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N° d’ordre 2005ISAL0028 Année 2005 Thèse Simulation, fabrication et analyse de

N° d’ordre 2005ISAL0028 Année 2005 Thèse Simulation, fabrication et analyse de cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités Présentée devant L’institut national des sciences appliquées de Lyon Pour obtenir Le grade de docteur Formation doctorale : Génie Electrique École doctorale : Electronique, Electro-technique et Automatique Par Nichiporuk Oleksiy Soutenue le 03 mai 2005 devant la Commission d’examen Jury MM. Invité G. BEAUCARNE Docteur Président G. GUILLOT Professeur (INSA de Lyon) Rapporteur C. JAUSSAUD Dr. ingénieur, IR A. KAMINSKI Dr, Maître de Conf., HdR M. LEMITI Professeur (INSA de Lyon) Rapporteur J-C MULLER Docteur CNRS, IR Invité P-J RIBEYRON Docteur V. SKRYSHEVSKY Professeur (Univ. de Kiev) Résumé L’énergie solaire est la source d’énergie la plus prometteuse et la plus puissante parmi les énergies renouvelables. L’électricité photovoltaïque (PV) est obtenue par transformation directe de la lumière du soleil en électricité, au moyen de cellules PV. L'objectif de ce travail est de développer des cellules PV à contacts arrières interdigités. Dans le premier chapitre, nous rappelons le principe de fonctionnement et les paramètres principaux d'une cellule PV. Dans une deuxième partie, nous expliquons les spécificités des cellules PV à contacts arrières interdigités, ainsi que les avantages et les inconvénients de telles cellules. Dans le second chapitre nous étudions le fonctionnement de cellules PV à contacts arrières interdigités par la simulation numérique dans le but d’optimiser la géométrie et les profils de dopage de la cellule. Le logiciel ISE 8.5 nous permet d’effectuer la simulation numérique en deux dimensions et d’étudier l’influence des divers paramètres sur la caractéristique courant-tension sous éclairement de la cellule. Dans un premier temps, nous présentons le principe de la simulation numérique et les modèles physiques utilisés. Dans la deuxième partie de ce chapitre, en faisant varier les paramètres d’une cellule de référence, nous analysons les résultats de la simulation. Les résultats obtenus nous permettent de tirer les conclusions concernant la structure optimale de la cellule. Le troisième chapitre concerne les techniques, les méthodes et les dispositifs de caractérisation des composant photovoltaïques : I V sous obscurité et sous éclairement, réponse spectrale, LBIC, réflectivité, thermographie infrarouge, mesures de durée de vie, etc… Dans le quatrième chapitre nous aborderons l’élaboration des cellules photovoltaïques à contacts interdigités. Trois procédés technologiques sont mis en œuvre dans le but de développer une technologie simple pour l’élaboration des cellules avec un bon rendement. En particulier, nous développons le procédé auto aligné, qui nous permet de réaliser des cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités en utilisant une seule étape de lithographie. Les cellules photovoltaïques à contacts arrières interdigités étant très sensibles à la recombinaison en surface, le chapitre cinq est consacré à la passivation de la surface du silicium. Dans ce chapitre nous examinons diverses approches pour réduire la recombinaison en surface : oxyde de silicium, nitrure de silicium déposé par UVCVD, recuit sous hydrogène, variation de la barrière de potentiel à la surface par incorporation de charges dans SiO2 ou par création d’une zone de charge d’espace d’une structure MIS, création d’une couche mince de silicium poreux… Mots-Clés: cellule photovoltaïque – couche mince – simulation – passivation – contacts arrières interdigités – optimisation – technologie. Abstract Solar energy is the most promising and powerful energy source among renewable energies. Photovoltaic electricity is obtained by direct transformation of the sunlight into electricity by means of photovoltaic cells. The objective of this work is to develop photovoltaic cells with back interdigitated contacts. In the first chapter, we recall the principle of operation and the fundamental parameters of a photovoltaic cell. In a second part, we explain specificities of the interdigitated back-contact solar cells, as well as the advantages and the disadvantages of such cells. In the second chapter we study the operation of interdigitated back- contacts solar cells by two dimensional numerical simulation in order to optimize the geometry and doping profiles of the cell. The third chapter relates to the techniques and the methods of characterization of photovoltaic devices and components. In the fourth chapter, we describe the elaboration of interdigitated back- contact cells. Three technological processes are presented in order to develop a simple technology for cells realization. In particular, we develop the auto- aligned technological process, which enables to elaborate the cells by using only one lithography step. In the last chapter we examine various approaches to reduce the surface recombination: SiO2, silicon nitride deposited by UVCVD, hydrogen annealing, etc... Keywords: solar cell – thin film – simulation – passivation – interdigitated back contacts – optimization – photovoltaic technology. INSA de Lyon / Département des études doctorales MARS 2005 Écoles Doctorales SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE DE LYON M. Denis SINOU sinou@univ-lyon1.fr Université Claude Bernard Lyon 1 Lab Synthèse Asymétrique UMR UCB/CNRS 5622 Bât 308 2ème étage 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.44.81.83 sinou@univ-lyon1.fr E2MC ECONOMIE, ESPACE ET MODELISATION DES COMPORTEMENTS M. Alain BONNAFOUS Alain.Bonnafous@mrash.fr M. Alain BONNAFOUS Université Lyon 2 14 avenue Berthelot MRASH M. Alain BONNAFOUS Laboratoire d’Economie des Transports 69363 LYON Cedex 07 Tél : 04.78.69.72.76 Alain.Bonnafous@mrash.fr E.E.A. ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE M. Daniel BARBIER Daniel.Barbier@insa-lyon.fr M. Daniel BARBIER INSA DE LYON Laboratoire Physique de la Matière Bâtiment Blaise Pascal 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43.64.43 Daniel.Barbier@insa-lyon.fr E2M2 EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION http://biomserv.univ- lyon1.fr/E2M2 M. Jean-Pierre FLANDROIS Jean- Pierre.Flandrois@biomserv.u niv-lyon1.fr M. Jean-Pierre FLANDROIS UMR 5558 Biométrie et Biologie Evolutive Equipe Dynamique des Populations Bactériennes Faculté de Médecine Lyon-Sud Laboratoire de Bactériologie BP 1269600 OULLINS Tél : 04.78.86.31.50 Jean-Pierre.Flandrois@biomserv.univ-lyon1.fr EDIIS INFORMATIQUE ET INFORMATION POUR LA SOCIETE http://www.insa-lyon.fr/ediis M. Lionel BRUNIE M. Lionel BRUNIE INSA DE LYON EDIIS Bâtiment Blaise Pascal 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43.60.55 Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon 1 INSA de Lyon / Département des études doctorales lbrunie@if.insa-lyon.fr lbrunie@if.insa-lyon.fr EDISS INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-SANTE http://www.ibcp.fr/ediss M. Alain Jean COZZONE cozzone@ibcp.fr M. Alain Jean COZZONE IBCP (UCBL1) 7 passage du Vercors 69367 LYON Cedex 07 Tél : 04.72.72.26.75 cozzone@ibcp.fr MATERIAUX DE LYON http://www.ec- lyon.fr/sites/edml M. Jacques JOSEPH Jacques.Joseph@ec-lyon.fr M. Jacques JOSEPH Ecole Centrale de Lyon Bât F7 Lab. Sciences et Techniques des Matériaux et des Surfaces 36 Avenue Guy de Collongue BP 163 69131 ECULLY Cedex Tél : 04.72.18.62.51 Jacques.Joseph@ec-lyon.fr Math IF MATHEMATIQUES ET INFORMATIQUE FONDAMENTALE http://www.ens- lyon.fr/MathIS M. Franck WAGNER wagner@desargues.univ- lyon1.fr M. Franck WAGNER Université Claude Bernard Lyon1 Institut Girard Desargues UMR 5028 MATHEMATIQUES Bâtiment Doyen Jean Braconnier Bureau 101 Bis, 1er étage 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43.27.86 wagner@desargues.univ-lyon1.fr MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE http://www.lmfa.ec- lyon.fr/autres/MEGA/index.ht ml M. François SIDOROFF Francois.Sidoroff@ec-lyon.fr M. François SIDOROFF Ecole Centrale de Lyon Lab. Tribologie et Dynamique des Systêmes Bât G8 36 avenue Guy de Collongue BP 163 69131 ECULLY Cedex Tél :04.72.18.62.14 Francois.Sidoroff@ec-lyon.fr Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon 2 Professeurs Mai 2005 Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Directeur : A. STORCK Professeurs AMGHAR Y. LIRIS AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE BABOT D. CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENTS IONISANTS BABOUX J.C. GEMPPM*** BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIERE BAPTISTE P. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIERE BASKURT A. LIRIS BASTIDE J.P. LAEPSI**** BAYADA G. MECANIQUE DES CONTACTS BENADDA B. LAEPSI**** BETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE BIENNIER F. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BLANCHARD J.M. LAEPSI**** BOISSE P. LAMCOS BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE BOIVIN M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES SOLIDES BOTTA H. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Développement Urbain BOULAYE G. (Prof. émérite) INFORMATIQUE BOYER J.C. MECANIQUE DES SOLIDES BRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du bâtiment BREMOND G. PHYSIQUE DE LA MATIERE BRISSAUD M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE BRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDES BRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATION BUFFIERE J-Y. GEMPPM*** BUREAU J.C. CEGELY* CAMPAGNE J-P. PRISMA CAVAILLE J.Y. GEMPPM*** CHAMPAGNE J-Y. LMFA Oleksiy Nichiporuk / Thèse en physique / 2005 / INSA de Lyon 3 Professeurs Professeurs CHANTE J.P. CEGELY*- Composants de puissance et applications CHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine COMBESCURE A. MECANIQUE DES CONTACTS COURBON GEMPPM COUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures DAUMAS F. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energétique et Thermique DJERAN-MAIGRE I. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL DOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUE DUBUY-MASSARD N. ESCHIL DUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURES DUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIERE EMPTOZ H. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION ESNOUF C. GEMPPM*** EYRAUD L. (Prof. émérite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE FANTOZZI G. GEMPPM*** FAVREL J. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS FAYARD J.M. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS FAYET M. (Prof. émérite) MECANIQUE DES SOLIDES FAZEKAS A. GEMPPM FERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURES FLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTS FLEURY E. CITI FLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES D’INFORMATIONS FOUGERES R. GEMPPM*** FOUQUET F. GEMPPM*** FRECON L. (Prof. émérite) REGROUPEMENT DES ENSEIGNANTS CHERCHEURS ISOLES GERARD J.F. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES GERMAIN P. LAEPSI**** GIMENEZ G. CREATIS** GOBIN P.F. (Prof. émérite) GEMPPM*** GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GONTRAND M. PHYSIQUE DE LA MATIERE GOUTTE R. (Prof. émérite) CREATIS** GOUJON uploads/Science et Technologie/ these 4 .pdf