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SCM Silicium

Thème Semi-conducteurs en Couches Minces pour le Photovoltaïque : Couches minces de silicium et interfaces avec c-Si


Le silicium en couches minces (silicium amorphe, polymorphe et microcristallin) et ses alliages sont étudiés pour leurs applications photovoltaïques. Bien que ce thème soit le plus ancien de l'équipe, les objectifs des recherches ont fortement évolué. En effet, la forte croissance du marché du photovoltaïque suscite des recherches sur le silicium en couches minces suivant deux objectifs principaux :

  • l'augmentation de la vitesse de dépôt du matériau (tout en maintenant de bonnes propriétés électroniques) ; c'est un des moyens de réduire les coûts de production pour que cette filière soit compétitive par rapport à la filière du silicium cristallin massif,

  • l'augmentation du rendement de conversion (de l'énergie lumineuse en énergie électrique) et la stabilité accrue des cellules photovoltaïques en "jouant" avec les caractéristiques des matériaux ou grâce à de nouveaux types de composants.


Nous travaillons en collaboration étroite avec des partenaires (essentiellement le Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces à Palaiseau, mais aussi plusieurs instituts étrangers) qui fabriquent les matériaux par dépôt à basse température (PECVD), et nos caractérisations servent à guider les choix de conditions de dépôt dans la poursuite de ces deux objectifs.


Ainsi, nos caractérisations et l'analyse des propriétés optiques et électroniques de ces matériaux ont permis de déterminer des paramètres physiques importants pour le fonctionnement des cellules solaires de type PIN ou tandem: longueur de diffusion, densité d'états dans la bande interdite de la couche I, sections efficaces de capture [ACL.4.7]. Nos travaux ont porté sur des couches minces de silicium fabriquées par PECVD avec dilution du silane dans l'hydrogène ou dans l'argon [ACL.4.2, ACL.4.4], ainsi que sur des matériaux déposés à grande vitesse par PECVD ou par une variante ECR-PECVD [ACL.4.13, ACL.4.32, ACL.4.54]. Alors que la vitesse de dépôt du silicium amorphe classique est inférieure à 1 Å/s, des vitesses respectivement proches de 10 Å/s et supérieures à 30 Å/s ont pu être obtenues par ces techniques. Dans le cadre des projets TGV-Sicomat (Silicium en couches minces déposées à Très Grande Vitesse pour l'habitat, ACI du programme Energie) et ATOS (Associations Tandem Optimisées pour le Solaire, projet ANR), il a été montré que, par un bon choix des conditions de dépôt, des couches de silicium amorphe (a-Si:H) et polymorphe (pm-Si:H) déposées à grande vitesse présentaient des propriétés électroniques comparables ou supérieures à celles du silicium amorphe standard déposé à moins de 1 Å/s [ACL.4.13, ACL.4.32]. Ces résultats sont illustrés sur la figure 1, qui présente le produit (mobilité X durée de vie) des électrons (µntn) et la longueur de diffusion ambipolaire (Ld) d'échantillons de pm-Si:H déposés à 8-9Å/s en fonction de l'épaisseur des couches. Il est à noter que, grâce à l'interactivité de nos travaux avec ceux du LPICM, au cours de la deuxième année du projet ATOS, des rendements de conversion de l'ordre de 8% ont été obtenus sur des modules photovoltaïques de 100 cm2 constitués de pm-Si:H fabriqué à 9 Å/s, ce qui dépasse déjà les objectifs fixés pour ce projet [ACL.4.53, ACT.4.15, ACT.4.16]. A présent, dans le cadre de ce projet, nous nous intéressons également à la gestion de l'énergie produite par des modules de type tandem à 4 fils, en collaboration avec l'équipe COCODI du LGEP et le LAAS.


