Propriétés des matériaux des cellules à hétérojonction de silicium 

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Importance de l’électricité dans le développement

Un lien très fort existe entre l’électrification et le développement économique et social. L’accès à l’électricité permet, de manière peu dangereuse, de s’éclai-rer et permet l’utilisation des moyens de communication comme le téléphone, la télévision et l’internet. L’énergie électrique offre de nouveaux moyens de conserva-tion et de transformation des aliments. Les conditions d’apprentissage et de soins sont améliorées, le travail domestique est facilité. L’électricité permet de lancer de nouvelles activités génératrices de revenus qui entraînent un développement économique. L’accès à l’énergie électrique est ainsi au cœur d’un cercle vertueux. Derrière le passage rapide de quelques électrons, c’est en fait une nouvelle vie qui prend forme entraînant un développement social, une croissance économique et une augmentation de la qualité de vie.

Contexte actuel

L’énergie électrique, clé de voûte du développement actuel au Nord comme Sud, est de plus en plus utilisée dans le monde. Essentiellement issue d’énergies primaires dont les ressources ne sont pas inépuisables, l’électricité peut aussi être produite à partir d’énergies renouvelables plus respectueuses de l’environnement.

Une consommation d’électricité toujours plus importante

Selon l’Agence Internationale de l’Énergie (IEA), environ 24 000 TWh d’élec-tricité ont été produits durant l’année 2013 [IEA 15a]. La production mondiale d’électricité est en croissance comme le montre la figure 1.1.1 mais la situation est différente en fonction du niveau de développement des pays. Dans les pays de l’OCDE, la production totale d’électricité est quasiment constante depuis une dizaine d’années. Plusieurs raisons expliquent cela : la population n’augmente que très peu dans ces pays, la prolongation de la crise économique démarrée en 2008 limite la demande et les appareils ont une efficacité énergétique de plus en plus grande. Dans les pays non membres de l’OCDE, malgré le récent ralentissement de l’économie des pays émergents, la demande en électricité est en forte augmen-tation, tirée par la croissance démographique et l’augmentation de la demande électrique individuelle.
De fortes inégalités existent, puisqu’en 2016 près de 1.3 milliard de personnes n’ont toujours pas d’accès à l’électricité, dont 620 millions en Afrique. L’augmenta-tion continue des besoins en électricité combinée à l’augmentation de la population provoquera indéniablement une hausse de la demande électrique mondiale dans les prochaines décennies.

Filières de production d’électricité

L’électricité, principal vecteur énergétique, est produite à partir de différentes sources d’énergies primaires. À l’échelle mondiale, près de 67% de l’électricité est produite à partir d’une énergie fossile : charbon, gaz, pétrole. La puissance des cen-trales thermiques est relativement modulable ce qui permet d’ajuster, en temps réel, la production à la consommation. Cependant la combustion des énergies fos-siles libère de grandes quantités de gaz à effet de serre dans l’atmosphère qui sont responsables en grande partie du réchauffement climatique de la planète [GIEC 13].
La production d’électricité par énergie nucléaire, majoritaire en France avec 72, 3 % en 2016 [RTE 16], ne représente que 10.6 % de l’électricité produite à l’échelle mondiale [IEA 15a]. Les centrales nucléaires émettent très peu de gaz à effet de serre de manière directe mais la gestion des déchets radioactifs produits par ces centrales reste un enjeu majeur pour l’humanité. Plusieurs accidents, dont les plus connus sont ceux de Tchernobyl et Fukushima, ont fait diminuer ou stop-per la production d’électricité nucléaire dans plusieurs pays. Cette méthode de production d’électricité est globalement en diminution depuis 2006 [IEA 15b].
Les ressources fossiles et les minerais nécessaires à l’énergie nucléaire sont en quantité limitée sur Terre. L’utilisation des énergies renouvelables pour la pro-duction d’électricité apparaît donc comme une alternative intéressante. Il existe de nombreuses formes d’énergies renouvelables utilisables : l’énergie hydraulique, l’énergie éolienne, l’énergie issue de la biomasse, l’énergie des courants et des ma-rées, la géothermie, l’énergie solaire…
La figure 1.1.2 indique la répartition actuelle de la production d’électricité sur la planète. L’énergie hydroélectrique est l’énergie renouvelable la plus développée en France et dans le monde. Avec la prise de conscience du réchauffement climatique et la prise en compte de la nécessité d’un développement plus durable, les autres formes d’énergies renouvelables ont également été développées, particulièrement depuis le protocole de Kyoto en 1997 [ONU 97]. L’énergie éolienne s’est dévelop-pée de manière significative durant les deux dernières décennies. Plus récemment, la 21ème Conférence des Parties (COP 21) à Paris en décembre 2015 a également mis en avant des objectifs ambitieux de développement des énergies renouvelables. C’est lors de cette conférence internationale qu’est née l’Alliance Solaire Interna-tionale qui s’est donnée pour mission de traiter les questions de l’accès à l’énergie et du réchauffement climatique grâce à des investissements à très grande échelle dans l’énergie solaire [ONU 15].
L’énergie solaire peut-être utilisée à l’aide de technologies très différentes. L’éner-gie solaire thermique vise à produire de la chaleur pour l’eau chaude sanitaire ou le chauffage. L’énergie solaire thermodynamique emploie des miroirs pour chauffer des fluides qui alimentent un générateur électrique. L’énergie solaire photovoltaïque convertit l’énergie lumineuse des rayons solaires en électricité. Cette énergie peut être concentrée afin de diminuer les dimensions de la surface active.

