FR3042646B1 - Procede de fabrication d'une heterojontion pour cellule photovoltaique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une hétérojonction pour cellule photovoltaïque, l'hétérojonction comportant un substrat (1) en silicium cristallin et une couche (2, 2') en silicium amorphe hydrogéné dopé, le procédé comportant les étapes suivantes : - dépôt d'une couche en silicium amorphe hydrogéné sur un substrat en silicium cristallin de façon à former un empilement, la couche en silicium amorphe hydrogéné présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - dopage d'au moins une partie de la couche en silicium amorphe hydrogéné par implantation ionique, l'implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d'un gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1017 cm-2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm-2; - recuit à une température comprise entre 150°C et 350°C, et de préférence entre 200 et 300°C, pendant une durée comprise entre 5 minutes et 3 heures.
Description
PROCEDE DE FABRICATION D UNE HETEROJONTION POUR CELLULE
PHOTOVOLTAÏQUE
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l’invention est celui des cellules photovoltaïques à hétérojonction silicium et des procédés de fabrication de telles cellules photovoltaïques. Plus précisément, l’invention concerne un procédé de fabrication d’une hétérojonction pour cellule photovoltaïque et un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque comportant une telle hétérojonction.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR
La figure 1 représente schématiquement une cellule photovoltaïque à hétérojonction de l’art antérieur. Lors de la fabrication d’une telle cellule photovoltaïque à hétérojonction, une couche en silicium amorphe hydrogéné (i) a-Si-H est déposée sur chacune des faces d’un substrat en silicium cristallin (n) c-Si. Une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé (n) ou (p) « (n) a Si-H » ou « (p) a Si-H >> est ensuite formée à la surface de chacune des couches en silicium amorphe hydrogéné (i) a-Si-H. Une couche en oxyde transparent conducteur TCO est ensuite déposée sur chacune des couches en silicium amorphe hydrogéné dopé (n) ou (p) « (n) a Si-H >> ou « (p) a Si-H >>. Enfin des contacts métalliques MC sont formés sur chacune des couches en oxyde transparent conducteur TCO.
Dans les procédés de l’art antérieur, les couches en silicium amorphe hydrogéné dopé (n) ou (p) sont formées lors d’une étape de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) au cours de laquelle un gaz dopant est introduit afin de doper les couches en silicium amorphe hydrogéné. Lorsque l’on veut obtenir une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé (n), le gaz dopant introduit est à base de phosphore tel que la phosphine. Lorsque l’on veut obtenir une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé (p), le gaz dopant introduit est à base de bore tel que le du diborane.
Toutefois, ces procédés ne permettent pas de doper de manière sélective et ciblée certaines parties de chaque couche en silicium amorphe hydrogéné. En effet, le dopage par introduction d’un gaz dopant lors de l’étape de dépôt par PECVD permet uniquement de doper l’ensemble de la couche en silicium amorphe hydrogéné et non pas des parties choisies de cette couche. D’autres procédés de l’art antérieur, comme par exemple celui du document US2012/0279562, proposent de réaliser le dopage de la couche en silicium amorphe hydrogéné par implantation ionique. Toutefois, la cellule solaire photovoltaïque ainsi réalisée présente des performances dégradées. En effet, comme expliqué dans le document Defresne, A.; Plantevin, O.; Sobkowicz, I.; Bourçois, J. & i Cabarrocas, P. R., « Interface defects in a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells », Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2015, le fait d’implanter des atomes dans une couche de silicium amorphe fine, dégrade fortement l’interface entre la couche en silicium amorphe et le substrat en silicium cristallin. La cellule solaire ainsi obtenue présente alors une tension de circuit ouvert plus faible, ainsi que des rendements plus faibles.
EXPOSE DE L’INVENTION L’invention vise à remédier aux inconvénients de l’état de la technique en proposant un procédé qui permette de doper de manière sélective et ciblée certaines parties d’une couche en silicium amorphe hydrogéné sur une couche en silicium cristallin, tout en permettant l’obtention d’une hétérojonction qui présente des propriétés compatibles avec une utilisation dans une cellule solaire.
