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Submitted on 1 Jan 1980
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Recuit laser de cellules solaires fonctionnant sous
concentration
D. Salles, E. Fogarassy, R. Stuck, P. Siffert
To cite this version:
Recuit laser de cellules
solaires fonctionnant
sousconcentration
D. Salles, E.Fogarassy,
R. Stuck et P. SiffertCentre de Recherches Nucléaires, Groupe de Physique et Applications des Semiconducteurs (PHASE) 67037 Strasbourg Cedex, France
(Reçu le 3 octobre 1979, révisé le 21 décembre 1979,
accepté
le 2 janvier 1980)Résumé. 2014 La résistance série élevée des cellules conventionnelles au silicium rend leur fonctionnement difficile sous concentration. Nous montrons ici que l’irradiation de la couche
superficielle
diffusée par un faisceau laserpulsé
de grande intensité permet de réduire notamment la résistance série, de sorte que des rendements deconver-sion de 15 % sous 30 soleils et de 12,5 % sous 100 soleils (10
W/cm2)
sont prévus par le calcul. Abstract. 2014 Thehigh
series resistance of conventional silicon solar cells reduces noticeably their conversionefficiency when
operating
under concentration. We demonstrate here that the value of this resistance can bediminished when the diffused surface layer has been irradiated by a high
intensity
short laserpulse.
Theexpected
efficiencies of these cells have been calculated, they range from 15 % to 12.5 % when going from 30 to 100 suns
concentration
(3-10.W/cm2).
Classification Physics Abstracts 76.60Jx - 71.60Qq Introduction. - La concentration durayonnement
solaire constitue l’une des méthodessusceptibles
d’abaisser leprix
de revient de l’électricitéd’origine
photovoltaïque.
Latechnologie
laplus
courammentutilisée à l’heure actuelle pour la fabrication de
photo-piles
adaptées
aux concentrations moyennes(
50soleils)
étant la diffusionthermique
dephos-phore
dans un substrat de silicium monocristallin de type P, nous avons restreint notre étude à cetteméthode.
Les
performances
desphotopiles
à concentrationsont en
majeure partie
limitées parl’importance
de leur résistance série interne. Eneffet,
en utilisant un modèlemathématique
simple,
Fabre[1]
a montré quele rendement de conversion d’une
photopile
décroîtrapidement
lorsque
sa résistance sérieaugmente.
Nous avons
reporté
sur lafigure
1 l’évolution du rendement de conversion, calculée de manière théori-que par cet auteur, en fonction de la concentration pour unephotopile
de 2 x 2cm2
réalisée sur siliciumde type
P,
maintenue à unetempérature
de
300 K. On notera que la résistance série doit dans ce cas être inférieure à 30-40 m03A9 si l’on veut conserver sousconcentration moyenne
( x
50soleils)
un rendementde conversion au moins
égal
à celui mesuré sous AM 1.La résistance série
dépend
de nombreuxparamètres,
dont la résistivité du matériau de base, la résistance carrée de la couche diffuséesuperficielle,
les résistances de contact, les résistances des métallisations et lagéométrie
de lagrille
de la face avant. NéanmoinsFig. 1. - Evolution du rendement d’une cellule solaire au silicium
à jonction N+/P de 4 cm’ de surface en fonction de la
concentra-tion du rayonnement solaire pour différentes valeurs de la résistance série.
[Conversion efficiency of a 4 cm2 silicon N+/P junction cell as a
’function of sun concentration and for various values of the series
resistance.]
il a été montré
[1, 2]
que la résistance série d’unecellule conventionnelle
(cellule
au silicium mono-cristallin àjonction
N+-P de 2 x 2cm2 réalisée
sur un substrat de résistivité 1,5 Qcm etd’épaisseur
300Nm)
dépend
enmajeure partie
de la résistancede la couche
superficielle (généralement
caractériséepar sa résistance carrée
R~
égale
àp/e,
où p est la890
résistivité de cette couche, e son
épaisseur)
et en second lieu de la résistance du contactohmique
arrière(ces
deux résistances peuvent atteindre 0,2 Q alorsque les autres sont toutes inférieures à 10
mQ).
S’ilest relativement aisé de diminuer la résistance du
contact
ohmique,
il estplus
difficiled’agir
surRo.
En
effet,
latechnique
de diffusionthermique classique
ne permet pas d’obtenir des concentrations de
phos-phore électriquement
actifsupérieures
à 2 x 1020cm-3,
cequi correspond,
pour uneprofondeur
dejonction
de l’ordre de 4 000Á,
à des valeurs deRD supérieures
à 35 Q.Puisque
l’on ne peut réduireRD
par destechniques
dedopage
classiques,
unepremière
méthode pourdiminuer la résistance série
RS
consiste à minimiserl’effet de
RD
surRS
en utilisant desgrilles
de collecte dont lagéométrie
est conçue de manière à réduire leparcours, dans la couche de
surface,
des porteursphotogénérés
avant leur collection[1].
Nous proposons dans cet article une autre méthode
qui
consiste àagir
directement surRD,
utilisant uneirradiation laser brève. En
effet,
on a montrérécem-ment
qu’il
estpossible
de diminuer la résistance carrée d’une couche de siliciumdopée
auphosphore
[3]
enaugmentant la concentration de
dopant électriquement
actifgrâce
à une irradiation laser convenable.Appliquée
à une cellule diffuséeconventionnelle,
cette
technique
permet de diminuerRD
sans pourautant entraîner un accroissement sensible de la
profondeur
dejonction qui dégraderait
laréponse
spectrale
de la cellule dans les courteslongueurs
d’onde.
Nous avons ensuite
évalué,
à l’aide d’un modèlesimple,
la résistance sériepuis
le rendement que l’on peut s’attendre à obtenir d’une tellephotopile,
traitéepar laser avant
dépôt
de lamétallisation,
pour diversesgéométries
degrille.
1. Effets sur
RD
d’une irradiation laser. - 1.1LIMITES DE DOPAGE PAR DIFFUSION THERMIQUE
CONVEN-TIONNELLE. - A
l’heure
actuelle,
laplupart
des cellules sont réalisées àpartir
de siliciummono-cristallin de faible
résistivité,
danslequel
lajonction
N+-P est réalisée par diffusion
thermique
dephos-phore
à 850 °C environ sur uneprofondeur
de 0,4 pm.Dans ces
conditions,
la concentration totale dephos-phore
introduite est donnée par la solubilité limite decet
élément dans lesilicium,
soit 5 x 1020cm-3,
pour cette
température
de diffusion. On constatecependant
que la concentration dedopants
électri-quement actifs ne peutdépasser
2 x 1020 cm - 3.Tout le
phosphore
en excès estinactif, soit
parcequ’il
précipite,
soit parcequ’il
est associé à des lacunesdoublement
chargées
(pairage) [4].
Du fait de cettelimite les valeurs de
R~
obtenuesdépassent
généra-lement 35 Q, si la
profondeur
dejonction
n’excède pas0,4 03BC.
1.2 EFFETS D’UNE IMPULSION LASER BRÈVE SUR LA ZONE DIFFUSÉE. -
1.2.1 Conditions
expérimentales.
- Dans
une
première
étape,
desjonctions
N+/P
ont été réalisées par diffusion de
phosphore
àpartir
d’une source de(POC13)
gazeuse à 875 °Cpendant
40 min sur desplaquettes
(0
57mm)
de siliciummonocristallin
111 >
Czochralski de faible résistivité(1,5
Q.cm),
de 300 pmd’épaisseur [5].
Lajonction
a ensuite été irradiée par uneimpulsion
lumineuse issue d’un laser à rubis(Â
= 0,694 3pm)
de 20-35ns,
pour une densité
d’énergie
variant de0,8
à 2J/cm2.