Énergie solaire photovoltaïque

La source principale de lumière naturelle de notre planète est le Soleil situé à 150 millions de kilomètres. Les systèmes solaires photovoltaïques permettent de convertir cette énergie lumineuse en énergie électrique.
Nous détaillerons dans cette partie la ressource énergétique solaire disponible sur l’ensemble du globe, le développement de la filière photovoltaïque et les appli-cations spécifiques.

La ressource solaire

L’énergie thermonucléaire dégagée par la fusion des noyaux d’hydrogène pour former des noyaux d’hélium au sein de notre étoile est considérable et émise prin-cipalement sous forme de photons. La fraction de cette énergie qui atteint notre planète reste extrêmement importante puisqu’elle équivaut à plus de 7 000 fois l’énergie consommée par l’humanité [Lincot 15]. Une partie du rayonnement solaire est absorbée et réfléchie par l’atmosphère terrestre mais l’énergie solaire arrivant au niveau des continents reste de loin le gisement énergétique le plus important de la planète.
Le Soleil ayant encore plus de quatre milliards d’années à vivre et l’homo sapiens-sapiens étant apparu il y a seulement 200 000 ans, l’énergie provenant du Soleil peut-être considérée, à l’échelle humaine, comme inépuisable.

Gisement solaire

L’accès aux ressources énergétiques est crucial pour la souveraineté des états et a fait naître de nombreux conflits dans l’histoire moderne. L’énergie lumineuse émise par le Soleil présente l’avantage d’être gratuite et présente partout mais elle n’est pas répartie de manière uniforme sur la planète. La carte 1.2.1 indique la quantité d’énergie solaire reçue chaque année en fonction de la position à la surface du globe. Une disparité existe entre les pays puisque le gisement solaire annuel varie entre 700 kWh.m−2 et 2 900 kWh.m−2. Globalement l’irradiance moyenne augmente lorsque l’on se rapproche de l’équateur. L’Afrique est sans surprise le continent le plus ensoleillé. À l’intérieur de territoires moyennement étendus comme la France métropolitaine, on peut trouver d’importants écarts puisque le gisement annuel varie entre 1 000 kWh.m−2 à Lille et 1 900 kWh.m−2 à Ajaccio.
Ce gisement est important pour la filière photovoltaïque puisque c’est un des facteurs qui conditionnent la quantité d’énergie électrique produite par une instal-lation solaire.

