Development, characterization and modeling of interfaces for high efficiency silicon heterojunction solar cells

L’interface entre le silicium amorphe (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si) est un constituent cles de cellules solaires a haut rendement reposant sur des procedes a basse temperature. Trois proprietes de l’interface determinent le rendement des cellules solaires a heterojonction de silicium: les decalages de bandes entre a-Si:H et c-Si, les defauts d’interface et la courbure de bande dans c-Si. Ces trois aspects sont traites dans ces travaux de these.Dans un premier un temps, un calcul analytique de la courbure de bande dans c-Si est developpe. Il repose sur l’approximation d’une densite d’etat (DE) constante dans la bande interdite de a-Si:H. L’influence des principaux parametres de la structure sur la courbure de bande est etudiee : decalage de bande, densite d’etat dans a-Si:H, defaut d’interface, etc. La presence d’un effet de confinement quantique est discutee. Grâce a une comparaison entre ces calculs et des mesures de conductance planaire en fonction de la temperature sur des structures (p)a-Si:H/(n)c-Si et (n)a-Si:H/(p)c-Si, les decalages de bande de valence et de conduction ont pu etre estimes a 0.36 eV et 0.15 eV respectivement. En outre, il est montre que le decalage de la bande de valence est independant de la temperature, alors que le decalage de la bande de conduction suit les evolutions des bandes interdites de c-Si et a-Si:H. Ces mesures tendent a prouver que le ‘branch point’ dans a-Si:H est independant du dopage.Ensuite, les calculs analytiques sont approfondis pour prendre en compte differents aspects de la structure complete incorporee dans les cellules : contact avec un oxyde transparent conducteur, presence d’une couche de a-Si:H non-dopee a l’interface. A l’aide de simulations numeriques et a la lumiere de mesures de conductance planaire conjuguees a des mesures de la qualite de passivation de l’interface, des pistes pour optimiser les cellules a heterojonction sont commentees. En particulier, il est montre qu’un optimum doit etre trouve entre une bonne passivation et une courbure de bande suffisante. Ceci peut etre accompli par un reglage fin des proprietes de la couche tampon (epaisseur, dopage), du contact (travail de sortie eleve) et de l’emetteur (p)a-Si:H (densite de defauts et epaisseur). En particulier, un emetteur avec une DE importante conduit paradoxalement a de meilleures performances.Enfin, un nouveau type d’interface a ete developpe. La surface de c-Si a ete oxydee volontairement dans de l’eau pure de-ionisee a 80 °C avant le depot de (p)a-Si:H afin d’obtenir une structure (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si. A l’aide d’un modele de courant par effet tunnel implemente dans le logiciel de simulation numerique AFORS-HET, l’effet d’une couche a grande bande interdite (comme c’est le cas pour SiO2) sur les performances de cellules est etudie : le facteur de forme et le courant de court-circuit sont extremement reduits. En revanche, une couche de SiO2 n’a que peu d’impact sur les proprietes optiques de la structure. Experimentalement, les echantillons realises montrent une qualite de passivation a mi-chemin entre le cas sans couche tampon et le cas avec (i)a-Si:H : ceci est explique par la presence d’une charge fixe negative dans l’oxyde. La courbure de bande dans c-Si est moins affectee par la presence d’une couche d’oxyde que d’une couche de (i)a-Si:H. Les cellules solaires realisees demontrent que le concept a le potentiel d’aboutir a de hauts rendements : sur des structures non-optimisees, une tension de court-circuit superieure a 650 mV a ete demontree, alors que l’oxyde ne semble pas limiter le transport de charge.