Soutenance mémoire
Evolution et contexte économique du photovoltaïque
Depuis une vingtaine d’années, les mises en garde de la communauté scientifique sur le réchauffement de la planète, lié à une augmentation des catastrophes naturelles, ont permis une prise de conscience mondiale sur notre consommation énergétique et ses conséquences. Les objectifs chiffrés des gouvernements européens furent favorables au développement des énergies renouvelables avec notamment l’objectif d’atteindre 20% d’énergies renouvelables dans la consommation finale d’électricité en Europe d’ici 2020. La filière photovoltaïque, jusqu’alors réservée à une utilisation d’appoint pour des lieux hors réseau, connut une croissance soudaine, grâce à un soutien important de certaines institutions gouvernementales. La croissance continue du marché du photovoltaïque, a permis d’atteindre en 2012 la barre des 100 GW de puissance cumulée installée dans le monde , la part du silicium cristallin étant de 85% environ. Cette tendance s’est confirmée avec l’année 2013 en dépassant largement les 100 GW .
Cependant, cette croissance s’est accompagnée depuis 2011 d’une crise du marché photovoltaïque, principalement due à une inondation, voire saturation, du marché en panneaux solaires à faible coût venus principalement d’Asie. Cette crise du marché a contraint plusieurs fabricants européens, américains et chinois, à diminuer considérablement leurs prix de vente, et pour bon nombre d’entre eux à passer sous la barre de rentabilité et finalement à cesser leurs activités. En effet, en l’espace de 3 ans, le prix du watt photovoltaïque est passé de 1,7 € en 2011 à moins de 0,5 € en 2013 pour la filière silicium cristallin.
Ce contexte difficile pour les industriels du solaire n’a pourtant pas diminué l’attrait de cette technologie. En effet, le coût de l’électricité domestique est en constante augmentation quand celui du solaire diminue. Plusieurs études montrent qu’avec cette tendance, l’énergie solaire atteindra la parité réseau à l’horizon 2020 [MiBa13] (cette donnée est néanmoins dépendante des contextes énergétiques nationaux).
Ces prévisions économiques et environnementales rendent la recherche dans l’énergie photovoltaïque d’autant plus cruciale. En effet, une augmentation significative de l’efficacité d’une cellule, sans modification de son coût de production, permettrait de diminuer significativement l’indicateur €/W. Depuis plusieurs années, chaque innovation sur l’architecture des cellules a permis la diminution de ce facteur. C’est pourquoi, les efforts de recherche sur de nouvelles architectures, des concepts innovants axés sur les nanostructures ou l’organique ont connu un fort développement ces dernières années. Néanmoins, jusque maintenant, de nombreux espoirs fondés sur les résultats obtenus en recherche ne se sont pas concrétisés au niveau industriel (coût de production, durée de vie, passage à grand échelle,…) et la filière silicium cristallin représente encore la majeure partie du marché.
Filière photovoltaïque silicium
En 2014, la production mondiale de modules repose à environ 92% sur le silicium cristallin. Les cellules de type p en forment la majorité, 86% de la totalité. La répartition entre mono- et multicristallin s’établit (toujours au niveau de la globalité) respectivement à 24% et 62% [Sola14]. Les cellules à haut rendement représentent respectivement 10% et 27% des cellules mono- et multicristallin, et devraient combler complétement le marché du Si multicristallin de type p en 2018. Même si l’architecture à contacts interdigités en face arrière, IBC (Interdigitated Back Contact), est soutenue par beaucoup d’efforts de recherche, le processus de réalisation de cette dernière est encore trop complexe pour être viable économiquement. Actuellement, l‘efficacité des cellules à haut rendement varie sur les lignes de production entre 19 et 23%. La limite théorique récemment recalculée par Richter. A et al [RiHG13] étant de 29,43% pour des cellules en silicium non dopé de 110 µm d’épaisseur, le marché estime qu’il subsiste encore de réelles évolutions à faire sur cette technologie, notamment en ce qui concerne les contacts, les émetteurs et la passivation. Selon Richard M. Swanson, fondateur de SUNPOWER, « …. In fact, all aspects are in place for approaching 29% except for the existence of a suitable passivated contact technology. »[Swan05]
Enjeux de la passivation de surface et état de l’art
Grâce à une optimisation poussée, la société Panasonic a pu présenter à la conférence WCPEC-6, qui a eu lieu en Novembre 2014, la première cellule solaire à 25,6% battant ainsi le record obtenu sur la cellule PERL (Passivated Emitter, Rear Locally-diffused solar cells) de UNSW affichant un rendement de 25% en 2009 [Gree09] (à noter que cette même cellule avait déjà établi le record 10 ans auparavant à 24,7%. La modification de la norme IEC 60904-3: Ed. 1 en la norme IEC 60904-3: Ed. 2 (ASTM G173) a permis ce « gain » de 0,3% sur la valeur du rendement).
Les projets ANR PROTERRA et BIFASOL
Cette thèse s’est déroulée dans le cadre de deux projets ANR : PROTERRA et BIFASOL. Chacun de ces projets avait pour but de développer différentes étapes innovantes du procédé de fabrication de cellules solaires afin d’en diminuer le coût et aussi d’en augmenter le rendement de conversion.