Pour ce faire, un premier aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une hétérojonction pour cellule photovoltaïque, le procédé comportant les étapes suivantes : - dépôt d’une couche en silicium amorphe hydrogéné sur un substrat en silicium cristallin de façon à former un empilement, la couche en silicium amorphe hydrogéné présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - dopage d’au moins une partie de la couche en silicium amorphe hydrogéné par implantation ionique, l’implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d’un gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1017 cm 2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm'2; - recuit à une température comprise entre 150°C et350°C, et de préférence entre 200 et 300°C, pendant une durée comprise entre 5 minutes et 3 heures.
Dans ce document, le terme « hétérojonction silicium pour cellule photovoltaïque » désigne une hétérojonction silicium, à savoir un empilement comportant une couche de silicium amorphe sur une couche de silicium cristallin, quelque soit le dopage de ces couches.
Le procédé selon l’invention est particulièrement avantageux car il permet d’utiliser l’implantation ionique pour doper la couche en silicium amorphe hydrogéné sans pour autant dégrader l’interface entre la couche en silicium amorphe hydrogéné et la couche en silicium cristallin. Pour ce faire, l’épaisseur de la couche en silicium amorphe hydrogéné est choisie de façon à ce que cette couche soit : - suffisamment épaisse pour limiter la quantité d’ions dopants qui pénètrent jusqu’à l’interface lors de l’implantation ionique, - mais suffisamment fine pour pouvoir être utilisée dans une cellule solaire.
Le fait de réaliser l’implantation ionique à basse énergie permet de limiter la dégradation de l’interface. Malgré tout, après l’étape d’implantation ionique des atomes dopants, l’interface est partiellement dégradée de sorte que la passivation de la couche en silicium amorphe hydrogéné est également dégradée. Le fait de recuire l’empilement à une température comprise entre 150°C et 350 °C, et de préférence ente 200 et 300°C, pendant une durée comprise entre 5 minutes et 3 heures, permet de récupérer la passivation sans dégrader la conductivité de la couche en silicium amorphe hydrogéné. Le procédé permet donc d’obtenir une hétérojonction qui peut être utilisée dans une cellule photovoltaïque puisque l’épaisseur de la couche en silicium amorphe hydrogéné, sa tension de circuit ouvert et sa conductivité sont compatibles avec une telle utilisation. En outre, le fait de réaliser le dopage par implantation ionique permet de pouvoir choisir les zones de la couche en silicium amorphe hydrogéné que l’on souhaite doper. Le procédé présente en outre l’avantage d’être peu coûteux.
Le procédé selon le premier aspect de l’invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, l’étape de dopage par implantation ionique comporte les sous étapes suivantes : - transformation du gaz précurseur en plasma ; - immersion de l’empilement dans le plasma ; - application d’un potentiel à l’empilement de façon à implanter des ions dans l’empilement.
Ainsi, l’étape de dopage par implantation ionique est de préférence réalisée en immergeant l’empilement dans le plasma formé à partir du gaz précurseur, ce qui permet d’implanter toutes les espèces formées lors de la création du plasma. En effet, au contraire des procédés d’implantation ionique standards, dans lesquels le plasma est généré dans une enceinte, puis une espèce à implanter est sélectionnée et envoyée dans la chambre contenant le substrat, le procédé selon ce mode de réalisation propose de générer le plasma directement dans la chambre qui contient la couche à implanter, ce qui permet d’implanter toutes les espèces formées lors de la génération du plasma sans sélection. On implante ainsi notamment des espèces chimiques plus grosses que dans l’art antérieur, de sorte qu’elles pénètrent moins profondément à travers la couche en silicium amorphe hydrogéné et dégradent moins l’interface entre la couche en silicium amorphe hydrogéné et le substrat en silicium cristallin. En outre, cela permet également d’implanter des espèces contenant de l’hydrogène, ce qui permet d’augmenter la tension de circuit ouvert de l’empilement. Pour ce faire, l’implantation ionique peut être réalisée par un procédé d’implantation ionique par immersion plasma (également appelée PIN pour « plasma immersion ion implantation ») ou par un procédé de dopage plasma (également appelé PLAD pour « plasma doping »). Enfin, ce procédé a l’avantage d’être plus rapide que le procédé d’implantation ionique standard et donc mieux adapté à la fabrication industrielle de cellules.