Pour la poursuite du deuxième objectif, nous nous sommes également intéressés aux cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium, dont une illustration est donnée à la figure 3. Ces cellules sont constituées d'une base en silicium cristallin (c-Si), ce matériau étant choisi ici car ses propriétés électroniques sont meilleures que celles des matériaux désordonnés en couches minces. Mais elles utilisent des dépôts de couches ultra-minces (quelques nanomètres) de silicium amorphe ou polymorphe, réalisés à basse température, pour former l'émetteur de la cellule en face avant et le champ de surface à l'arrière, en lieu et place des étapes de diffusion (à haute température) utilisées dans la filière classique du silicium cristallin. Ce type de cellule présente de nombreux avantages. Citons le budget thermique de fabrication de la cellule, qui est réduit, ce qui induit une diminution de l'énergie utilisée lors de la fabrication, mais aussi une réduction du coût. Dans ce type de nouveau dispositif, les interfaces aux jonctions des deux semiconducteurs jouent un rôle capital (il s'agit bien d'hétérojonctions de silicium car c-Si et a-Si:H ou pm-Si:H ne possèdent pas les mêmes largeurs de bande interdite). Pour le diagnostic électrique de ces interfaces, nous avons d'abord utilisé la spectroscopie de capacité classique : mesure de la capacité de la cellule en fonction de la température et de la fréquence, à l'obscurité, et à polarisation continue nulle ou inverse [ACL.4.16]. Nous avons démontré que la sensibilité de cette technique aux états d'interface dans le cas des hétérojonctions de silicium n'est pas suffisante. Nous avons ensuite développé une technique de mesure de la capacité sous forte polarisation directe (proche de ou égale à la tension de circuit ouvert) sous illumination AM 1.5 [ACL.4.19]. L'analyse de cette nouvelle technique a montré qu'elle est beaucoup plus sensible que la technique classique, et que la physique sous-jacente est complètement différente : la sensibilité est liée aux mécanismes de recombinaison et non aux mécanismes de piégeage-dépiégeage des porteurs libres comme dans la spectroscopie classique [ACL.4.29]. Enfin, nous avons proposé, réalisé et analysé des mesures sur une structure simple et originale : un dépôt de couche mince de a-Si:H de type n sur substrat de c-Si de type p, l'ensemble étant recouvert d'électrodes coplanaires. Cette structure est beaucoup plus simple à réaliser qu'une cellule photovoltaïque complète, et nous avons montré que la conductance correspondante est très sensible aux détails du diagramme des bandes à l'hétérojonction [ACL.4.46]. Ceci nous a permis de déterminer avec précision le désaccord de bande de conduction entre le a-Si:H et le c-Si, la valeur de ce paramètre étant très controversée dans la communauté, alors même qu'il s'agit d'un paramètre fondamental pour comprendre le fonctionnement des cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium et pour espérer optimiser ces structures par simulation [ACL.4.51]. Nos travaux sur ce thème ont été largement reconnus au niveau international et ont fait l'objet en 2008 de communications invitées dans deux conférences majeures du domaine [INV.4.2, INV.4.3]. Ils s'orientent à présent vers la mise en oeuvre de modélisations fines de ces structures [ACL.4.57], en liaison avec l'équipe ICHAMS du LGEP, et vers la mise en oeuvre de techniques de photoluminescence en régime continu mais aussi en régime alternatif pour sonder la qualité des interfaces [ACL.4.45, ACL.4.59].

Figure 1: Produit mobilité-durée de vie des électrons (μnτn) et longueur de diffusion ambipolaire (Ld) en fonction de l'épaisseur pour des échantillons de pm-Si:H déposés à des vitesses comprises entre 8 et 9Å/s. Est indiquée également sur cette figure la plage des valeurs obtenues pour du silicium amorphe standard.

Cellule photovoltaïque à hétérojonctions de silicium en face avant et en face arrière.

Figure 2 : Cellule photovoltaïque à hétérojonctions de silicium en face avant et en face arrière.

Perspectives :

Il existe en fait deux filières silicium, qui étaient, jusqu'à récemment, complètement découplées : la filière du silicium massif (matériau cristallin), et la filière du silicium en couches minces (matériau désordonné). Alors que la première est toujours dominante au niveau industriel, la majorité des panneaux photovoltaïques sur le marché étant constitués de silicium multicristallin, la seconde est considérée comme plus porteuse pour l'avenir. En effet, les objectifs pour l'avenir sont la réduction des coûts de fabrication, la réduction de l'énergie nécessaire pour la fabrication des cellules, et la réduction de la consommation de silicium, le tout en essayant d'augmenter les rendements de conversion de l'énergie.

