DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

OXYdes fonctionnalisés pour jonctions ultra-minces et contacts tunnel : vers une nouvelle GENEration de cellules photovoltaïques en silicium cristallin – OXYGENE

Oxydes fonctionnalisés pour les cellules photovoltaiques (PV) silicium à contacts passivés

Les futures cellules PV industrielles reposeront sur la technologie des contacts passivés, qui nécessitent l'utilisation d'empilements oxydes «tunnel« / Polysilicium d'une part, et d'oxydes transparents et conducteurs (OTC) d'autre part. Ce projet est focalisé sur ces deux thématiques, avec pour objectif la production de cellules PV à contacts passivés à hauts rendements (supérieurs à 23%) avec des substrats et des procédés industriels.

Vers des cellules PV bifaciales à haut rendement (23%) innovantes et industrialisables

Le projet OXYGENE vise à développer une nouvelle génération de cellules photovoltaïques (PV) en silicium cristallin (c-Si) à homojonctions (HMJ) pour atteindre des rendements de conversion = 23% avec des procédés industriels. La technologie HMJ représente aujourd’hui la grande majorité de la production au niveau mondial, et son amélioration repose sur deux axes principaux : <br />- L’utilisation de contacts dits « passivés » sur jonctions ultra-minces, afin de réduire les pertes par recombinaisons. <br />- La bi-facialité des dispositifs, permettant d’améliorer la production d’électricité jusqu’à 25% par rapport à des cellules standard. <br />Afin de répondre à ces deux enjeux, le projet OXYGENE est focalisé sur l’étude d’oxydes fonctionnalisés qui permettront d’atteindre des contacts passivés, transparents, avec des procédés industriels. Des procédés innovants utilisant des équipements français semi-industriels seront ainsi développés: des dépôts par ALD (Atomic Layer Deposition) d’oxydes fonctionnalisés (passivants et conducteurs) d’une part, le dopage des jonctions ultra-minces en implantation ionique par immersion plasma (PIII) d’autre part. Le projet OXYGENE permettra donc d’explorer différentes voies pour obtenir des contacts passivés ET transparents, afin d’obtenir des cellules PV bi-faciales à haut rendement (= 23%) innovantes et industrialisables.

Ce projet est focalisé sur l’amélioration des technologies de fabrication standard des cellules PV en silicium cristallin, par une collaboration entre des acteurs académiques et des équipementiers français. Les approches sont donc les suivantes :
1/ Développer du savoir-faire sur le thème des contacts passivés adaptées à la fabrication des cellules PV bifaciales
2/ Proposer des solutions technologiques viables industriellement pour l’amélioration des procédés de fabrication standard de ces cellules

Le succès de ce projet pourra se traduire dans un premier temps par une valorisation scientifique (publications, dépôts de brevets, communications des partenaires industriels). Ensuite, les développements effectués sur l'équipement d’implantation Pulsion Solar de la société IBS seront mis en valeur afin de favoriser sa mise en service dans des lignes de production existantes. Enfin, les procédés de fabrication développés dans ce projet permettront de réduire l’utilisation de produits chimiques (pour l’implantation) ainsi que la consommation de matière première rare comme l’indium dans les procédés de fabrication des cellules solaires.

Les travaux menés pendant cette première moitié du projet OXYGENE ont abouti à de nombreux résultats au niveau simulation, caractérisation et pour la fabrication des cellules PV. La simulation 1D puis 2D du transport à travers l’oxyde passivant a été réalisée par des outils TCAD du commerce (Sentaurus) et confrontée à des mesures expérimentales sur des structures de test dédiées mettant en évidence un mécanisme de courant tunnel direct. Des simulations incluant des « pinholes » ont également été réalisées. Au niveau caractérisations, des mesures KPFM, XPS et I-V-T ont été réalisées sur des structures de test avec différents oxydes tunnels et fabriqués avec différentes technologies. Ces caractérisations ont permis de comprendre le mécanisme de transport prédominant et d’analyser l’influence de la qualité de l’oxyde sur le transport. La technologie de dopage par immersion plasma (B2H6 et PH3)a été appliquée à la fois sur le silicium cristallin et sur des couches minces de poly-Si/oxyde, permettant de valider la très bonne qualité des jonctions obtenues (Voc implicites = 730mV). Des empilements AZO/SiNx:H ont également été développés, permettant après recuit à haute température (750°C) de conserver de bonnes propriétés de conduction dans l’AZO tout en apportant une passivation effective des interfaces grâce à la diffusion de l’Hydrogène lors du recuit. De nombreux tests d’intégration et de fabrication de dispositifs ont été menées, permettant de sélectionner les voies les plus prometteuses pour les structures de cellule à contacts passivés. Des rendements supérieurs à 21% ont été obtenus sur des substrats type n industriels (240cm2) avec des structures hybrides où le contact passivé (poly-Si/oxyde) est uniquement utilisé sur la face arrière. Pour l’instant la structure « New Gen » où le poly-Si est utilisé des deux côtés est limitée car l’intégration en face avant entraîne pour le moment différentes pertes (principalement par absorption optique).