Avantageusement, l’étape de recuit est effectuée sous atmosphère ambiante, ce qui permet de ne pas avoir de contrainte concernant l’atmosphère de recuit.
Selon un mode de réalisation, le gaz précurseur comporte du B2H6. Ce gaz précurseur permet d’obtenir une couche en silicium amorphe hydrogéné dopée p.
Lorsque le gaz précurseur comporte du B2H6i la durée de recuit est de préférence comprise entre 30 minutes et 1h30, ce qui permet d’obtenir le meilleur compromis entre la tension de circuit ouvert de la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée p et sa conductivité.
Selon un autre mode de réalisation, le gaz précurseur comporte du PH3, ce qui permet d’obtenir une couche en silicium amorphe hydrogéné dopée n.
Lorsque le gaz précurseur comporte du PH3, la durée de recuit est de préférence comprise entre 15 et 30 minutes, ce qui permet d’obtenir le meilleur compromis entre la tension de circuit ouvert de la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée n et sa conductivité.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction, le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque comportant une étape de réalisation d’une hétérojonction par un procédé de fabrication selon le premier aspect de l’invention.
Selon différents modes de réalisation : - l’hétérojonction de la cellule photovoltaïque comportant une couche dopée p et l’hétérojonction comportant de la cellule photovoltaïque comportant une couche dopée n peuvent être les deux réalisées avec un procédé selon l’invention ; ou alors - une seule de ces deux hétérojonctions peut être réalisée avec un procédé selon l’invention.
Le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque comporte de préférence les étapes suivantes : - (a) dépôt d’une première couche en silicium amorphe hydrogéné sur une première face d’un substrat en silicium cristallin, la première couche en silicium amorphe hydrogéné présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - (b) dopage d’au moins une partie de la première couche en silicium amorphe hydrogéné par implantation ionique, l’implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d’un premier gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1017 cm"2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm"2, le premier gaz précurseur comportant du B2H6; - (a’) dépôt d’une deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné sur une deuxième face du substrat en silicium cristallin, la deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - (b’) dopage d’au moins une partie de la deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné par implantation ionique, l’implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d’un deuxième gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1017 cm"2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm"2, le deuxième gaz précurseur comportant du PH3. - (c’) recuit à une température comprise entre 150'O et 350°C, et de préférence entre 200 et 300°C, pendant une durée comprise entre 5 mhutes et 3 heures.
Selon un mode de réalisation, le procédé de fabrication peut comporter en outre une étape (c) de recuit entre les étapes (b) et (a’). Au cours de cette étape de recuit, l’hétérojonction est de préférence recuite à une température comprise entre 150°C et 350°C, et de préférence entre 200 et 300°C, pendant une durée comprise entie 5 minutes et 3 heures.
En effet, le procédé de fabrication comporte au moins une étape de recuit, mais il peut également en comporter deux. Plus précisément, selon différents modes de réalisation : - le procédé peut comporter une seule étape de recuit, qui a lieu une fois que les étapes de dopages de la première et de la deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné ont été effectuées. Dans ce cas, les deux couches en silicium amorphe hydrogéné sont recuites en même temps. Ce mode de réalisation permet de diminuer le coût du procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque ; ou alors - le procédé peut comporter deux étapes de recuit : une première étape de recuit est alors effectuée suite à l’étape de dopage de la première couche en silicium amorphe hydrogéné, tandis qu’une seconde étape de recuit est effectuée suite à l’étape de dopage de la deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une cellule photovoltaïque plus performante. En effet, on peut alors adapter spécifiquement l’étape de recuit au dopage qui vient d’être effectué, ce qui permet d’obtenir de meilleurs résultats. En effet, lorsque deux étapes de recuit sont effectuée, la première étape de recuit dure de préférence entre 30 minutes et 1 h30 ; tandis que la deuxième étape de recuit dure de préférence entre 15 et 30 minutes.
