Soutenance de thèse de Baptiste MARTEAU
Intégration en dispositifs tandem des cellules PV à contacts passivés : Vers une technologie d’interface multifonctionnelle et universelle.
Mardi 19 décembre 2023 à 14h
Mots-Clés:
Résumé :
Cellule solaire,silicium,contacts passivés,tandem
Résumé :
Le marché des modules photovoltaïque est dominé par les technologies basées sur le silicium cristallin (c-Si). L’utilisation de contacts passivés fabriqués à basse température (SHJ) ou haute température (TOPCon) mène à des rendements records (26,8% et 26,2%) proches de la limite théorique de 29,4%. L’option privilégiée par la majorité des acteurs pour dépasser cette limite consiste à associer la technologie c-Si avec un autre matériau semi-conducteur à large bande interdite (EGap) pour permettre une conversion optimale du spectre solaire sur toute la gamme énergétique. L’efficacité maximale théorique de tels dispositifs tandem peut alors atteindre 42%. Il semble avantageux de privilégier une structure à deux terminaux pour simplifier la mise en module et réduire les coûts associés. Cependant, cela implique de fortes contraintes sur les couches d’interface situées entre les deux cellules. En effet, ces dernières doivent alors permettre l’obtention d’excellentes durées de vie des porteurs dans chaque cellule, tout en assurant des propriétés optiques (absorption et réflexion parasites minimales) et électriques (jonction de recombinaison (JR) efficace et peu résistive) optimales.
Pour la cellule c-Si, cette thèse se concentre sur la technologie TOPCon qui devrait dominer le marché d’ici 2030. De plus cette approche basée sur des empilements poly-Si/SiOx permet de disposer d’une grande versatilité pour les procédés de fabrication du dispositif tandem (stabilité jusqu’à 800°C), et de bénéficier de couches fortement dopées adaptées à la formation de JR. Le choix de l’absorbeur à large EGap s’est porté sur la technologie pérovskite (Pk) qui semble faire l’unanimité car elle combine potentiellement de faibles coûts de production et de hauts rendements. L’interface entre les deux cellules (TOPCon et Pk) du dispositif tandem est habituellement réalisée avec des couches d’oxydes transparents conducteurs comme l’ITO (Oxyde d’Indium Etain), permettant l’obtention d’excellentes propriétés électriques et optiques. L’indium est cependant un matériau critique qui pourrait limiter le développement de cette technologie à long terme. L’objectif de cette thèse consiste ainsi à explorer des approches sans indium pour l’interface des cellules tandem Pk/c-Si.
Les études réalisées dans ces travaux concernent des cellules tandem Pk/c-Si en configuration nip, pour lesquelles deux approches alternatives sont étudiées pour l’ingénierie d’interface. La première n’utilise aucune couche d’interface additionnelle, et la seconde intègre une couche nc-Si (n+) pour former une diode tunnel en silicium afin d’obtenir un courant de recombinaison optimal. Ces deux approches alternatives ont mené à l’obtention de meilleures performances initiales que le procédé de référence, principalement en s’affranchissant de la problématique de court-circuits dans la cellule Pk. Les dispositifs tandem fabriqués sans couche d’interface permettent d’obtenir des facteurs de forme comparables à ceux des meilleurs dispositifs mondiaux (> 81%) ainsi que des rendements proches de 25%, démontrant le potentiel des contacts passivés TOPCon pour la formation de JR sans ITO. Ces deux technologies d’interface sans indium se sont cependant révélées limitées par l’apparition au cours du temps de résistances séries internes. Des caractérisations avancées expliquent ces dégradations par l’apparition d’une couche de SiOx entre le silicium et le SnO2 (la couche sélective d’électron – ESL– de la cellule Pk).
En conclusion, les contacts passivés TOPCon sont particulièrement adaptés à la formation de jonctions de recombinaison (directes ou par le biais de diode tunnel en silicium) permettant de s’affranchir d’indium dans les couches d’interconnexion. Le silicium étant particulièrement sensible à l’oxydation, le choix de la couche de contact (ESL en configuration nip) devrait se porter sur un matériau ne comportant pas d’oxygène ou présentant une affinité pour l’oxygène plus forte que le silicium.
