Technique d’élaboration de silicium à usage photovoltaïque

Le silicium cristallin

Pour le silicium cristallin, il est constitué par le monocristallin qui offre un meilleur taux de conversion avec un coût plus élevé et le silicium polycristallin, moins cher dans sa production produire avec un rendement limité. En effet, Le silicium polycristallin est un matériau formé de grains séparés par des joints de grains qui sont des zones contenant un grand nombre de défauts structurels. Ces grains sont de taille variant entre le millimètre et quelques centimètres . Ce type de matériau à été introduit dans l’industrie photovoltaïque à partir des années 1970. Il est utilisé affin de réduire le coût de l’électricité produit par les cellules solaires. Il présente donc, une nouvelle voie dans l’industrie solaire.
Malheureusement, la concentration en impuretés est supérieure à celle de silicium monocristallin et la structure granulaire induit des phénomènes de recombinaisons qui influent sur les caractéristiques électroniques de cet élément.
En conséquence, son rendement de conversion est faible comparativement à son homologue monocristallin.
L’utilisation de silicium polycristallin ne permet cependant pas de s’affranchir de l’étape de sciage des lingots. Du fait de la méthode d’élaboration.

Le silicium amorphe

Dans le silicium amorphe les liaisons chimiques satisfont la plupart du temps la configuration tétraédrique où un atome de silicium est lié à quatre atomes voisins ; la distance entre cet atome et ses voisins est caractéristique de la liaison covalente Si-Si et vaut 0.23nm. Cette organisation locale est très semblable a celle rencontrée dans le silicium cristallin. On dit pour cette raison que dans le silicium amorphe, l’ordre local est préservé si l’organisation tétraèdre précédente était parfaitement respectée par tous les atomes on retrouverait nécessairement l’ordre cristallin pour l’ensemble du matériau. En réalité, les angles sont légèrement différents de ceux rencontrés dans un tétraèdre régulier, on dit que l’on a affaire à des tétraèdres distordus, cette distorsion présente un caractère aléatoire, fonction de l’atome choisi pour centre. La conséquence est que la distance entre un atome et son deuxième proche voisin présente une dispersion appréciable. Cette dispersion augmente avec la distance de sorte que lorsque la distance à un atome donné dépasse quatre ou cinq distances inter-atomiques, les positions inter-atomiques relatives à cet atome sont aléatoirement distribuées.
On peut caractériser ce désordre en décrivant l’organisation de manière statistique Cependant, la grande densité de défauts du silicium amorphe (liaisons pendantes, états d’interface, structure multicristalline) limite son rendement de conversion, rendement inférieur à 10 % pour les cellules solaires industrialisées.

Les paramètres photovoltaïques d’une cellule solaire

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique, qui peut générer un courant et une différence de potentiel lorsque elle est illuminée. Ces cellules sont fabriquées principalement à base de silicium. Ceci, suite à sa disponibilité comme matière première et la connaissance de sa technologie photovoltaïque.
En effet, Ainsi, le silicium offre de nombreux avantages. Présent en abondance dans la croûte terrestre (20%), c’est un matériau non toxique. Outre ses propriétés semi-conductrices, le silicium présente un oxyde naturel SiO2 qui trouve de nombreuses applications en microélectroniques. Enfin, il est aisé de modifier les propriétés électriques du silicium en introduisant dans la matrice cristalline des atomes dopants tels que le Bore (induisant un dopage de type P) ou le Phosphore (induisant un dopage de type N). D’un point de vue photovoltaïque, le seul inconvénient du silicium réside dans sa structure électronique qui présente un gap indirect, gap à 1,12 eV ne correspondant donc pas exactement au maximum d’intensité du spectre solaire. Par conséquent, l’absorption du rayonnement solaire par le silicium sera plus faible que celle d’un semi-conducteur à gap direct comme l’arséniure de gallium GaAs .

Modélisation électrique de la cellule photovoltaïque

L’analogie entre le fonctionnement de la cellule photovoltaïque sous éclairement et celui d’un générateur de courant, produisant un courant Iph auquel se soustrait le courant de la diode en polarisation directe, n’est qu’une représentation simplifiée du fonctionnement réel de la cellule. Pour tenir compte des différentes limitations de la cellule photovoltaïque, on introduit le modèle à deux diodes .
Les différents paramètres de ce modèle sont : Le générateur de courant : il délivre le courant Iph correspondant au courant photogénéré.
La résistance série Rs : elle prend en compte la résistivité propre aux contacts entre les différentes régions constitutives de la cellule, à savoir l’émetteur, la base et les contacts métalliques. La résistance série Rp : également connue sous le nom de résistance de court-circuit. Elle traduit l’existence de shunts à travers l’émetteur.
La diode d1 : modélise la diffusion des porteurs dans la base et l’émetteur. Son influence sera d’autant plus grande que le matériau présentera une bonne longueur de diffusion. La diode d2 : modélise la génération/recombinaison des porteurs dans la zone de charge d’espace.