Les couches ont été caractérisées parSIMS,
parRBS,
et les mesures de résistance carrée ont étéeffectuées par la méthode des 4
pointes.
1 2.2 Résultats. - Nous
nous limiterons ici à l’effet sur
RD
du traitementlaser
de
lajonction.
Lesrésultats
expérimentaux,
reportés
sur lafigure
2,
montrent
qu’il
estpossible
de réduire notablement larésistance carrée de la couche de
surface ;
en effet desrésistances carrées de 12 Q ont pu être atteintes pour
une irradiation laser de 2
J/cm2.
Il existe à l’heure actuelle différents modèles
qui
expliquent
le processus de transfert del’énergie
du faisceau laser absorbée par lesilicium;
on peut admettrecependant
que tout se passe comme si cetteénergie
absorbéependant
30 ns sur 1 000 à 2 000Á
était suffisante pour entraîner la fusion de silicium
jusqu’à
uneprofondeur
de 3 000 à 5 000Â,
fonctionde la densité
d’énergie
dupulse
laser,
sa recristallisation enépitaxie liquide
intervenant trèsrapidement
(100
ns)
[6].
Dans cesconditions,
lesprécipités
dephosphore
créés
en surface lors de la diffusionthermique
sontdissous,
et la solidification intervient ensuite troprapidement
pour permettre la formation de nouvelles associations ou lamigration
dudopant
vers des sites deprécipitation.
Il en résulte un accroissement de laFig. 2. -
Evolution de la résistance carrée Ra de la couche superfi-cielle N+ d’une jonction N+/P diffusée en fonction de l’énergie de l’impulsion laser de recuit.
[Sheet resistance R. change of the surface N+ region of a diffused
concentration de
dopants électriquement
actifqui
se traduit par une diminution deRo.
Dans les conditions de recuit laser utilisées
(densité
d’énergie
2J/cm2),
laprofondeur
dejonction
resteinférieure à 5 000 A
[6],
c’est-à-dire du même ordreque celle obtenue par diffusion
thermique ;
la réduction deRn
est donc essentiellement due au processus deréactivation des
dopants.
Le tableau suivant montre que la diminution de la
résistance
série,
consécutive au traitement lasers’accompagne
d’une amélioration desperformances,
testées sous des conditionsAM1,
d’une cellule standard RTC(0
57mm).
On relève notamment :
-
un accroissement de la tension en circuit ouvert
de 10 à 20 mV, par suite de
l’augmentation
de la concentration dedopants
actifs dans la couche desurface ;
-
une élévation du courant de court-circuit due
à l’amélioration des
paramètres
optiques
de la couchesuperficielle
par suite de la dissolution despréci-pités.
Fig. 3. -
Evolution du rendement de cellules solaires au silicium à jonction N+/P ayant subi (Ro = 15 03A9) ou non (Ro = 40 Q)
un recuit par faisceau laser pulsé, en fonction de la concentration
et pour différents types de grilles.
[N+/P silicon solar cell efficiency vs. sun concentration before
(Re - = 40 03A9) and after
(R~ = 15 03A9)
laser annealing for various kind of grids.]2. Calcul
théorique
de la résistance série en fonctionde
R~. 2013
Plusieurs modèles de calcul de la résistancesérie
RS
d’une cellule àjonction
P-N ontdéjà
étéproposés
dans la littérature[2,
7,8].
Nous avonsbâti notre modèle suivant le
principe
des zones unitésutilisé par
Handy
[8],
en y apportant certaines modifi-cations. D’autre part, lagéométrie
de lagrille
inter-venant dans
le
calcul deRs,
nous avonspris
en considé-ration deux types degrille,
unegrille
classique,
déjà
étudiée parHandy,
et unegrille
croisée. 2.1 CALCUL DE LA RÉSISTANCE SÉRIE D’UNE CELLULE MUNIE D’UNE GRILLE « CLASSIQUE ». - Nousappelle-rons
grille
classique
unegrille
dont lagéométrie
estreprésentée
sur lafigure
4a ; lasymétrie qu’elle présente
permet d’introduire le concept de zones unités
[8].