La filière des couches minces est bien positionnée sur tous les premiers aspects, mais, du fait de sa structure désordonnée, le matériau possède de moins bonnes propriétés électroniques que le silicium cristallin, ce qui se traduit également par des performances photovoltaïques moindres, et surtout par une dégradation de ces performances après quelques mois d'utilisation, liée à la création de défauts par l'éclairement. Or, nous avons montré dans nos recherches en collaboration avec le LPICM, qu'une forme de couche mince, le silicium polymorphe hydrogéné, est plus stable et présente moins de défauts que le silicium amorphe hydrogéné. De plus, son énergie de bande interdite un peu plus grande le rend attractif pour constituer la cellule avant d'une structure tandem en couches minces, la cellule arrière pouvant être constituée de silicium microcristallin. Les recherches entamées avec succès dans le projet ANR ATOS (Association Tandem Optimisée pour le Solaire) vont être poursuivies en collaboration avec le LPICM et la société TOTAL au sein d'une structure qui reste à définir. Il pourrait s'agir d'une équipe de recherche mixte CNRS-TOTAL au sein de laquelle l'équipe SCM est prête à participer à hauteur d'une personne à temps plein.

Au cours des dernières années, un pont a été jeté entre les deux filières silicium citées ci-dessus. En effet, des recherches se développent dans plusieurs pôles dans le monde sur les cellules à hétérojonctions de silicium, qui combinent le silicium cristallin et des couches ultra-minces de silicium désordonné, déposées pour former des jonctions avec le c-Si. Grâce notamment aux travaux de SANYO au Japon, nous savons qu'il est possible d'atteindre des très hauts rendements photovoltaïques (supérieurs à 22%) avec ce type de cellules. Au sein du projet ANR PHARE (qui se termine fin décembre 2008), nous avons étudié les cellules à hétérojonctions de silicium dont la base est constituée de silicium cristallin de type p. Des cellules à 17% de rendement ont pu y être réalisées. En raison de la meilleure connaissance des désaccords de bande que nous avons acquise, nous pensons que les meilleures performances photovoltaïques de cellules à hétérojonctions de silicium devraient être acquises avec du silicium cristallin de type n. Les études sur ce type d'hétérojonctions vont donc être renforcées au cours des prochaines années, notamment dans le cadre de plusieurs projets récemment débutés :

  • projet ANR "QC PASSI" : Cellules photovoltaïques silicium à hétérojonctions et structure interdigitée en face arrière associé à un effet de multiplication quantique en face avant pour une augmentation du rendement de conversion (démarrage : décembre 2006, fin: décembre 2009)

  • projet ANR "MULTIXEN" : Silicium multicristallin de type n pour la fabrication de cellules solaires à bas coût et à rendement de conversion élevé (démarrage : décembre 2007, fin: décembre 2010)

  • projet européen FP7 "HETSI" : Heterojunctions a-Si c-Si (démarrage : février 2008, fin : février 2011) projet PICS du CNRS : Hétérojonctions pour le photovoltaïque (démarrage : janvier 2008, fin : décembre 2010) projet AII : Solar Nanocrystal (démarrage : mai 2008, fin : mai 2013)

  • projet PICS du CNRS : Hétérojonctions pour le photovoltaïque (démarrage : janvier 2008, fin : décembre 2010)
  • projet AII : Solar Nanocrystal (démarrage : mai 2008, fin : mai 2013)

Le projet QC-PASSI a pour objectif l'étude de structures à hétérojonctions et à contacts interdigités en face arrière. La réalisation de tous les contacts d'une cellule sur sa seule face arrière présente plusieurs intérêts : cela facilite la connexion des cellules pour la mise en module, cela libère la face avant de toute contrainte liée aux contacts, évitant notamment les zones d'ombrage dues aux métallisations et procurant un meilleur aspect esthétique. En outre, l'utilisation d'hétérojonctions en face arrière pourrait améliorer le rendement de telles cellules. Au sein de ce projet, nous nous attachons plus particulièrement à la modélisation des cellules en tenant compte de la spécificité des matériaux désordonnés utilisés en combinaison avec le c-Si. Ceci fait l'objet d'une partie de la thèse de Djicknoum Diouf, débutée en février 2007.

