Etude et réalisation d'une cellule photovoltaique a heterostructure avec contact serigraphie

Abstract

Nos travaux de recherche s’inscrivent dans le cadre actuel des efforts menés par de nombreuses équipes dans le monde pour continuer à réduire le coût encore élevé des dispositifs photovoltaïques commerciaux à base de silicium. Parmi les multiples options envisagées pour appréhender cette réduction (filière microcristalline, nouveaux matériaux, technologies avancées, …), nous considérons pour notre part, une conception de cellules photovoltaïques en hétéro-structure, combinant le dépôt d’un oxyde transparent conducteur (TCO) sur un substrat de silicium multicristallin dont le coût reste relativement abordable. Notre choix de TCO s’est porté sur l’oxyde d’étain (SnO2), un semi-conducteur transparent déposé dans nos expérimentations par spray pyrolyse qui est une technique simple et peu coûteuse. Ce matériau s’avère être très approprié à la conversion photovoltaïque et peut présenter une double application, comme couche anti- reflet et comme fenêtre optique. D’abord, comme couche anti-reflet, particulièrement dans l’intervalle spectral de 600 à 1000 nm. Nous sommes parvenus avec une couche d’oxyde d’étain non dopé déposé sur un substrat de silicium multi cristallin avec texture isotropique à réduire la réflectivité moyenne pondérée au spectre solaire AM1.5 jusqu’à 3.1%. Des minima remarquables en dessous de 1% ont été observés dans la plage des longueurs d’onde de 840nm à 880nm. Ensuite comme fenêtre optique sur une plaquette de silicium monocristallin diffusé pouvant contribuer à l’amélioration du rendement de conversion de la cellule solaire. Notre étude s’est d’abord focalisée sur l’examen des fortes dégradations des propriétés électriques des couches minces d’oxyde, constatées lorsqu’elles subissent à hautes températures (800°C) l’étape de frittage des pâtes de métallisation par sérigraphie. Cette dernière est aujourd’hui la technique de métallisation par excellence pour une fabrication de cellules solaires à grande échelle. Après de nombreuses expérimentations sous diverses ambiances, nous sommes parvenus à stabiliser la conductivité des couches minces en effectuant le frittage sous atmosphère réductrice de monoxyde de carbone. Cette ambiance s’est avérée nettement plus avantageuse que celle du forming gaz habituellement utilisé. Par ailleurs, une simulation numérique de l’hétérostructure SnO2 :F/Si(N+)/Si(P) a été effectuée en utilisant des logiciels dédiés au photovoltaïque comme SCAPS et PC1D. Inaccessibles dans la littérature, les modèles physiques propres aux couches minces de TCO se sont avérés être la pierre d’achoppement de cette partie théorique. Nous avons dû recourir à une approche semi-empirique pour investiguer les différents paramètres physiques permettant de traduire au mieux les performances de l’oxyde d’étain dopé au fluor comme fenêtre optique. La réalisation de la structure SnO2 :F/Si(N+)/Si(P) avec contacts déposés par sérigraphie nous a permis de valider les résultats tout en montrant une amélioration avoisinant les 3% du rendement de conversion. La résistance de contact a été mesurée par la méthode des lignes de transmission (TLM) qui permet de caractériser le contact sérigraphié avec le silicium et avec le SnO2. Nous avons remarqué que cette dernière ne s’est pas trop dégradée avec le dépôt SnO2.