Par ailleurs, selon différents modes de réalisation, l’étape (b) de dopage à partir d’un premier gaz précurseur contenant du B2H6 peut être réalisée avant l’étape (b’) de dopage à partir d’un deuxième gaz précurseur contenant du PH3, ou inversement l’étape (b’) de dopage à partir d’un deuxième gaz précurseur contenant du PH3 peut être réalisée avant l’étape (b) de dopage à partir d’un premier gaz précurseur contenant du B2H6.
Préférentiellement, la réalisation de la couche nécessitant la plus haute température de recuit est réalisée en premier. De cette façon, la température plus basse de recuit de l’autre couche ne modifiera que peu les propriétés de la première.
Avantageusement, le procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque comporte en outre les étapes suivantes : une étape de dépôt d’une couche d’oxyde transparent conducteur sur chaque couche en silicium amorphe hydrogéné dopé ; - une étape de formation d’au moins un contact métallique sur chaque couche d’oxyde transparent conducteur.
Ces étapes sont de préférence réalisées avant la ou les étapes de recuit. Cela permet d’éviter une oxydation de surface du silicium amorphe hydrogéné lors du ou des recuits.
BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui représentent : - La figure 1, une représentation schématique d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction de l’art antérieur ; - Les figures 2a à 2c, les étapes d’un procédé de fabrication d’une hétérojonction comportant une couche dopée p, selon un mode de réalisation de l’invention ; - La figure 3, une représentation schématique d’une hétérojonction obtenue par un procédé analogue au procédé des figures 2a à 2c ; - Les figures 4a à 4c, les étapes d’un procédé de fabrication d’une hétérojonction comportant une couche dopée n, selon un mode de réalisation de l’invention ; - La figure 5, une représentation schématique d’une hétérojonction obtenue par un procédé analogue au procédé des figures 4a à 4c ; - Les figures 6a à 6f, les étapes d’un procédé de fabrication d’une cellule solaire à hétérojonction selon un procédé de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION
Fabrication d’une hétérojonction comportant une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé p :
Un procédé de fabrication d’une hétérojonction comportant une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé p selon un mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 2a à 2c.
En référence à la figure 2a, le procédé comporte une première étape 101 de dépôt d’une couche en silicium amorphe hydrogéné 2 sur un substrat en silicium cristallin 1. Dans ce mode de réalisation, le substrat en silicium cristallin est désoxydé juste avant le dépôt du silicium amorphe. La désoxydation permet au silicium amorphe d’être bien en contact direct avec le cristallin et donc d’avoir ses propriétés passivantes.
Dans ce mode de réalisation, la couche en silicium amorphe hydrogéné 2 est une couche en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque, c’est-à-dire non dopée. Alternativement, selon un autre mode de réalisation de l’invention, la couche en silicium amorphe hydrogéné 2 pourrait être déjà partiellement dopée. Par contre dans ce cas, le dopage sera de même type que les ions implantés. Dans le cas contraire, les doses d’ions implantés requise seraient différentes. La couche en silicium amorphe hydrogéné 2 présente une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm. A l’issue de l’étape 101, on obtient un empilement 5 comportant : - Un substrat 1 en silicium cristallin ; - Une couche en silicium amorphe hydrogéné 2 déposée sur le substrat.
En référence à la figure 2b, le procédé comporte ensuite une étape 102 de dopage de la couche en silicium amorphe hydrogéné de façon à réaliser une couche en silicium amorphe hydrogéné dont la surface est dopée p. Pour cela, le dopage de la couche en silicium amorphe hydrogéné 2 est réalisé par implantation ionique à partir d’un gaz précurseur. Le gaz précurseur 4 peut par exemple être du B2H6. Le gaz précurseur comporte une dose en ions dopants comprise entre 1015 et 1016 cm"2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm"2.
