Intégration de jonctions ultra minces avec passivation tunnel : application aux générations avancées de cellules PV silicium homojonction

The main objective of this thesis work is to study ways of improvement for the fabrication of n+ doping used as emitter zone in industrial PV cells made of crystalline silicon (c-Si). The plasma immersion ion implantation (PIII) technique allows precise control of the doping profiles of the implanted areas. The influence of the implantation dose and the activation annealing temperature of dopants on the doping profiles produced on p-type c-Si substrates were first studied. These dopings were integrated as emitters in Al-BSF (Aluminum Back Surface Field) and PERC (Passivated Emitter and Rear cells) cells. A detailed analysis of the losses by recombination of the charge carriers as well as the resistive losses was carried out. For an optimized doping profile, the best values ​​of emitter saturation current densities were 70 fA / cm². After cells optimization, record conversion efficiencies of 19.7% and 21% were obtained with Al-BSF and PERC cells, respectively. The PIII technique is particularly suitable for making ultra-thin junctions, compared to implantation by ion beams. Thus, different dopings were tested by variation of the PIII dose and of the annealing temperature on stacks consisting of layers of polysilicon (poly-Si) deposited by PECVD on p-type c-Si substrates, whith surfaces previously passivated by a tunnel oxide. Excellent state-of-the-art passivation properties (i-Voc~730mV and J0 ~ 5fA/cm²) were obtained after passivation of the surface of poly-Si layers by hydrogenated SiNx layers and firing annealing. With an optimized doping profile, the study of losses by recombination on Al-BSF cells integrating the polyslicon layer doped with PIII as an emitter revealed an improvement in the values ​​of saturation current densities of the emitter (54 fA/cm²).
L’objectif principal de ces travaux de thèse est d’étudier des voies d’améliorations pour la fabrication du dopage n+ utilisé comme zone d’émetteur dans les cellules PV industrielles en silicium cristallin (c-Si). La technique d’implantation ionique par immersion plasma (PIII) permet un contrôle précis des profils de dopage des zones implantées. L'influence de la dose d'implantation et de la température de recuit d'activation des dopants sur les profils de dopage fabriqués sur des substrat c-Si de type p ont d'abord été étudiées. Ces dopages ont été intégrés en tant qu'émetteur dans des cellules Al-BSF (Aluminium Back Surface Field) et PERC (Passivated Emitter and Rear cells). Une analyse détaillée des pertes par recombinaisons des porteurs de charges ainsi que des pertes résistives a été menée. Pour un profil de dopage optimisé, les meilleures valeurs de densités de courant de saturation de l'émetteur ont été de 70 fA/cm². Après optimisation des cellules, des rendements de conversion records de 19,7% et 21% ont été obtenus avec des cellules Al-BSF et PERC, respectivement. La technique PIII est particulièrement adaptée à la réalisation de jonctions ultra-minces, comparé à l'implantation par faisceaux d'ions. Ainsi, différents dopages ont été testés par variation de la dose PIII et de la température de recuit sur des empilements constitué de couches de polysilicium (poly-Si) déposée par PECVD sur des substrats c-Si de type p, dont la surface a été préalablement passivée par un oxyde tunnel. D'excellentes propriétés de passivation à l'état de l'art (i-Voc ~ 730mV et J0 ~ 5fA/cm²) ont été obtenues après passivation de la surface de la couche de poly-Si par des couches de SiNx hydrogénées et un recuit de firing. Avec un profil de dopage optimisé, l'étude des pertes par recombinaisons sur des cellules Al-BSF intégrant la couche de polyslicium dopée par PIII en tant qu'émetteur a révélé une amélioration des valeurs de densités de courant de saturation de l'émetteur (54 fA/cm²).