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Les différents types de silicium
Le silicium massif domine le marché photovoltaïque. En 2008, plus de 95% des équipements utilisent le silicium comme matériau de base . Les plus répandues étant le silicium monocristallin, polycristallin, et le silicium amorphe.
Le silicium cristallin : Le silicium cristallin est le matériau le plus utilisé dans l’industrie photovoltaïque, il est composé du silicium monocristallin ou polycristallin. -Le silicium monocristallin est un matériau très pure, qui est obtenu par des procédés industriels tels que le tirage CZ (Czockralski) ou la purification par fusion de zone (FZ). Le produit fini se présente sous la forme de lingots qu’il faut ensuite découper en plaquettes de 300µm. Cette dernière étape entraine d’ailleurs une perte importante de matériau (50%). Ce type de matériau, qui présente d’excellente qualités électroniques, permet la fabrication des cellules conventionnelles à haut rendement (~18%) mais il est très couteux. La part de marché du silicium monocristallin est donc de moins en moins importante (43.4% en 2008), puisque les modules produits ont certes un rendement plus élevé mais sont bien plus chers que ceux en silicium multicristallin .
Le silicium polycristallin (multicristallin) fabriqué principalement à partir de sources de matériau moins raffinées ou des rebuts de l’industrie micro- électronique, mais convient à l’industrie photovoltaïque. La majeure partie de ce matériau est produite par des procédés de solidification unidirectionnelle, tels que le Polix (Photowatt) ou le Baysis (Bayer). Il se présente également sous forme de lingots qu’il faut découper. Les rendements des cellules obtenues sont légèrement inférieur (15%). Cependant c’est le matériau qui conduit au cout le plus faible au Wc (watt- crête), en comparaison avec d’autres procédés. Il occupe aujourd’hui 55.9% de part de marché et tend à progresser.
D’autres méthodes de production se développent, tel que le silicium en ruban, cette solution séduisante consiste à produire directement des plaques minces (<200µm) de silicium multicristallin en utilisant un ruban de carbone qui passe dans un silicium de bain fondu. Par adhérence, un film de silicium se dépose. Il suffit ensuite de bruler le carbone et on se trouve avec des fines plaques de silicium prêtes à être découpées et processées en cellule photovoltaïque, permettant ainsi d’éviter l’étape de découpe préjudiciable. Cependant, cette technique n’a pas réussi à s’imposer, en raison notamment de la bonne qualité du silicium obtenu (purification moins poussée, cristallisation moins bonne, ainsi l’uniformité, et l’état de surface) et des vitesses de tirage trop faible (quelques cm/min). Cependant, les meilleures cellules produites présentent des rendements de conversion moyenne d’environ 14% .
Le silicium amorphe : Une autre forme de silicium est également utilisée pour la fabrication de cellules photovoltaïque : le silicium amorphe hydrogéné (a-Si : H). L’avantage du silicium amorphe est qu’il est déposé à basse température (PECVD) ce qui permet l’utilisation de substrats bas couts (verre). De plus grâce à sa pseudo- largeur de bande interdite de 1.7 eV, et une absorption très importante, quelques microns suffisent. Avec des structures a jonctions multiples, des rendements stabilisés de13% ont été réalisés dans des laboratoires tandisque les piles solaires industrielles approchent de 8%. Cependant, le principal problème des cellules en silicium amorphe est leur dégradation au cours du temps, dégradation consécutive à la libération de l’hydrogène .
Les pertes optiques
Le rendement d’une cellule dépend aussi du nombre de photon y pénétrant. Le silicium est un matériau d’aspect métallique, très réfléchissant. L’indice de réfraction du silicium étant environ 3,5, le coefficient de réflexion d’une interface air-silicium est de l’ordre de 30% [1], ce qui représente les pertes directes des photons par réflexion. D’autre part, il y a une partie des photons, bien qu’ayant l’énergie nécessaire, traversent l’épaisseur de la cellule sans être absorbés. Ce terme devient important quand la cellule devient très fine (<100 m) conduisant à des pertes par transmission. Ceci peut être minimisé en utilisant une couche réfléchissante sur la face arrière de la cellule (réflecteur arrière).
Différentes préparations de surface permettent de diminuer les pertes par réflexion et/ou par transmission des photons ; nous citerons :
la texturation de surface (i.e. la formation de relief de taille micrométrique), qui permet de diminuer les réflexions sur la face avant (éclairée), et d’augmenter le trajet optique des photons en les piégeant à l’intérieur du substrat .
le dépôt en face avant d’une couche antireflet par exemple SiNx : H, dont l’indice de réfraction est inférieur à celui du silicium (généralement n=2) qui permet de diminuer les pertes par réflexion .