Les objectifs des prochains mois sont donc principalement:

- La simulation de structures photovoltaïques complètes et la caractérisation avancée des différentes technologies de contacts passivés.

- Le développement d'OTC encore plus performants, principalement au niveau de leurs propriétés de passivation de surface et d'hydrogénation

- L'optimisation des structures de cellules par l’amélioration des procédés de fabrication des couches OTC/polySi/oxyde

- L'utilisation d'équipements industriels pour toutes ces étapes de procédé

Publications dans des revues à comité de lecture:

1. doi.org/10.1063/1.5041062
2. doi.org/10.1063/1.5049316
3. doi.org/10.1063/1.5049267
4. doi.org/10.1063/1.5049280
5. doi.org/10.1002/pssa.201800603
6. doi.org/10.1016/j.solmat.2019.109912

10 autres communications ont été effectuées dans le cadre de conférences internationales, dont 3 présentations orales (et 2 à venir à la prochaine EUPVSEC)

Le projet OXYGENE vise à développer une nouvelle génération de cellules photovoltaïques (PV) en silicium cristallin (c-Si) à homojonctions (HMJ) pour atteindre des rendements de conversion = 23% sur grande surface. La technologie HMJ représente aujourd’hui la grande majorité de la production au niveau mondial, et son amélioration repose sur deux axes principaux : 1/ L’utilisation de contacts dits « passivés » sur jonctions ultra-minces, afin de réduire les pertes par recombinaisons des porteurs de charge dans les zones dopées et à l’interface métal/silicium. 2/ La bi-facialité des dispositifs, permettant d’améliorer la production d’électricité par rapport à des cellules standard. Afin de répondre à ces deux enjeux, le projet OXYGENE est focalisé sur l’étude d’oxydes fonctionnalisés qui permettront d’atteindre des contacts passivés, transparents, avec des procédés industriels. Des équipements français semi-industriels seront ainsi utilisés: des dépôts par ALD (Atomic Layer Deposition) d’oxydes fonctionnalisés (passivants et conducteurs) d’une part, le dopage des jonctions ultra-minces en implantation ionique par immersion plasma (PIII) d’autre part. Le projet OXYGENE permettra donc d’explorer différentes voies pour obtenir des contacts passivés ET transparents, afin d’obtenir des cellules PV bi-faciales à haut rendement (= 23%) innovantes et industrialisables. Le projet OXYGENE sera organisé en 7 Tâches distinctes et implique 6 partenaires (CEA-LITEN INES, INL, GEEPS-IPVF, LMGP, IMEP LAHC, ENCAPSULIX). Chaque partenaire du projet sera responsable d’une tâche et veillera donc au bon déroulement du programme de travail associé. Une première tâche est dédiée à la coordination du projet et la valorisation des résultats obtenus. Trois tâches (T4, T5, et T6) sont dédiées au développement des briques technologiques nécessaire à l’obtention de cellules de seconde génération. Les études de modélisations et caractérisations nécessaires à l’ensemble des travaux font l’objet de deux autres tâches (T2 et T3). Enfin, l’ensemble des avancées seront transférées et validées sur des procédés de dépôt industriels par l’entreprise Encapsulix dans la tâche 7. Ce projet aura différents impacts, au niveau sociétal pour commencer, avec l’amélioration des outils de production d’électricité renouvelable qui est incontournable pour répondre aux problématiques de l’accès à l’énergie et du réchauffement climatique. La réussite de ce projet ambitieux par ses objectifs permettra de mettre en valeur la recherche et des entreprises françaises en Europe et dans le monde. Au niveau scientifique, deux technologies seront mises en valeur dans ce projet. La première, développée par Encapsulix et basée sur l’ALD, sera utilisée pour la fabrication des électrodes innovantes du projet. La deuxième est l’implantation par immersion plasma (PIII), qui permet de réaliser des jonctions ultra-minces. Dans cette perspective, le LHMJ du CEA/LITEN vient d’acquérir le tout premier équipement industriel de PIII dédié au photovoltaïque, développé par l’équipementier français IBS (Ion Beam Service). Les retombées de ce projet seront donc importantes à différents niveaux, d’abord en termes de valorisation par des publications scientifiques, dépôts de brevets et communications des partenaires industriels. Ensuite, la collaboration entre les différents partenaires dans le domaine des contacts passivés et des oxydes fonctionnalisés pour le PV, avec les caractérisations associées, permettra de mettre en commun des connaissances et des équipements scientifiques de haut niveau. Au niveau économique, la technologie développée par Encapsulix sera ainsi testée et valorisé pour la fabrication de cellules solaires innovantes ainsi que le bâti d’implantation par immersion plasma Pulsion Solar de l’équipementier français IBS.

Coordinateur du projet

Monsieur Thibaut DESRUES (CEA grenoble)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GEEPS Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris
INL-CNRS Institut des Nanotechnologies de Lyon
Grenoble INP / IMEP-LAHC Institut polytechnique de Grenoble
IBS ION BEAM SERVICES
Grenoble INP/ LMGP Institut Polytechnique de Grenoble
CEA DTS CEA grenoble

Aide de l'ANR 601 170 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 36 Mois

Liens utiles

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter