Towards band engineering of a-Si:H / c-Si heterojunction solar cells. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2007

Towards band engineering of a-Si:H / c-Si heterojunction solar cells.

Vers une ingénierie de bandes des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H / c-Si. Rôle prépondérant de l'hydrogène.

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Abstract

This thesis is the first such work in France on a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells. This technology is based on the deposition of amorphous silicon onto crystalline silicon substrates, thus enabling the fabrication of high efficiency solar cells entirely at low temperatures (< 200 °C). It also makes it possible to process very thin c-Si substrates (<150 μm). In this work, we have dealt exclusively with p-type doped c-Si substrates, upon which a-Si:H, pm-Si:H or μc-Si layers have been deposited by RF-PECVD. We have paid particular attention to the ITO deposition, the cleaning procedure steps, and the resulting reproducibility issues. Industrialization was one of the goals of the research; hence, solar cells with large areas (25 cm2) and using a low-cost, screen-printed metallization step were developed. Power conversion efficiencies of the resulting
cells were improved from 9 % to 17 % and record values of Voc between 660 mV and 677 mV were achieved. An outstanding quality of passivation (surface recombination of 16 cm/s averaged over 25 cm2) has been obtained.

We have carried out in-situ ellipsometric measurements, SIMS, HR-TEM, capacitance measurements, and numerical simulations in order to gain further insight in the poorly understood physics of heterojunction solar cells. Original results have been obtained, and as well, some existing paradoxes have been resolved concerning the role of “ion bombardment”, the impact of epitaxial growth, and the behaviour of band offsets. One of our major conclusions is that the band offsets of a-Si:H/c-Si heterojunctions are not constant and are especially governed by hydrogen
content. This discovery opens the door to the possibility of engineering heterojunction band offsets.
Cette thèse a initié en France la thématique des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Cette technologie consiste à déposer des couches de silicium amorphe sur des substrats de silicium cristallin ce qui présente l'avantage (par rapport aux homojonctions) de fabriquer des cellules solaires à haut rendement entièrement à basse température (< 200 °C). Elle permet aussi de réaliser plus aisément des cellules sur substrats c-Si très minces (< 150 μm). Les substrats utilisés sont ici essentiellement des c-Si de type p. Les couches a-Si:H, pm-Si:H ou μc-Si sont déposées par RF-PECVD. Une attention particulière est portée au dépôt d'ITO, aux étapes de nettoyage et à la reproductibilité. Les cellules solaires ont été développées dans un souci constant d'industrialisation : grande surface (25 cm2) et métallisations bas coût sérigraphiées. Malgré cela, les rendements ont progressé de 9 % à 17 % avec les meilleurs Vco compris entre 660 mV et 677 mV (à l'époque un record). Une excellente passivation a été obtenue avec une vitesse de recombinaison de 16 cm/s moyennée sur 25 cm2.

Un travail plus théorique associant mesures ellipsométriques in situ, mesures HR-TEM et mesures de capacité, SIMS et simulations a permis d'obtenir plusieurs résultats originaux et de montrer que la physique des cellules à hétérojonctions a-Si:H/c-Si était encore mal comprise. Des paradoxes ont été découverts et élucidés concernant le rôle du « bombardement ionique »,
de la croissance épitaxiale et des discontinuités de bande. Une conclusion essentielle est que les discontinuités de bande du système a-Si:H/c-Si ne sont pas constantes et que leur valeur dépend (notamment) du contenu en hydrogène. Cela ouvre la voie à une ingénierie des discontinuités de bande des cellules solaires à hétérojonctions.
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Dates and versions

tel-00259575 , version 1 (28-02-2008)

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  • HAL Id : tel-00259575 , version 1

Cite

J. Damon-Lacoste. Vers une ingénierie de bandes des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H / c-Si. Rôle prépondérant de l'hydrogène.. Matière Condensée [cond-mat]. Ecole Polytechnique X, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00259575⟩
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