Le projet MULTIXEN vise la mise au point de nouveaux procédés de fabrication de cellules photovoltaïques adaptés au silicium multicristallin de type n. Il réunit le CEA/LITEN (INES), TECSEN, le LPICM, le LGEP, le SIMaP, ainsi que deux industriels, Apollon Solar et Photowatt. Il est prévu, dans la deuxième phase de ce projet, d'étendre le concept d'hétérojonctions de silicium aux cellules en silicium multicristallin. Le LGEP mettra en oeuvre des techniques de caractérisation par photoluminescence et par photoconductance sans contact pour étudier la qualité de passivation par le a-Si:H du silicium multicristallin.

Le projet européen HETSI réunit 11 partenaires, issus de 6 pays européens, possédant une bonne expertise dans le domaine du silicium pour le photovoltaïque, afin de couvrir les différents aspects : dépôt de couches minces, passivation des interfaces, caractérisation et modélisation, réalisation de cellules par différents procédés technologiques, mise en modules, et transfert à l'industrie. La coopération des instituts européens leaders dans le domaine des cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium (Helmholtz Zentrum Berlin, ECN, IMEC, Université d'Utrecht, IMT Neuchâtel, ENEA Porticci, CEA-INES et le CNRS, représenté par le LPICM et le LGEP) doit permettre une synergie des savoir-faire pour réaliser un optimum entre le rendement des cellules et leur coût de production. La présence de 3 partenaires industriels majeurs du secteur en Europe (Q-Cells, Photowatt et Solon) devrait par ailleurs assurer un transfert rapide vers l'industrie et l'exploitation des résultats. Au sein de ce projet, le CNRS a la responsabilité d'une des tâches principales : caractérisation et modélisation, roadmap vers les 25% de rendement.

Le projet PICS "Hétérostructures pour le photovoltaïque" réunit notre équipe et deux équipes russes de Saint-Pétersbourg : l'une de l'institut IOFFE, l'autre du Physics and Technology Centre for Research and Education of the Russian Academy of Sciences. Ces deux instituts ont une bonne expérience des systèmes à hétérojonctions (le second est dirigé par Z. Alferov, qui a obtenu le prix Nobel de physique en 2000 pour ses travaux sur les hétérojonctions). Nous allons coupler des techniques de caractérisation complémentaires et des modélisations pour mieux cerner certains paramètres clés des hétérojonctions de silicium, tels que la répartition énergétique des défauts d'interface et leurs sections efficaces de capture. Ces paramètres sont en effet encore très mal connus, et ils conditionnent pourtant le pouvoir recombinant aux interfaces, qui limite les performances photovoltaïques.

Le projet Solar Nanocrystal regroupe plusieurs laboratoires du CNRS (PROMES, Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, Laboratoire de Génie Chimique, LPICM, SIMAP, TECSEN, LGEP), le CEA, et plusieurs industriels (PV ALLIANCE- alliance entre Photowatt, EDF Energies Nouvelles et l'INES, Silicium de Provence, EMX SA, APOLLON SOLAR). Il a comme objectif stratégique de créer un écosystème d'innovation de stature mondiale, de relancer la filière photovoltaïque française, avec à la clé la création de plusieurs milliers d'emplois. Les objectifs techniques vont de la fabrication de silicium polycristallin de qualité solaire, à la réalisation de cellules à haut rendement, puis de modules. La réalisation de cellules à haut rendement, prévue dans ce projet, repose en grande partie sur la technologie des hétérojonctions de silicium, pour laquelle nous mettrons en oeuvre nos compétences en caractérisation et en modélisation.

De façon plus prospective, nous comptons étendre nos études aux nanofils de silicium. Un projet basé sur la réalisation de cellules à nanofils à hétérojonctions de silicium dénommé "SIFLEX" (Cellules photovoltaïques Silicium sur substrat FLEXible), a été déposé retenu dans le cadre de l'appel d'offres HABISOL de l'ANR (démarrage décembre 2008). Ce projet réunit quatre laboratoires du CEA, deux laboratoires du CNRS (LPICM et LGEP) et l'industriel PV ALLIANCE. Les études menées dans le cadre de ce projet permettront également de renforcer le partenariat avec le LPICM et le CEA-INES sur la thématique photovoltaïque silicium.