Pour la cellule c-Si, cette thèse se concentre sur la technologie TOPCon qui devrait dominer le marché d’ici 2030. De plus cette approche basée sur des empilements poly-Si/SiOx permet de disposer d’une grande versatilité pour les procédés de fabrication du dispositif tandem (stabilité jusqu’à 800°C), et de bénéficier de couches fortement dopées adaptées à la formation de JR. Le choix de l’absorbeur à large EGap s’est porté sur la technologie pérovskite (Pk) qui semble faire l’unanimité car elle combine potentiellement de faibles coûts de production et de hauts rendements. L’interface entre les deux cellules (TOPCon et Pk) du dispositif tandem est habituellement réalisée avec des couches d’oxydes transparents conducteurs comme l’ITO (Oxyde d’Indium Etain), permettant l’obtention d’excellentes propriétés électriques et optiques. L’indium est cependant un matériau critique qui pourrait limiter le développement de cette technologie à long terme. L’objectif de cette thèse consiste ainsi à explorer des approches sans indium pour l’interface des cellules tandem Pk/c-Si.
Les études réalisées dans ces travaux concernent des cellules tandem Pk/c-Si en configuration nip, pour lesquelles deux approches alternatives sont étudiées pour l’ingénierie d’interface. La première n’utilise aucune couche d’interface additionnelle, et la seconde intègre une couche nc-Si (n+) pour former une diode tunnel en silicium afin d’obtenir un courant de recombinaison optimal. Ces deux approches alternatives ont mené à l’obtention de meilleures performances initiales que le procédé de référence, principalement en s’affranchissant de la problématique de court-circuits dans la cellule Pk. Les dispositifs tandem fabriqués sans couche d’interface permettent d’obtenir des facteurs de forme comparables à ceux des meilleurs dispositifs mondiaux (> 81%) ainsi que des rendements proches de 25%, démontrant le potentiel des contacts passivés TOPCon pour la formation de JR sans ITO. Ces deux technologies d’interface sans indium se sont cependant révélées limitées par l’apparition au cours du temps de résistances séries internes. Des caractérisations avancées expliquent ces dégradations par l’apparition d’une couche de SiOx entre le silicium et le SnO2 (la couche sélective d’électron – ESL– de la cellule Pk).
En conclusion, les contacts passivés TOPCon sont particulièrement adaptés à la formation de jonctions de recombinaison (directes ou par le biais de diode tunnel en silicium) permettant de s’affranchir d’indium dans les couches d’interconnexion. Le silicium étant particulièrement sensible à l’oxydation, le choix de la couche de contact (ESL en configuration nip) devrait se porter sur un matériau ne comportant pas d’oxygène ou présentant une affinité pour l’oxygène plus forte que le silicium.
Membres du jury :
- Anne KAMINSKI-CACHOPO, PROFESSEURE DES UNIVERSITES - Grenoble INP : Directeur de thèse
- Pere ROCA I CABARROCAS, DIRECTEUR DE RECHERCHE - CNRS DELEGATION ILE-DE-FRANCE SUD : Rapporteur
- Marie GUEUNIER-FARRET, MAITRESSE DE CONFERENCE HDR - Université de Bordeaux : Rapporteur
- Stéphane COLLIN, DIRECTEUR DE RECHERCHE - CNRS DELEGATION ILE-DE-FRANCE SUD : Examinateur
- Daniel BELLET, PROFESSEUR DES UNIVERSITES - Grenoble INP : Examinateur
Partenaires
Thèse préparée au CEA /LITEN ,sous la direction de KAMINSKI-CACHOPO Anne directrice de thèse.
Infos date
Soutenance de thèse de Baptiste MARTEAU, pour une thèse de DOCTORAT de l' Université de Grenoble Alpes , spécialité " OPTIQUE et RADIOFREQUENCES ", intitulée:
Infos lieu
salle Lynx 4 - 107 - Campus INES50 Avenue du Lac Léman 73370 Le Bourget-du-Lac
Contact
Anne KAMINSKI-CACHOPO
Envoyer un mail
Envoyer un mail