Passivation de la surface et de joints de grains
Cette opération est utilisée couramment pour passiver et protéger la surface des dispositifs électroniques de l’environnement. Elle a été appliquée aux cellules solaires au silicium cristallin. L’objectif principal est la saturation des liaisons pendantes en surface et aux joints de grains limitant ainsi le courant de recombinaison.
Passivation de la surface : Apres formation de la jonction, on fait croitre une couche d’oxyde thermique d’une épaisseur de l’ordre de 10nm.Cette étape est réalisée par différentes techniques dont la plus courante et la plus simple est la croissance d’un film mince dans un tube ouvert sous une ambiance d’oxygène sec.
Elle permet la réduction de la vitesse de recombinaison en surface et améliore l’interface métal semi-conducteur.
Passivation des joints de grains : Cette opération est réalisée dans le cas du silicium poly cristallin. Celui-ci est constitué de grains dont les joints présentent aux interfaces des liaisons insatisfaites qui jouent le rôle de centre de recombinaison pour les porteurs de charges et limitent les performances photovoltaïques de la photopile. La passivation des joints de grains est réalisée en incorporant de l’hydrogène ou du fluor atomique et moléculaire. Les techniques utilisées sont nombreuses. Les principales sont le recuit sous un flux gazeux d’hydrogène, par implantation au moyen d’une source de Kauffman ou dans un plasma radioférence.
Techniques de dépôt des couches antireflets
Les couches antireflets sont généralement déposées par évaporation sous vide, pulvérisation cathodique, sérigraphie, et dépôt chimique en phase vapeur ou dépôt chimique a phase vapeur ou à partir des solutions organométalliques par spray ou spin-on.
La pulvérisation cathodique : La pulvérisation se déroule dans une enceinte sous vide. L’ensemble de pulvérisation est constitué de cathode (matériau à pulvériser) et de l’anode (substrat et son support). On distingue essentiellement deux méthodes de dépôt par pulvérisation. Dans la première, une charge électrique est produite entre deux électrodes dans DC ou RF (Radio Fréquence). Cette décharge est produite dans un gaz à basse pression ((0,02-0,2).133,32 Pa), en général l’argon. Sous l’action de la décharge, l’argon s’ionise et les ions viennent heurter la cathode. Sous l’action des ions Ar, les atomes du matériau passent en phase vapeur et viennent se déposer sur un substrat chauffé. Dans la seconde méthode, des ions Ar+ produits par une source hautement énergétique.
Bombardent la cathode éjectant des atomes du matériau qui se condensent sur un substrat chauffé. Pour la réalisation de structures multicouches, les pulvérisateurs sont équipés de plusieurs cathodes et utilisent une source radio fréquence (R.F. sputtering). Les paramètres technologiques qui influent sur les propriétés optiques et géométriques des couches antireflets sont le taux de dépôt, le temps de pulvérisation et la pression partielle de l’oxygène et le l’argon.
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I: ETUDE THEORIQUE SUR LES COUCHES ANTIREFLETS
I-Introduction
I-1-Les différents types de silicium
I-2-Les pertes optiques
I-3-Préparation de la surface
I-4-La texturisation
I-5-Formation de la jonction
I-6-Passivation de la surface et de joints de grains
I-6-1-Passivation de la surface
I-6-2-Passivation des joints de grains
I-7-Métallisation
I-7-1Dépôt de la grille collectrice
I-7-2 Dépôt du contact arrière
I-8-Dépôt de la couche antireflet
I-8-1Techniques de dépôt des couches antireflets
I-8-1-1La pulvérisation cathodique
I-9-Choix des matériaux
I-10-Etude sur la couche antireflet
I-11-Propriétés Optiques
I-11-1-La réflexion
I-11-1-1-Le déphasage
I-11-1-2-Epaisseur
I-11-2-Transmission
I-12-Développement sur la DCAR
I-12-1Etude sur la réflexion et les indices de réfraction
I-12-2-Etude de l’épaisseur
I-13-Conclusion
CHAPITRE II: ETUDE THEORIQUE SUR LES MULTICOUCHES ANTIREFLETS
II-Introduction
II-1-Principe de la MCAR
II-2-Simulation sur la MCAR
II-2-1-Rappel sur les empilements interférentiels
II-2-2-Etude des amplitudes progressant à la traversée de la couche, du dioptre, et de l’empilement
II-3-Conclusion
Chapitre III : Résultats et Discussions
III-Introduction
III-1-Coefficient de réflexion et de transmission du silicium nu
III-2-Coefficient de réflexion et de transmission du silicium avec une simple couche antireflet (MgF2/Si)
III-3-Coefficient de réflexion de la DCAR (MgF2/SiO2/Si)
III-4-Coefficient de réflexion de la TCAR (MgF2/SiO2/Al2O3/Si)
III-5-Conclusion
CONCLUSION GENERALE
Conclusion générale
Bibliographie