L’électricité photovoltaïque

Dans le cadre des enjeux actuels liés au réchauffement climatique et au contexte géopolitique tendu, l’utilisation de systèmes capables de transformer l’énergie so-laire reçue en énergie électrique, apparaît particulièrement intéressante. La pro-duction d’électricité à l’aide d’installations photovoltaïques se fait sans émission directe de gaz à effet de serre et avec des émissions indirectes faibles. L’empreinte carbone des nouveaux systèmes diminue régulièrement. La majorité des maté-riaux constituant les systèmes photovoltaïques peut être recyclée. Les installations photovoltaïques ne présentent pas de dangers extrêmement importants. L’énergie nécessaire à la fabrication d’un système photovoltaïque est restituée au bout d’une à trois années d’exploitation [ADEME 16].
À la fin de l’année 2016, avec environ 300 GW de puissance totale installée, la filière photovoltaïque a atteint un niveau de maturité industrielle. La figure 1.2.2 indique que la puissance photovoltaïque installée progresse de manière importante depuis une dizaine d’année. Le photovoltaïque est une des sources d’énergie qui devrait être la plus déployée à l’avenir dans le monde, avec des perspectives de croissance d’environ 70 GW par an jusqu’en 2020 [ADEME 16]. La première raison de ce développement est qu’à la suite des innovations de la re-cherche scientifique, le rendement de conversion photovoltaïque, rapport de l’éner-gie électrique produite et de l’énergie lumineuse reçue, est de plus en plus grand. Le rendement est, avec le gisement solaire, un paramètre important à prendre en compte pour évaluer la quantité d’énergie produite pour une surface active donnée.
La seconde raison du développement de la filière est la baisse significative du prix des installations. Depuis 1980, on observe une décroissance des prix de plus de 20 % à chaque doublement du parc installé. Les cinq dernières années ont été marquées par une réduction des prix d’un facteur cinq [IPVF 15]. Ces gains proviennent aussi bien des innovations technologiques que des progrès industriels et des effets d’échelle.
La figure 1.2.2 indique également que la majorité de la puissance photovoltaïque installée dans le monde est concentrée dans un petit nombre de pays. Ce phé-nomène s’explique en grande partie par les politiques publiques menées par ces pays.
L’Allemagne qui ne bénéficie pas du meilleur gisement solaire en Europe a pour-tant le parc le plus développé avec une puissance totale installée de 39, 8 GW [Obser’ER 16] grâce à une politique favorisant l’autoconsommation. Efficace, cette politique mise en place durant quelques années est maintenant arrêtée puisque la parité réseau est atteinte : le coût de l’électricité produite par les nouvelles instal-lations photovoltaïques est inférieur au tarif de l’électricité du réseau électrique.
La France est plutôt à la traîne, même si elle a déjà atteint l’objectif qu’elle s’était fixé lors du Grenelle de l’environnement en 2009 de 5, 4 GW pour 2020 puisque fin 2016 la puissance installée atteignait 6, 7 GW [RTE 16]. L’électricité produite à partir de l’énergie solaire ne représente que 1, 6 % de la consommation nationale d’électricité ce qui classe la France seulement en 13ème position euro-péenne [IEA 14].
L’énergie photovoltaïque étant à présent capable de concurrencer les combus-tibles conventionnels dans de plus en plus de régions du monde, l’Alliance Solaire Internationale vise à créer les meilleures conditions d’investissement pour les éner-géticiens et les institutions financières. Plus de 50 grandes entreprises d’énergie se sont associées lors de la COP 21 pour lancer l’initiative TerraWatt qui vise à mettre en place 1 000 GW de capacités solaires additionnelles d’ici 2030.

Spécificité et applications de l’énergie photovoltaïque

La présence de la ressource solaire sur l’ensemble des territoires offre l’avantage de permettre une production au plus près des lieux de consommation. Les ins-tallations photovoltaïques permettent une production d’électricité en site isolé ou intégrée au réseau électrique.
L’électricité produite par les systèmes photovoltaïques est intermittente, elle va-rie en fonction de la période de l’année, de l’heure de la journée et des conditions météorologiques.
En site isolé, certaines applications ont été adaptées à cette intermittence. Le pompage de l’eau au fil du soleil, très utilisé en Afrique, en est un exemple. L’eau est pompée en profondeur puis stockée dans une cuve de dimensionnement adapté de façon à ce que l’eau soit toujours disponible pour la population même quand il n’y a pas de soleil.
Si l’on souhaite une disponibilité permanente de l’électricité en milieu isolé, deux solutions sont envisageables : le couplage avec une autre forme de produc-tion d’énergie comme un groupe électrogène, ou le stockage de l’énergie sous une autre forme à l’aide de batteries chimiques ou à l’aide d’un cycle thermodynamique.
Intégrée au réseau électrique, d’autres formes de production d’énergie peuvent prendre le relais quand la production photovoltaïque diminue. L’exemple de l’Al-lemagne montre qu’il est possible d’intégrer une forte proportion d’énergies renou-velables et intermittentes sur le réseau électrique. Un récent rapport de l’agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie montre d’ailleurs que plusieurs mix-énergétique peuvent assurer l’équilibre offre-demande heure par heure, avec une fourniture électrique 80% ou 100% renouvelable, y compris en cas de conditions météorologiques défavorables [ADEME 15].
Les réseaux électriques intelligents Smarts Grids qui permettent de piloter cer-taines applications et de gérer plus efficacement la distribution de l’électricité sont aussi une solution permettant d’augmenter la production d’électricité à partir des énergies renouvelables et donc de diminuer nos rejets de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque

La lumière solaire est composée de rayonnements électromagnétiques qui s’ap-parentent au spectre d’émission d’un corps noir de température d’environ 5 800 K. La cellule photovoltaïque est le composant essentiel qui permet de convertir l’éner-gie lumineuse reçue en un déplacement de charges électriques formant un courant électrique. Nous verrons dans cette partie les caractéristiques de la lumière solaire et de quelle manière les physiciens sont parvenus à exploiter l’effet photovoltaïque.

Spectre solaire

Les longueurs d’onde du rayonnement électromagnétique du spectre solaire sont comprises entre 290 nm et 2 770 nm avec les rayons ultraviolets, la lumière visible et les rayons infrarouges. L’atmosphère terrestre joue le rôle de filtre, les nombreux gaz présents dans l’atmosphère absorbent une partie du rayonnement.
La notion d’Air Mass (AM) quantifie la puissance absorbée par l’atmosphère en fonction de l’angle du soleil par rapport au zénith. Le spectre solaire AM 0 représente le spectre solaire hors atmosphère, il est principalement utilisé dans le cadre des applications spatiales. Le spectre AM 1.5 représente le spectre solaire sur Terre au niveau de la mer (soleil au zénith par temps clair avec un angle de 48°) [ASTM 17].
La figure 1.3.1 présente l’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde
λ des spectres AM 0 et AM 1.5 G. On remarque l’absorption très importante due à l’atmosphère à certaines longueurs d’ondes. Le spectre AM 1.5 G est composé du rayonnement qui arrive de manière directe et du rayonnement diffus.
Le rendement de conversion standard d’une cellule pour application terrestre est défini avec un spectre solaire AM 1.5 G dont la puissance incidente est de 1 000 W.m−2 à 25°C. Ces conditions standard utilisées pour la caractérisation des cellules sont importantes pour la comparaison entre cellules, mais les résultats ne peuvent pas être pris comme des valeurs absolues puisqu’en fonctionnement réel les panneaux solaires peuvent être dans des conditions très différentes d’éclairement et de température.

De l’effet photovoltaïque aux cellules solaires

L’histoire des cellules solaires débute en 1839 avec le chercheur français Alexandre Edmond Becquerel qui découvre l’effet photoélectrique alors expérimenté avec des électrodes de platine et de cuivre plongées dans une solution électrolytique acide [Becquerel 39]. C’est seulement en 1883 que cette découverte sera utilisée pour la première fois, l’Américain Charles Fritts l’utilise pour fabriquer une cel-lule photovoltaïque en sélénium.
La première interprétation de l’effet photoélectrique est proposée par le physi-cien allemand Albert Einstein en 1905 ce qui lui vaudra le prix Nobel en 1921 [Einstein 05]. En 1939, l’ingénieur américain Russel Ohl met au point la première cellule solaire en silicium. La première photopile est développée en 1954 par les chercheurs américains Gerald Pearson, Darryl Chapin et Calvin Fuller des laboratoires Bell, qui sont parvenus à afficher un rendement de 6% [Chapin 54].
La filière photovoltaïque se développe à partir de ce moment grâce à la recherche spatiale et aux explorations menées pour améliorer l’approvisionnement en énergie des satellites. En 1958, les premières cellules solaires sont envoyées dans l’espace. Composées de silicium, elles affichaient un rendement de 9 % et fonctionneront durant huit ans.
L’usage des cellules photovoltaïques et des panneaux solaires qui leur sont asso-ciés se répand peu à peu notamment à partir des années 1970 grâce à une diminu-tion progressive des coûts.

