Development of manufacturable homojunction silicon solar cells with passivated contacts

Abstract

Afin de favoriser le déploiement des énergies renouvelables, le développement de cellules solaires moins chères mais aussi plus performantes reste un enjeu pour rendre l’électricité photovoltaïque encore plus attractive. Si les technologies des cellules solaires à base de silicium à homojonction dominent le marché mondial, les performances de ces structures peuvent encore être améliorées. En effet, le contact direct entre la grille métallique et les zones fortement surdopées est source de pertes par recombinaisons des porteurs de charges. L’émergence de de nouvelles structures de cellules émergent à contacts passivés permet des solutions alternatives face à cette limitation. Ces structures visent à délocaliser la prise de contact grâce à l’introduction de couches passivantes entre le substrat de silicium cristallin et la grille de métallisation, diminuant ainsi drastiquement les phénomènes de recombinaisons au sein des dispositifs. La technologie de contacts passivés la plus connue reste celle des cellules à hétérojonction de silicium a-Si:H/c-Si. Cette technologie mature reste pour l’instant limitée car elle représente un nouveau standard industriel mais aussi car elle n’est pas compatible avec les procédés utilisant des températures excédant 250°C. De plus, l’utilisation d’indium, matériau cher et dont la ressource est limitée, dans les couches d’Oxyde Transparent Conducteur (OTC) peut représenter un frein à l’industrialisation de masse du procédé. Il est alors nécessaire de développer de nouvelles technologies de contacts passivés, compatibles avec des procédés à haute température (supérieures à 800°C), et donc intégrables dans une ligne de production existante. Des approches utilisant des OTC en combinaison avec des couches ultraminces d’oxydes, des empilements diélectriques, et des jonctions poly-silicium sur oxyde ont été investiguées afin d’améliorer les performances des cellules à homojonction. Les couches intermédiaires d’OTC développées permettent potentiellement de diminuer les pertes résistives et et celles par recombinaison au niveau des contacts. Ces travaux de thèse se sont ainsi focalisés sur le développement de couches d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO) par pulvérisation cathodique (PC) et Atomic Layer Deposition (ALD) pour les cellules solaires à contact passivés. Ces couches, utilisées seules ou en combinaison avec des matériaux diélectriques, ont été intégrées et testées sur des dispositifs photovoltaïques fonctionnels.For the deployment of renewable energies, the development of cheaper and more efficient solar cells remains an issue to make photovoltaic electricity even more attractive. While homojunction-based silicon solar cell technologies dominate the global market, the performances of these structures can be further improved. Indeed, the direct contact between the metal grid and the highly doped junction is a source of recombination losses. To overcome these limitations, new structures are emerging such as silicon-based passivated contacts solar cells. These structures aim at integrating of passivating layers between the crystalline silicon substrate and the metal grid, thus drastically reducing the recombination phenomena within the devices. Silicon heterojunction (a-Si:H/c-Si) cells remain the most well-known passivated contact technology. Nevertheless, this mature technology is still limited by its fabrication process which is far from the industrial standard, and is hardly compatible with temperatures exceeding 250 ° C. In addition, the use of expensive and potentially toxic indium in the Transparent Conductive Oxide (TCO) layers has restrained up to now the expansion towards mass industrialization of the process. Thus, it is necessary to develop new passivated contacts technologies compatible with high temperature (above 800°C), implementable in a standard production line. This study explores new paths for passivating contact technologies thanks to ultrathin layers of oxides or dielectrics/TCO stacks deposited on silicon homojunctions as well as poly-silicon on thin oxide junctions. In order to limit the resistive losses and potentially limit recombination losses in the contacted areas, intermediate TCO layers have been developed. In this perspective, this works aims at investigating the development of Aluminum Zinc Oxide (AZO) layers by both Magnetron Sputtering (MS) and Atomic Layer Deposition (ALD) for passivated contact solar cells. These layers, also used in combination with dielectric materials have been integrated and then tested in photovoltaic devices