Passivation des cellules photovoltaïques en silicium cristallin à haut rendement
ALD pour les cellules photovoltaïques

1 - Contexte : filières et besoins du photovoltaïque

• 1.1 - Principe de la conversion photovoltaïque et principales filières technologiques
  Figure 1 - Schéma d’une cellule photovoltaïque en silicium de type p (dopé au bore) Figure 2 - Cartographie de la durée de vie effective des électrons sur un wafer de silicium de type p et de résistivité 0,8 Ω·cm recouvert d’une couche mince d’alumine (Crédit Corina Barbos, INL) Figure 3 - Effet de la durée de vie des porteurs minoritaires τ v (qualité intrinsèque du matériau) et de la résistance série parasite (R s) sur la réponse J(V) d’une cellule en silicium de type p [2]
• 1.2 - Atouts et défis de l’ALD pour le photovoltaïque

2 - Passivation des cellules photovoltaïques en silicium cristallin à haut rendement

• 2.1 - Enjeu : une amélioration constante du rendement de conversion des cellules photovoltaïques
  Figure 4 - Schéma d’une cellule photovoltaïque en silicium de structure PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)
• 2.2 - Mécanismes de passivation de surface de silicium
• 2.3 - Dépôts d’Al2O3 sur silicium par ALD
  Figure 5 - Représentation schématique des réactions chimiques lors d’un cycle de dépôt d’alumine par ALD thermique Figure 6 - Capture d’écran illustrant les séquences alternées d’introduction des précurseurs (TMA et H2O) et les périodes de purge (argon) pendant un cycle ALD Figure 7 - a) Durée de vie des porteurs minoritaires avant et après recuit en fonction du niveau d’injection (substrat de Si type n, FZ (100), ρ� = 10 Ω·cm, passivé sur les deux faces par 15 nm d’Al2O3), b) durée de vie des porteurs minoritaires avant et après recuit en fonction de l’épaisseur d’Al2O3 (substrat de Si type p, FZ (100), ρ = 0,8 Ω·cm, passivé sur les deux faces) (Crédit Corina Barbos, INL)
• 2.4 - Réalisations industrielles
  Figure 8 - Principales étapes de fabrication de cellules PERC en Si multicristallin sur ligne pilote incluant un dépôt d’Al2O3 par ALD (d’après [14])
• 2.5 - Applications avancées
  Figure 9 - a) Image MEB d’une surface de black silicon (hauteur de piliers environ 800 nm et diamètre environ 200 nm) recouverte d’une couche de 20 nm d’Al2O3 déposée par ALD, b) schéma d’une cellule IBC (la face avant montre le black silicon (b-Si) passivé avec Al2O3 déposé par ALD) (Reprinted from ref. [16] by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature Nanotechnology, copyright (2015)) Figure 10 - Cellule PERC avec contacts passivés par une couche tunnel subnanométrique d’AlOx (tunneling layer) en face avant. La face arrière est passivée par une bicouche Al2O3/SiNx (passivation layer) (Reprinted from ref. [17] by permission from John Wiley & Sons, Inc.) Figure 11 - Schéma d’une cellule à hétérojonction en silicium cristallin de type n incluant une couche de ZnO:Al déposée par ALD (d’après [18]) Figure 12 - Prévision des parts de marché des différentes technologies de passivation de la face arrière des cellules en silicium cristallin (d’après ITRPV 2015 [21])

3 - Applications de l’ALD pour les cellules solaires de 2e et 3e générations

• 3.1 - Couches tampons pour les cellules CIGS
  Figure 13 - a) Observation MEB d’une coupe transverse, structure-type et b) diagramme de bandes d’une cellule CIGS (Crédit IRDEP) Figure 14 - a) Influence de la couche tampon sur le rendement quantique externe (EQE) (Crédit IRDEP), b) position des bandes de valence et de conduction pour les hétérojonctions CIGS/Zn1- x Sn x O y de différentes compositions et valeurs de V co correspondantes (Adapted from (Ref [24]) with permission of the PCCP Owner Societies) Tableau 1
• 3.2 - Oxydes transparents conducteurs (OTC)
  Tableau 2
• 3.3 - ALD pour architectures photovoltaïques nanostructurées
  Figure 15 - a) Représentation schématique d’une cellule à colorant, b) influence du nombre de cycles ALD (Number of ALD reaction cycles) de Al2O3 sur le taux de couverture (Fractional coverage) et le rendement (Efficiency) (PCE, %) de la cellule à colorant (Reprinted with permission from (T.-C. Tien et al, J. Phys. Chem. C. 114 (2010) 10048–10053). Copyright (2010) American Chemical Society) Figure 16 - a) Représentation de la cellule solaire tandem silicium/pérovskite. La partie en pointillés rouges représente la partie active de la cellule, b) observation MEB d’une coupe transverse (Adapted from [27] with permission of The Royal Society of Chemistry)

4 - Conclusion

5 - Glossaire