Modélisation à deux dimensions des propriétés physiques de cellules solaires au silicium à base de substrat de type n. Étude de quelques cas particuliers de cellules innovantes.

Abstract

Résumé Jusqu’à une certaine période, toutes les cellules solaires commercialisées de la filière silicium ont été réalisées sur du silicium à substrat de type p puisque la technologie de sa fabrication est beaucoup plus facilement industrialisée et accessible. Néanmoins, à technologie équivalente, les meilleurs résultats des cellules sont obtenus pour le silicium cristallin de type n. La principale cause est la présence de défauts très recombinants dans le silicium de type p, notamment les paires bore-oxygène créées sous illumination et responsables de la perte de rendement des cellules les premiers mois de fonctionnement. Les cellules avec silicium cristallin de type n dopé au phosphore ne sont pas influencées à ce type de défauts et dans le temps, elles sont beaucoup plus stables. Dans ce travail de cette thèse, on a étudié la cellule solaire de type n à émetteurs homogène et sélectif. Pour cela, on a analysé l'influence de divers paramètres de la cellule solaire de silicium monocristallin de type n expérimentée par l’institut allemand ISE (Institute for Solar Energy Systems) de Fraunhofer, en particulier les paramètres de la base (durée de vie, résistivité et épaisseur), les résistances de couche de l'émetteur et de la surface arrière (BSF). Pour optimiser cette cellule, on a utilisé PC2D de P. Basore qui est un nouveau simulateur, permettant la modélisation des effets bidimensionnels des cellules solaires. La cellule à émetteur homogène, dopé au bore par diffusion thermique avec une résistance de couche de 90 Ω/□ (notée HE90), est passivée avec l'oxyde d'aluminium (Al2O3) puis recouverte d’une couche antireflet de nitrure de silicium (SiNx). En optimisant la métallisation de cette cellule, Kalio et al ont obtenu un rendement de conversion de 19.60 %, validée ensuite par notre travail à 19.68 %. Nous avons par la suite optimisé les paramètres de cette cellule obtenant un gain absolu de 0.37 % pour la cellule solaire à émetteur homogène d’une résistance de couche de 75 Ω/□ (notée HE75). L’introduction de l'émetteur sélectif (notée SE50-100) a également amélioré le rendement de conversion en montant à 20.20% pour une résistance de couche de 50 Ω/□ sous les contacts et 100 Ω/□, entre les contacts. Enfin, nous avons comparé les performances de ces cellules étudiées de type n par rapport aux cellules de type p d’Irysolar. On a constaté clairement, l’avantage des cellules à substrat de type n pour les deux structures HE et SE avec des améliorations d’environ 2.5 % en rendement de conversion Ƞ.----------------------------------------------------act Up to a certain period, all commercialized silicon solar cells were realized on p-type silicon substrate because the technology of their production was easily industrialized and accessible. Nevertheless, with equivalent technology, the best results of the cells are obtained for the n-type crystalline silicon. The main cause is the presence of very recombinant defects in the p-type silicon, in particular the boron-oxygen pairs created under illumination and responsible for the loss of cell efficiency in the first months of operation. Cells with phosphorus-doped n-type crystalline silicon are not influenced by this type of defects and over time are much more stable. In this work of this thesis, we studied the n-type solar cells with homogeneous and selective emitters. For this purpose, we analyzed the influence of various parameters of the n-type monocrystalline silicon solar cells experimented by Fraunhofer's Institute for Solar Energy Systems (ISE), in particular the parameters of the base (lifetime , resistivity and thickness), the emitter and back surface field (BSF). To optimize this cell, P. Basore's PC2D program was used, which is a new simulator, allowing the modeling of the two-dimensional effects of solar cells. The homogeneous emitter cell, doped with boron by thermal diffusion with a sheet resistance of 90 Ω/□ (noted HE90), is passivated with aluminum oxide (Al2O3) and then covered with silicon nitride (SiNx) antireflective coating layer. By optimizing the metallization of this cell, Kalio et al obtained a conversion efficiency of 19.60 %, validated by our work at 19.68 %. Then, we optimized the parameters of this cell obtaining an absolute gain of 0.37 % for the solar cell with homogeneous emitter of a 75 Ω/□ sheet resistance (noted HE75). The introduction of the selective emitter (SE50-100) improved the conversion efficiency to 20.20 % with sheet resistance of 50 Ω/□ under the contacts and 100 Ω/□, between the contacts. Finally, we compared the performance of these n-type studied cells with Irysolar p-type cells. The advantage of n-type substrate cells for the two HE and SE structures has been clearly seen with improvements of about 2.5% of efficiency.