de nano-impression a été fabriqué au CEA-LETI. Il a permis de transférer les motifs de 52 cellules dans une couche de résine déposée sur un empilement complet de couches (ultra)minces. L’objectif de cette campagne de tests est de poursuivre la fabrication de nos cellules à partir de 2 cellules de références et de 50 cellules structurées représentant 25 configurations différentes et « optimisées » (en termes de périodes et de diamètre des trous). Les avantages propres à la lithographie par nano-impression sont une grande reproductibilité des motifs transférés dans la résine, le nombre important de configurations générées par test, et la possibilité d’isoler l’étape de gravure des zones à CP.

Enfin, les techniques de nano-structuration développées pour les cellules à base de a-Si :H ont été utilisées dans la cadre d’une collaboration avec l’IMEC afin d’intégrer des réseaux 1D et 2D carré sur la face avant de cellules en silicium monocristallin (c-Si) [11]. La motivation de cette étude provient de l’épaisseur réduite de la couche active (1µm seulement) qui requiert l’assistance de méthodes efficaces pour la collection et le piégeage de la lumière. En combinant une étape de lithographie holographique et des étapes de gravure par plasma, les réseaux 1D et 2D de trous ont été transférés sur une centaine de nanomètres dans la couche de c-Si, en recouvrant une surface de plusieurs cm². Après retrait du masque dur par voie humide et dépôt d’une couche d’ITO en face avant des cellules, des gains en absorption ont été mesurés sur l’ensemble du spectre utile par rapport aux cellules sans structuration (effet d’AR aux faibles longueurs d’onde et couplage aux modes de Bloch du CP entre environ 650nm et 1100nm). Récemment, des caractérisations électriques réalisées sur ces cellules ont montré que ces dernières étaient non seulement fonctionnelles, mais qu’elles présentaient aussi une densité de courant de court-circuit de 15mA/cm², soit environ 20% plus élevée que celle des cellules planes de référence.

Nous allons à présent discuter de structures plus prospectives permettant de prolonger les concepts utilisés. L’objectif n’est pas d’optimiser ces structures mais plutôt de mettre la lumière sur des effets qui pourront éventuellement faire l’objet d’études plus spécifiques par la suite. Nous aborderons tout d’abord le cas de structures hybrides intégrant des nanoparticules métalliques dans les trous d’un CP2D membranaire en a-Si :H. Nous introduirons ensuite une membrane structurée dans laquelle des défauts sont disposés de manière régulière. Cette dernière approche est différente de celle de Oskooi et al [12] car on ne cherche pas à « lisser » le spectre d’absorption grâce à un désordre de position sur l’ensemble des trous mais à créer de nouveaux pics d’absorption en perturbant périodiquement le réseau.