Integration of poly-Si/SiOx contacts in silicon solar cells : Optimization and understanding of conduction and passivation properties

Intégration de jonctions poly-Si/SiOx sur cellules solaires silicium : Optimisation et compréhension des propriétés de conduction et de passivation de surface Dans le contexte des cellules photovoltaïques (PV) à base de silicium cristallin (c-Si), le développement de structures de contacts dits « passivants », qui permettent de limiter les pertes par recombinaisons des porteurs de charge à l’interface entre le métal et le c-Si, est un des principaux leviers vers l’obtention de plus hauts rendements. Une approche de contacts passivés consiste à intégrer entre le métal et le c-Si une jonction composée d’une couche de silicium poly-cristallin (poly-Si) fortement dopée sur une mince couche d’oxyde de silicium (SiOx < 2 nm).Les objectifs de ce travail sont d’une part de développer une jonction poly-Si/SiOx compatible avec la fabrication industrielle des cellules PV, et d’autre part d’améliorer la compréhension des mécanismes de passivation et de transport des charges au niveau de la fine couche de SiOx située à l’interface entre le poly-Si et le c-Si.Dans ce travail, une jonction de poly-Si/SiOx dopée au bore a été développée, le dopage de la couche étant dans un premier temps réalisé in-situ pendant l’étape de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) de la couche poly-Si. La méthode de dépôt PECVD est répandue dans l’industrie PV et permet la fabrication de la couche poly-Si d’un seul côté du substrat c-Si. Cependant, elle induit une forte concentration d’hydrogène dans la couche déposée, ce qui entraine la formation de cloques à l’interface avec le c-Si et tend à dégrader les propriétés de passivation de surface de la jonction après recuit de cristallisation. L’optimisation des conditions de dépôt (température de dépôt et ratio de gaz H2/SiH4) a permis d’obtenir des couches de poly-Si dopées in-situ intègres. Par la suite, une méthode de dopage alternative, par le biais du dépôt d’une couche diélectrique riche en bore sur le poly-Si, a été appliquée afin de réduire l’apport en hydrogène pendant le dépôt et d’obtenir des couches de poly-Si intègres plus épaisses. L’ajout d’une étape d’hydrogénation a permis d’obtenir des propriétés de passivation de surface au niveau de l’état de l’art pour les deux types de jonctions poly-Si/SiOx développées.A la suite du développement de la jonction poly-Si/SiOx, la caractérisation physico-chimique de la couche SiOx a été réalisée et a démontré une possible amélioration de la stœchiométrie de la couche vers SiO2 ainsi qu’une dégradation de son homogénéité en épaisseur sous l’effet du recuit de cristallisation à haute température. Ces phénomènes pourraient s’expliquer par une diffusion des atomes d’oxygène à l’interface. D’autre part, l’étude du transport des charges à travers le SiOx par C-AFM a mis en évidence les limites de cette technique quant à la détermination de nano-ouvertures au sein de la couche SiOx (qui favoriseraient le transport des charges). Enfin, une méthode de caractérisation des défauts recombinants à l’interface entre une jonction de poly-Si intrinsèque et le c-Si a été mise en œuvre. Cette méthode a permis de modéliser les recombinaisons à l’interface poly-Si/c-Si via deux défauts discrets apparents dont les niveaux d’énergie dans la bande interdite et les ratios de sections efficaces de capture des électrons et des trous ont été déterminés.