PROTERRA
Le projet PROTERRA (2011-2013) faisait intervenir 2 partenaires académiques, l’INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon) et l’IEMN (Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie), le CEA-INES (Institut National de l’Energie Solaire) ainsi que deux partenaires industriels, TECHNIC fabricant de produit chimiques et Photowatt (coordinateur) (devenu EDF ENR PWT) fabricant national de panneaux solaires depuis l’élaboration du silicium multicristallin jusqu’à la réalisation des panneaux. Le but de ce projet était de réaliser une cellule de type PERC ; en silicium monocristallin de type p avec un panel de nouveaux procédés de fabrication permettant d’obtenir sur une ligne de production un rendement de 20%. Le projet a permis l’étude des étapes de fabrication suivantes:
➤ Réduction de l’épaisseur du substrat
o De 250 µm à 180 µm
➤ Emetteur sélectif en face avant
o Ablation laser des couches de passivation et ARC
o Dopage localisé
o Alignement des contacts avec les zones surdopées
➤ Métallisation face avant de type nickel-cuivre
o Croissance sélective
o Stabilité mécanique
o Propriété électriques
➤ Passivation face arrière par Al2O3 déposée par ALD
o Choix des paramètres de dépôt
o Compatibilité avec les autres étapes de fabrication
➤ Métallisation face arrière et BSF (Back Surface Field) localisé
o Qualité du contact
o Choix du type de pâte aluminium
o Ablation de l’Al2O3
➤ Nouvel encapsulant module .
L’étude de la passivation de surface par l’Al2O3 déposée par ALD se retrouve alors dans le développement d’une technique de passivation efficace et industrialisable. Pour ce projet, la passivation par alumine est alors étudiée sur du silicium type p avec un dopage de 2,5×1015 cm-3 .
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I. EVOLUTION ET CONTEXTE ECONOMIQUE DU PHOTOVOLTAÏQUE
II. FILIERE PHOTOVOLTAÏQUE SILICIUM
III. ENJEUX DE LA PASSIVATION DE SURFACE ET ETAT DE L’ART
IV. CONTEXTE DE LA THESE
A) Les projets ANR PROTERRA et BIFASOL
(a) PROTERRA
(b) BIFASOL
B) Déroulement de la thèse
V. BIBLIOGRAPHIE
PRINCIPES THEORIQUES ET ETAT DE L’ART
I. INTRODUCTION DU CHAPITRE 1
II. CELLULES SOLAIRES SILICIUM
A) Structure simplifiée et effet photovoltaïque
B) Structures PERC et Bifaciales
(a) Structure PERC
(b) Structure Bifaciale
C) Silicium industriel
(a) Type p et n
(b) Type de croissance
(1) Float zone : Fz
(2) Czochralski : Cz
(3) Solidification dirigée: le silicium multicristallin
III. LES MECANISMES DE RECOMBINAISONS
A) Génération et recombinaison de porteurs
B) Recombinaison radiative
C) Recombinaison Auger
D) Recombinaison SRH
E) Recombinaison sous faible et forte injection
F) Durée de vie effective
G) Recombinaisons de surface
IV. LA PASSIVATION DE SURFACE
A) Les types de défauts de surface et d’interface
(a) Liaisons pendantes et défauts cristallins
(b) Comportement électrique des défauts
B) Passivation chimique
C) Passivation par effet de champ
(a) Diagramme de bandes
(b) Densité de charge théorique maximale à la surface du silicium
D) Défauts induits: cas de la LID
E) Les matériaux de passivation
(a) Passivation SiO2 et SiNx
(b) Passivation par Al2O3
(c) Autres types de passivation: a-Si:H,
F) Etat de l’art de la passivation par Al2O3 sur silicium de type p et p+
(a) Paramètres de dépôt
(b) Chimie de l’interface
(c) Efficacité de la passivation sur type p, p+ et n
G) Contexte de la thèse
V. CONCLUSION DU CHAPITRE 1
VI. BIBLIOGRAPHIE CHAPITRE 1
TECHNIQUES DE CARACTERISATION DE LA PASSIVATION DE SURFACE
I. INTRODUCTION DU CHAPITRE 2
II. CARACTERISATION ELECTRIQUE
A) Mesure de la durée de vie des porteurs minoritaires
(a) Méthodes basées sur la photoconductance
(1) Quasi-statique
(2) Transitoire
(3) Générale
(b) Paramètres caractéristiques de la passivation suivant le type d’échantillon
(1) Echantillons sans émetteur (substrats de type p)
(2) Echantillons avec émetteur
(c) Equipements
(1) Sinton
(i) Principe de fonctionnement
(ii) Détermination de la constante optique
(2) Semilab
(3) Comparaison des valeurs obtenues par Sinton (QSS PCD) et Semilab (µPCD)
B) Mesure des densités de charges effectives et défauts d’interface
C) Structure MOS et mesures C-V
(1) Mesures en haute et basse fréquences
(2) Extraction de la densité de charges effectives
(i) Comparaison avec la courbe théorique
(ii) Méthode du 1/C²
(iii) Méthode de la fonction de Maserjian
(3) Extraction de la densité de défauts d’interface
(i) Méthode de Terman
(ii) Méthode de Castagné-Vapaille
(iii) Méthode de la conductance
(4) Domaine de validité des méthodes d’extraction des Dit
(5) Logiciel d’extraction de données des mesures C-V
D) La microscopie à sonde de Kelvin (plus communément appelée « Kelvin probe »)
(a) Cas général
(b) Application sur un échantillon oxydé
E) Couplage des mesures de Kelvin probe et C-V
III. CARACTERISATION CHIMIQUE
A) Analyse de surface XPS
(a) Energie de liaison
(b) Interprétation des spectres XPS
B) Analyse SIMS
(a) Principe de détection
(b) Interprétation des résultats
IV. CONCLUSION DU CHAPITRE 2
V. BIBLIOGRAPHIE DU CHAPITRE 2
CONCLUSION GENERALE
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