Fig. 4a. - Définition de la
zone unité [8] sur une cellule munie d’une
grille classique.
[Definition of the unit area [8] of a cell having a conventional
grid.]
RS
peut se mettre sous la forme de la somme des résistances suivantes :-
résistance de la métallisation arrière ;
-
résistance de contact métallisation
arrière-substrat ;
-
résistance du matériau de
base ;
-
RN
où
RN
est une résistancequi correspond
autrajet
des porteurs
photogénérés
depuis
lajonction,
àtravers la couche de surface,
puis
à travers lagrille,
jusqu’au
circuit extérieur. Le calcul leplus
délicatest celui de la résistance
RNS
correspondant
autrajet
des porteurs dans la couchesuperficielle.
Nous ne tiendrons compte dans le calcul que dudéplacement
de porteursparallèle
à la surface de la cellule(le
trajet perpendiculaire
à la surfacecorrespond
à une résistancenégligeable,
inférieure à 10-’Q).
Du fait de la
symétrie, RNS
peut être calculée àpartir
de la résistanceéquivalente
RNs,,
d’une zoneunité.
Pour calculer
RNSO,
on faitl’approximation
que letrajet
dans la couchesuperficielle
des porteursphotogénérés
se fait suivant deux directions(Fig.
4b) :
Ox pour ceux créés dans la zone 1 ;
892
Fig. 4b. -
Trajet des porteurs photogénérés dans la zone unité d’une cellule munie d’une grille classique.
[Displacement of the photogenerated carriers in an unit area with
a conventional grid.]
La
position
dupoint
A(Fig.
4b)
est déterminéepar
l’équation :
La résolution de cette
équation
permet de déterminerl’angle 03B8.
Compte
tenu de ceshypothèses,
nous avons calculérespectivement
les résistancesR,
etR2
desrégions
et
(2).
Nous ne détaillerons ici que le calcul deR1.
Pour une densité de
photons
incidentsOi,
le courantI(r)
qui
traverse la surfaceA(r)
(Fig.
5)
correspond
àdes porteurs créés par l’éclairement de la surface
Ai(r).
D’où :où il
représente
le rendementquantique.
En
supposant
que leslignes
dechamps
entre lessurfaces
A(r)
etA(r
+dr)
sontparallèles
à l’axe Ar,le
champ
électrique
à traversA(r)
s’écrira :Fig. 5. - Notations utilisées dans le calcul de la résistance de la
région
(l) d’une
zone unité pour une cellule munie d’une grilleclassique.
[Definition of the various terms for the calculation of the resistance of the region
Q)
of an unit area.]où
J(r)
désigne
la densité de courantqui
traverseA(r),
p la résistivité de la couche.La chute du
potentiel
entreA(r)
etA(r
+dr)
s’écrit alors :
La chute du
potentiel
entre 0 et ro sera :sachant que
on aura :
R
s’écrit
donc :avec
d’où
Le calcul de
R2,
fondé sur le mêmeprincipe,
aboutità :
Un
algorithme
permet
ensuite de déterminerRNso,
puis
Rs,
àpartir
deRI
etR2
et des autres résistancesentrant en
ligne
decompte.
Le calcul montre queR,
et
R2,
doncRs
nedépendent
de p et e que par lerapport
ple
=R~.
2.2 CALCUL DE LA RÉSISTANCE SÉRIE D’UNE CELLULE MUNIE D’UNE GRILLE « CROISÉE ». - La
géométrie
de la
grille
croisée que nous avons étudiée estrepré-sentée sur la
figure
3. L’intérêt de cettegéométrie
est depermettre
d’atteindre des résistances sérieplus
faiblesqu’avec
unegrille classique,
grâce
à la réduction du parcours moyen des porteursphoto-générés
avant leur collection par lamétallisation,
tout en conservant un taux de couverture raisonnable
«
10 %).
d’une telle
grille procède
du mêmeprincipe
que dans le cas d’unegrille classique,
en tenant compte dessymétries
propres à sagéométrie.