Le gaz précurseur est transformé en plasma. L’implantation ionique est de préférence effectuée en immergeant la couche à implanter dans le plasma formé. Pour cela, le plasma est de préférence formé dans une chambre contenant l’empilement 5. Pour cela, on peut utiliser une technique d’implantation ionique par immersion plasma ou une technique de dopage plasma.
Un potentiel négatif est ensuite appliqué à la couche en silicium amorphe hydrogéné 2 à implanter de façon à ce que des espèces chimiques du plasma pénètrent à la surface de la couche en silicium amorphe hydrogéné 2. L’implantation ionique est effectuée à une énergie inférieure à 2000V et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V.
En référence à la figure 2c, le procédé comporte ensuite une étape 103 de recuit au cours de laquelle l’empilement est chauffé à une température comprise entre 150 et 350 °C, et de préférence entre 200 et 300 °C pendant une durée de préférence comprise entre 30 minutes et 1 h30, afin de récupérer la passivation de la couche en silicium amorphe hydrogéné dopé p tout en conservant une bonne conductivité pour cette couche.
Ce procédé permet d’obtenir une hétérojonction qui peut être utilisée pour la réalisation d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction puisque l’hétérojonction ainsi obtenue présente les propriétés suivantes : - La couche en silicium amorphe hydrogéné présente une épaisseur compatible avec une utilisation dans une cellule photovoltaïque puisqu’elle est comprise entre 5 et 30 nm ; - L’hétérojonction présente un niveau de passivation suffisant pour une utilisation dans une cellule photovoltaïque à hétérojonction puisqu’elle présente une tension de circuit ouvert i-V0C supérieure à 700 mV ; - La couche en silicium amorphe hydrogéné présente une conductivité suffisante pour une utilisation dans une cellule photovoltaïque puisqu’elle présente une conductivité supérieure à 10'4 Ω'1 cm'1. Résultats expérimentaux :
La figure 3 représente un substrat obtenu par un procédé analogue au procédé décrit en référence aux figures 2a à 2c.
Le procédé a été mis en œuvre dans le cas particulier où le substrat en silicium cristallin 1 de 280 pm est poli de façon à présenter une faible rugosité de surface. Le fait d’avoir une faible rugosité de surface permet d’avoir une meilleure passivation. Dans ce cas, cette rugosité permet également de s’affranchir des effets de texturation préalable à la réalisation de cellule.
Une première couche en silicium amorphe hydrogéné 2 est déposée sur une première face 7 du substrat en silicium cristallin 1. La première couche en silicium amorphe hydrogéné 2 présente une épaisseur de 25 nm. Une deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné 6 est déposée sur une deuxième face du substrat en silicium cristallin. La deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné 6 présente une épaisseur de 25 nm.
Du bore est implanté dans la première couche en silicium amorphe hydrogéné 2 à partir d’un gaz précurseur par un procédé d’implantation ionique par immersion plasma à 1500 V. Le gaz précurseur est du B2H6contenant une dose en ions dopants égale à 5.1015 cm'2.
La seconde couche en silicium amorphe hydrogéné 6 n’est pas dopée.
On obtient alors un empilement 9 comportant : - Une première couche en silicium amorphe hydrogéné dopée p 2 ; - Un substrat en silicium cristallin 1 ; - Une deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné non dopée 6. A l’issue de l’étape de dopage : - la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée p 2 présente une conductivité de 10' 8 Ω"1 cm'1 ; - l’empilement 9 présente une tension de circuit ouvert i-V0C égale à 560 mV.
Suite à l’étape de dopage, l’empilement 9 est recuit à 300°C pendant 1 h30. A l’issue de l’étape de recuit : - la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée p 2 présente une conductivité de 10' 5 Ω'1 cm'1 ; - l’empilement 9 présente une tension de circuit ouvert i-V0C égale à 705 mV.