Le rendement de conversion photovoltaïque a base du silicium

La répartition des ventes par technologie montre que le silicium cristallin domine encore largement avec 80% de parts de marché même si ce pourcentage baisse de manière significative chaque année. A court terme, la majorité des nouveaux entrants (essentiellement chinois) investissent dans la filière traditionnelle afin de répondre à la forte demande actuelle, avec des technologies éprouvées et des risques limités. Néanmoins, ils sont de plus en plus nombreux à se positionner sur les 3 technologies du photovoltaïque. Afin de préparer l’avenir. Pour rester dans la course il est important qu’industriels, chercheurs et pouvoirs publics français s’orientent vers des solutions plus innovantes permettant de préparer les futures générations de systèmes photovoltaïques. L’enjeu majeur pour la filière silicium est la diminution du coût des modules. Pour atteindre cet objectif, plusieurs voies complémentaires sont explorées :
L’optimisation des process de fabrication. L’amélioration du rendement des cellules, qui passera principalement par un silicium de meilleure qualité et des améliorations techniques du type connexion arrière.
L’utilisation de silicium métallurgique qui permettrait de mettre sur le marché un silicium de qualité Photovoltaïque à moindre coût (le projet Photosil s’inscrit dans cet objectif). La réduction du coût des plaques en diminuant l’épaisseur et en facilitant l’accès à du silicium meilleur marché. L’objectif en termes d’épaisseur se situe autour de 150 μm permettant une consommation de silicium plus faible.
La technologie « ruban » offre l’avantage d’utiliser moins de matière première et d’être moins gourmande en énergie pour la production de cellules et modules.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I Les cellules solaires à base de silicium
I.1. Introduction
I.2.Propriétés électroniques du silicium
I.2.1. Le silicium cristallin
I.2.2. Le silicium amorphe
I.3.les paramètres photovoltaïques d’une cellule solaire
I.3.1. La jonction p-n
I.3.2. La cellule photovoltaïque
I.3.3.Le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
I.3.4. Modélisation électrique de la cellule photovoltaïque
I.3.5. La Réponse spectrale de la cellule photovoltaïque
I.3.6. Le Rendement η
I.4. Le rendement de conversion photovoltaïque a base du silicium
I.5. Conclusion
Chapitre II : Technique d’élaboration de silicium à usage photovoltaïque
II.1Introduction
II.2. Les procédés d’élaboration du silicium cristallin
II.2.1- Les procédés d’élaboration du silicium monocristallin
II.2.2. Les procédés d’élaboration du silicium polycristallin
II.2.3- Les procédés d’élaboration du silicium polycristallin en ruban
II.3. L’élaboration du silicium en couches minces
II.3.1. L’élaboration du silicium en couches minces sur substrats
II.3.1.1. L’élaboration du silicium en couches par la technique PECVD
II.3.1.2. L’élaboration du silicium en couches par la technique HWCVD
II.3.1.3. L’élaboration du silicium en couches par la technique LPCVD
II.3.1.4. L’élaboration du silicium en couches par la technique RTCVD
II.3.2. Amélioration de la qualité cristalline des couches déposées
II.3.2.1. Recristallisation des couches de silicium par fusion laser
II.3.2.2. Recristallisation des couches de silicium par fusion de zone
II.4.Conclusion
Chapitre III : Elaboration et analyse structurale
III.1.Introduction
III.2. Mode d’élaboration
III.2.1. Température et durée de fusion
III.2.2. Vitesse de cristallisation
III.2.3. vitesse de refroidissement
III.2.4. Elaboration du matériau et amélioration
III.3. Qualité des échantillons élaborés et Discussion
III.4. Les contraintes internes
III.5. Etude des dislocations
III.5.1. Analyse des dislocations
III.5.2.Résultats et discussion
III.6. Effet des traitements thermiques sur la qualité cristalline
III.7. Méthodes de caractérisation des contraintes internes
III.7.1.Méthode de la diffraction des R X
III.7.2. Spectroscopie Raman
III.7.3.Technique de la flèche
III. 7.4. Méthode de la photoélasticimétrie
III.7.5. La photoélasticimétrie Infra rouge assisté par ordinateur
III.8. Conclusion
Chapitre IV :Effet des traitements thermiques sur la ségrégation des dopants
IV.1. Introduction
IV.2. Les impuretés dans le silicium
IV.3. Recombinaison des impuretés
IV.3.1. Recombinaison des impuretés métalliques
IV.3.2. Recombinaison des impuretés dopantes
IV.3.3. Les impuretés et les défauts
IV.4. Le dopage du silicium par implantation ionique
IV.5. Etude de la ségrégation en fonction des traitements thermiques
IV.5.1. Conditions expérimentales
IV.5.2. Technique de caractérisation
IV.5.3. Résultats et Discussion
IV.5.5. Purification par zone fondu
IV.6. Conclusion