Les valeurs des
paramètres
intervenant dans le calcul deRs,
pour les deux types degrilles
étudiées,
sont les suivantes :
- côté de la cellule : 2 cm ;
-
épaisseur
de la cellule : 300 03BCm ;-
largeur
de la barre collectrice : 500 03BCm ;-
largeur
deslignes
de lagrille :
40 pm ;- résistivité matériau de base : 1
03A9.cm;
-résistance carrée de la métallisation :
-
R~ : 15 03A9 ou 40 03A9 ;
-nombre de
lignes
de lagrille :
6 ou20 ;
- taux decouverture maximum
(N
= 20,grille
croisée) :
10 %.
2. 3 COMPARAISON DES RENDEMENTS DE CONVERSION
THÉORIQUES
DES DIFFÉRENTES CELLULES. - Lerende-ment de conversion d’une
photopile
sous unéclaire-ment donné
peut
se calculer de manièrethéorique
à
partir
de sa relationcaractéristique
I(V).
Lorsque
l’on tient
compte
de la résistancesérie,
cette relationest couramment admise sous la forme
implicite
suivante :
10
est le courant de saturation,Iph
lephotocourant,
RS
la résistance série.Nous avons
représenté
sur lafigure
3 l’évolutiondu rendement de conversion
théorique
en fonction de laconcentration,
pour des cellules dotées des deuxtypes
degrille
étudiésplus
haut. 1Dans les cas des cellules à
jonction
P-N réaliséespar des
techniques
conventionnelles(pour lesquelles
RD
est de l’ordre de 4003A9)
on voit l’intérêt d’unegrille
croisée par rapport à une
grille classique,
mêmedans le cas où cette dernière contient un nombre de
lignes plus grand.
Le nombre delignes
ne peutcependant
pas êtretrop
grand,
car le taux decou-verture devient alors
trop
important
et le rendement chuted’autant,
à moins de diminuer lalargeur
deslignes
pour conserver un taux de couverture raison-nable(
10 %).
Malheureusement,
on peutdifficile-ment descendre en dessous de
largeurs
de l’ordrede 40 pm pour des raisons
technologiques ;
deplus,
la diminution de lalargeur
deslignes jusqu’à
desvaleurs
relativement faibles entraîne uneaugmentation
de la résistance de ces
lignes qui
peut
alors devenirconséquente
et nuire à la résistance série. Par contre, si l’on fait subir un recuit par faisceaulaser
pulsé
à une cellule àjonction
P-N avantdépôt
de la
métallisation,
quelle
que soit la méthode utilisée pour réaliser lajonction
(diffusion
thermique
clas-sique, techniques d’implantation
oud’effluvage...),
on
peut
obtenir desperformances
intéressantes sousconcentration avec une
grille
classique,
à conditionque N soit suffisamment
grand
(rendement
maximalde
14,5 %
sous 15soleils).
Unegrille
croisée donneévidemment
des résultats meilleurs mais la différence
avec une
grille classique
est moins sensible sur une cellulequi
a subi le traitement laser(le
rendementmaximum dans ce cas est de l’ordre de
15 %
sous30 soleils et
supérieur
à12,5
%
sous 100soleils,
lacellule étant maintenue à une
température
de 300K).
3. Conclusion. - Nous avons
montré que
l’inter-vention du recuit laser dans le processus de fabri-cation d’une cellule solaire au silicium
permet
d’enaméliorer les
performances
sous concentration etd’envisager
leur utilisation sous des concentrationsplus
élevées(jusqu’à
100soleils)
avec des rendementsacceptables ;
si l’on utilise une telletechnologie
le recours à unegrille sophistiquée
généralement
coû-teuse n’est
plus indispensable.
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