Le procédé permet donc bien d’obtenir une hétérojonction dont les propriétés sont compatibles avec une utilisation dans une cellule photovoltaïque.
Fabrication d’une hétérojonction comportant une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé n :
Un procédé de fabrication d’une hétérojonction comportant une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé n selon un mode de réalisation de l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 4a à 4c.
En référence à la figure 4a, le procédé comporte une première étape 101’ de dépôt d’une couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ sur un substrat en silicium cristallin 1. Dans ce mode de réalisation, le substrat en silicium cristallin est désoxydé avant le dépôt du silicium amorphe hydrogéné..
Dans ce mode de réalisation, la couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ est une couche en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque, c’est-à-dire non dopée. La couche en silicium amorphe hydrogéné 2 présente une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm. A l’issue de l’étape 101’, on obtient un empilement 5 comportant :
Un substrat 1 en silicium cristallin ; - Une couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ déposée sur le substrat.
En référence à la figure 4b, le procédé comporte ensuite une étape 102’ de dopage de la couche en silicium amorphe hydrogéné de façon à réaliser une couche en silicium amorphe hydrogéné dont la surface est dopée n. Pour cela, le dopage de la couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ est réalisé par implantation ionique à partir d’un gaz précurseur. Le gaz précurseur 4 est du PH3. Le gaz précurseur comporte une dose en ions dopants comprise entre 1015 et 1016 cm"2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm"2.
Le gaz précurseur est transformé en plasma. L’empilement 5 est immergé dans ce plasma. Pour cela, le plasma est de préférence formé dans une chambre contenant l’empilement 5. Un potentiel négatif est ensuite appliqué à l’empilement de façon à ce que des ions dopants du plasma pénètrent dans la couche en silicium amorphe hydrogéné 2’. L’implantation ionique est effectuée à une énergie inférieure à 2000V et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V.
En référence à la figure 4c, le procédé comporte ensuite une étape 103’ de recuit au cours de laquelle l’empilement est chauffé à une température comprise entre 150 et 350°C, et de préférence entre 200 et 300 °C pendant une durée de préférence comprise entre 15 minutes 30 minutes, afin de récupérer la passivation de la couche en silicium amorphe hydrogéné dopé n tout en conservant une bonne conductivité pour cette couche.
Ce procédé permet d’obtenir une hétérojonction qui peut être utilisée pour la réalisation d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction puisque l’hétérojonction ainsi obtenue présente les propriétés suivantes :
La couche en silicium amorphe hydrogéné présente une épaisseur compatible avec une utilisation dans une cellule photovoltaïque puisqu’elle est comprise entre 5 et 30 nm ; L’hétérojonction présente un niveau de passivation suffisant pour une utilisation dans une cellule photovoltaïque à hétérojonction puisqu’elle présente une tension de circuit ouvert i-V0C supérieure à 700 mV ;
La couche en silicium amorphe hydrogéné présente une conductivité suffisante pour une utilisation dans une cellule photovoltaïque puisqu’elle présente une conductivité supérieure à 104 Ω1 cm"1. Résultats expérimentaux :
La figure 5 représente un substrat obtenu par un procédé analogue au procédé décrit en référence aux figures 4a à 4c.
Le procédé a été mis en oeuvre dans le cas particulier où le substrat en silicium cristallin 1 de 280 pm est poli de façon à présenter une faible rugosité de surface.
Une première couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ est déposée sur une première face 7 du substrat en silicium cristallin 1. La première couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ présente une épaisseur de 25 nm. Une deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné 6 est déposée sur une deuxième face du substrat 8 en silicium cristallin. La deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné 2 présente une épaisseur de 25 nm.
Du phosphore est implanté dans la première couche en silicium amorphe hydrogéné 2’ à partir d’un gaz précurseur par un procédé d’implantation ionique par immersion plasma à 1500 V. Le gaz précurseur est du PH3 contenant une dose en ions dopants égale à 1016 cm'2.
