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Contact electrodes for heterojunction silicon solar cells : evaluations and optimizations of the electron contact. Électrodes de contact pour cellules à hétérojonctions de silicium : évaluations et optimisations du contact de type N
Archive ouverte : Thèse
Edité par HAL CCSD
Photovoltaic (PV) solar cells convert the energy from the Sun’s radiation to electricity. They employ semi-conductor materials, which have the property to generate charge carriers when they absorb photons. At the surface of the material, contact layers allow the collection of charges towards metallic lines.The silicon heterojunction solar cells (SHJ) are new generation silicon based solar cells which integrate layers, called “passivating contacts”, which enhance the silicon electronic properties, notably by neutralizing defects at its surface.The electronic transport in this type of cells involves still not well-known physical phenomena that induce resistive losses. This work aims at implementing characterization and modelling methods to better understand and quantify losses linked to charge transport in SHJ cells, with the ultimate goal to reduce them and improve the efficiency of such devices. . Les cellules photovoltaïques (PV) à hétérojonction de silicium (SHJ) combinant du silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) et cristallin (c-Si) ont démontré de très hauts rendements à la fois en laboratoire et en environnement de production. De nouvelles améliorations sont toujours possibles, avec un effort consacré à l’amélioration des propriétés de transport électronique, et à un meilleur confinement optique aux différentes interfaces du dispositif.Les mécanismes de transport dans ces cellules ne sont toujours pas complètement compris, notamment au niveau des couches de contact pour la collecte des électrons et des trous, qui sont de complexes hétéro-interfaces où plusieurs phénomènes de transport sont impliqués. Le transport latéral doit aussi être considéré totalement, puisqu’une partie importante du courant latéral circule dans le silicium cristallin, en parallèle de la couche d’oxyde transparent conducteur (OTC).Ces travaux de thèse portent sur l’évaluation des pertes résistives dans les cellules SHJ à l’obscurité et sous lumière, pour évaluer leur origine possible, et proposer des stratégies pour les réduire. Pour ce faire, des procédures de caractérisation expérimentales de la résistances série, ainsi que des résistances de contact des différents contacts et interfaces de la cellule sont proposés et évalués en considérant des échantillons de designs et propriétés variés (dopage du wafer, durée de vie, conductivité de l’OTC etc.). La confrontation de ces résultats aux modèles analytiques classiques du PV montrent la nécessité de de prendre en compte les spécificités de la cellule SHJ dans ces modèles, tandis que des simulations TCAD en 2D sont utilisées pour donner davantage d’indices sur les mécanismes de transport. L’impact de variation de l’illumination et de la température sur ces quantités est aussi étudié.Il est montré que pour extraire avec précision la résistance carrée de l’OTC et la résistivité de contact du contact Ag/OTC par des mesures sur des échantillons TLM représentatifs de la cellule SHJ, c’est-à-dire où l’OTC est déposé sur du silicium amorphes sur substrat cristallin, il faut isoler électriquement le c-Si pour limiter le passage du courant à travers les interfaces et le volume du silicium cristallin, qui entraine une sous-estimation de la mesure du R"❏" de l’OTC et une surestimation de la mesure de ρ_C pour le contact Ag/OTC. Des stratégies d’isolation par l’émetteur ou par une couche épaisse d’a-Si :H donnent des résultats satisfaisants puisque les données mesurées ne dépendent pas des propriétés du c-Si bulk. Des valeurs de l’ordre de ρ_C (Ag/ITO)=0.16±0.09mΩ.cm² sont extraites des échantillons étudiés (l’OTC étant de l’oxyde d’indium étain ou ITO dans cet exemple).De plus, les résistivités de contact des contacts électrons et trous sont mesurées respectivement à 75±13 mΩ.cm² et 292±54 mΩ.cm², avec une forte sensibilité à la température indicative de l’effet thermo-ionique. Ces valeurs peuvent être dans certains cas influencées par l’illumination incidente, ce qui montre l’importance des mesures de ces quantités dans les conditions représentatives de fonctionnement de ces cellules.Dans le dispositif final, le transport latéral est fortement influencé par la densité de porteurs de charge locale, en particulier lorsque des wafers à haute résistivité ou à haute durée de vie sont utilisés. Pour une cellule SHJ de 21.9% de rendement sur une surface M2 utilisant un design à 5 busbars fabriqué au CEA, la résistance série est estimée impacter d’environ 3.9% abs. le facteur de forme (FF) et d’1% abs. le rendement. Dans cet exemple, les contacts électrons et trous sont identifiés comme la étant les principales sources de pertes, correspondant à .4% abs. FF, tandis que le transport latéral réduit le FF d’approximativement 1.2% abs. Cette analyse est en cours de mise à jour pour des dispositifs de plus de 23%.
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