Principe de fonctionnement général d’une cellule

Une cellule photovoltaïque absorbe les photons de la lumière incidente à l’aide d’un matériau semiconducteur appelé absorbeur. Un semiconducteur est constitué d’une bande de conduction dans laquelle circulent les électrons chargés négative-ment et d’une bande de valence dans laquelle circulent les trous chargés positive-ment. Entre ces deux bandes se trouve une bande interdite (gap) dont la largeur (énergie) Eg est définie par la différence entre le bas de la bande de conduction Ec et le haut de la bande valence Ev.
Le schéma 1.3.2 présente le principe de l’effet photovoltaïque. Si un photon in-cident a une énergie hν supérieure à l’énergie Eg de bande interdite, il transmet son énergie à un électron de la bande de valence. Celui-ci est alors promu vers la bande de conduction et laisse un trou dans la bande de valence. L’absorption du photon a ainsi créé une paire électron-trou.
Si l’énergie du photon absorbé est plus grande que celle du gap, l’énergie en excès par rapport à Eg est perdue sous forme de chaleur par désexcitation des porteurs : c’est le processus de thermalisation. Si à l’inverse, l’énergie du photon n’est pas suffisante, il n’est pas absorbé et traverse le matériau sans transmettre son énergie. La figure 1.3.3 indique une représentation de ces pertes intrinsèques au semiconducteur.
Figure 1.3.3 – Pertes dues aux photons ayant une énergie inférieure au gap (A) et dues à la thermalisation (B) pour une cellule photovoltaïque en silicium [Ricaud 96]
Une fois la paire électron-trou créée, le défi est d’extraire chaque type de porteurs de part et d’autre de la cellule. Si les porteurs ne sont pas extraits suffisamment rapidement il y a recombinaison entre l’électron et le trou. Pour séparer les por-teurs, on impose un champ électrique interne à la cellule et on oriente ainsi les porteurs chargés positivement et négativement en sens inverse.
Pour créer ce champ électrique interne, on utilise classiquement une jonction P/N constituée de deux matériaux semiconducteurs respectivement dopés positivement et négativement. Une schématisation d’une jonction P/N est donnée à la figure 1.3.4. La mise en contact des ces deux semi-conducteurs fait apparaître trois régions :
— Une région dopée N, neutre, dans laquelle les électrons libres sont majori-taires et les trous minoritaires
— Une région dopée P, neutre, dans laquelle les trous libres sont majoritaires et les électrons minoritaires
— Une région, à l’interface des deux précédentes, dans laquelle les porteurs libres majoritaires ont diffusé et se sont recombinés entre eux, appelée zone de charge d’espace ZCE ou zone de déplétion. Dans cette région, les atomes dopants ne sont plus situés à proximité d’un porteur libre de charge opposée. Les charges portées par ces atomes dopants sont responsables de la formation d’un champ électrique.
Figure 1.3.4 – Schéma d’une jonction P/N
Sous illumination, les paires électron-trou photogénérées vont être séparées par ce champ électrique. Ce dernier va attirer les électrons dans le matériau dopé N et les trous dans celui dopé P ce qui donne naissance à un photocourant qui est un courant inverse à la diode. L’éclairement augmente le courant inverse par la création de paires électrons-trous dans la ZCE mais aussi dans les zones dopées. Cette jonction P/N constitue le cœur de la cellule photovoltaïque et lui permet de se comporter comme un générateur électrique sous illumination.
Une cellule est caractérisée par sa caractéristique I(V ) sous un éclairement AM 1.5 G dont un exemple est donné à la figure 1.3.5.
À partir de cette courbe I(V ), on définit trois facteurs de mérite :
— ISC le courant de court-circuit qui correspond au courant produit à tension nulle V = 0. Le courant est d’autant plus élevé que l’absorption de la cellule est grande et que les recombinaisons sont faibles.

Table des matières

Introduction générale 
1 Introduction au photovoltaïque 
1.1 Énergie électrique
1.1.1 Développement de l’énergie électrique
1.1.1.1 Apparition de l’électricité dans la vie courante
1.1.1.2 Importance de l’électricité dans le développement
1.1.2 Contexte actuel
1.1.2.1 Augmentation de la consommation d’électricité
1.1.2.2 Filières de production d’électricité
1.2 Énergie solaire photovoltaïque
1.2.1 La ressource solaire
1.2.2 L’électricité photovoltaïque
1.2.3 Spécificité et applications de l’énergie photovoltaïque
1.3 Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque
1.3.1 Spectre solaire
1.3.2 De l’effet photovoltaïque aux cellules solaires
1.3.3 Principe de fonctionnement général d’une cellule
1.3.4 Filières photovoltaïques
1.4 Structure des cellules solaires en silicium
1.4.1 Architecture de la cellule photovoltaïque standard
1.4.2 Structures avancées de cellules photovoltaïques silicium
1.4.2.1 Cellule standard optimisée : PERL
1.4.2.2 Technologie TOPCon
1.4.2.3 Structures à contacts interdigités en face arrière
1.4.2.4 Cellule à hétérojonction de silicium
2 Propriétés des matériaux des cellules à hétérojonction de silicium 
2.1 Cellule à hétérojonctions de silicium (HET)
2.1.1 Structure des cellules HET
2.1.2 Avantages des cellules HET
2.1.3 Diagramme des bandes
2.2 Silicium cristallin
2.2.1 Description générale
2.2.2 Dopage du silicium cristallin
2.2.3 Propriétés électriques
2.2.4 Durée de vie, longueur de diffusion
2.3 Silicium amorphe
2.3.1 Description générale du matériau
2.3.2 Rôle de l’hydrogène
2.3.3 Procédé de fabrication
2.3.4 Densité d’états
2.3.4.1 Défauts amphotères
2.3.4.2 Dopage du silicium amorphe
2.3.5 Modèle du Defect-Pool
2.3.6 Caractérisation du a-Si :H
3 Durée de vie des porteurs dans une cellule HET 
3.1 Durée de vie volumique
3.1.1 Recombinaisons radiatives
3.1.2 Recombinaisons Auger
3.1.3 Recombinaisons SRH
3.2 Durée de vie surfacique
3.2.1 Caractéristiques des recombinaisons surfaciques
3.2.2 Diminution des recombinaisons surfaciques
3.3 Calcul de la durée de vie effective
3.4 Mesure de durée de vie effective
3.4.1 Photoconductance Lifetime Tester
3.4.2 Mode transitoire
3.4.3 Le mode quasi-statique
4 Calcul de durée de vie avec prise en compte du DPM 
4.1 Impact des paramètres du DPM sur la densité d’états
4.1.1 Paramètres du pool
4.1.1.1 Largeur du pool
4.1.1.2 Position du pool
4.1.1.3 Concentration en hydrogène
4.1.2 Énergie d’Urbach
4.2 Démarche de calcul de la durée de vie effective
4.2.1 Variation de la DOS avec la position du niveau de Fermi
4.2.2 Calcul de la courbure des bandes
4.2.3 Charge dans c-Si
4.2.4 Charge dans a-Si :H
4.2.5 Densité d’états d’interface
4.2.6 Calcul de durée de vie effective
4.3 Impact des paramètres matériaux sur la durée de vie
4.3.1 Paramètres du modèle du Defect-Pool
4.3.2 Dopage des couches de a-Si :H
4.3.3 Section efficace de capture
5 Évolution de la durée de vie avec l’épaisseur de la couche intrinsèque
5.1 Comportement expérimental
5.1.1 Structure InI
5.1.2 Structures PInIP et NInIN
5.2 Reproduction des tendances expérimentalesen simulation
5.2.1 Simulations avec paramètres matériaux constants
5.2.2 Évolution de l’énergie d’Urbach avec l’épaisseur
5.2.3 Le problème des grandes épaisseurs de couche de passivation
Conclusion et perspectives 
Annexes 
A Termes de densité d’états
A.1 États de queues de bandes
A.2 États profonds
A.3 Ensemble des états de la bande interdite
A.4 États à l’interface
B Paramètres standards de simulation
B.1 Silicium amorphe hydrogéné
B.2 Silicium cristallin
B.3 Modèle du Defect-Pool
Listes des symboles utilisés
1 Paramètres physiques
2 Matériaux
3 Nomenclature
Liste des figures
Références bibliographiques

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