La seconde couche en silicium amorphe hydrogéné 6 n’est pas dopée.
On obtient alors un empilement 9 comportant : - Une première couche en silicium amorphe hydrogéné dopée n 2’ ; - Un substrat en silicium cristallin 1 ; - Une deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné non dopée 6. A l’issue de l’étape de dopage : - la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée n 2’ présente une conductivité de 2.104 Ω'1 cm'1 ; - l’empilement 9 présente une tension de circuit ouvert i-V0C égale à 570 mV.
Suite à l’étape de dopage, l’empilement 9 est recuit à 250°C pendant 30 minutes. A l’issue de l’étape de recuit : - la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée n « doped a-Si-H » 2’ présente une conductivité de 4.10'4 Ω'1 cm'1 ; - l’empilement 9 présente une tension de circuit ouvert i-V0C égale à 700 mV.
Le procédé permet donc bien d’obtenir une hétérojonction dont les propriétés sont compatibles avec une utilisation dans une cellule photovoltaïque.
Procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque :
Un procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque va maintenant être décrit en référence aux figures 6a à 6b.
La cellule photo voltaïque est réalisée à partir d’un substrat en silicium cristallin 1.
Le procédé comporte une première étape 201 de réalisation d’une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé p 2 sur une première face 7 du substrat 1. Cette couche en silicium amorphe hydrogéné dopé p est réalisée par le procédé décrit en référence aux figures 2a à 2c.
Le procédé comporte ensuite une étape 202 de réalisation d’une couche en silicium amorphe hydrogéné dopé n 2’ sur une deuxième face 8 du substrat 1. Cette couche en silicium amorphe hydrogéné dopé n 2’ est réalisée par le procédé décrit en référence aux figures 4a à 4c.
On obtient alors l’empilement représenté sur la figure 6d. Cet empilement comporte : une première couche 2 en silicium amorphe hydrogéné dont au moins une partie est dopée p ; - un substrat 1 en silicium cristallin ; - une première couche 2 en silicium amorphe hydrogéné dont au moins une partie est dopée n.
Le procédé comporte ensuite une étape 203 de dépôt d’une couche d’oxyde transparent conducteur TCO sur chacune des couches en silicium amorphe hydrogéné dopé 2, 2’.
Le procédé comporte ensuite une étape 204 de réalisation de contacts métalliques 11 sur chaque couche en oxyde transparent conducteur TCO.
Naturellement, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l’invention. Ainsi, la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée n pourrait être réalisée avant la couche en silicium amorphe hydrogéné dopée p. Par ailleurs, au lieu de réaliser deux étapes de recuit lors du procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque, on pourrait ne réaliser qu’une seule étape de recuit suite à la deuxième étape de dopage.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d’une hétérojonction pour cellule photovoltaïque, le procédé comportant les étapes suivantes : (101, 101’) dépôt d’une couche en silicium amorphe hydrogéné (2, 2’) sur un substrat en silicium cristallin de façon à former un empilement, la couche en silicium amorphe hydrogéné (2, 2’) présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - (102, 102’) dopage d’au moins une partie de la couche en silicium amorphe hydrogéné (2, 2’) par implantation ionique, l’implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d’un gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1Q17 cm 2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm-2; (103, 103 ) puis recuit à une température comprise entre 150°C et 350°C, et de préférence entre 200 et 300°C, pendant une durée comprise entre 5 minutes et 3 heures.
- 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape de dopage (102, 102’) par implantation ionique comporte les sous étapes suivantes : - transformation du gaz précurseur en plasma ; - immersion de l’empilement (5) dans le plasma ; - application d’un potentiel à l'empilement de façon à implanter des ions dans l’empilement.
- 3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape de recuit est effectuée sous atmosphère ambiante.
- 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le gaz précurseur comporte du B2Hs.
- 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la durée de recuit est comprise entre 30 minutes et 1 h30.
- 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le gaz précurseur comporte du PHs.
- 7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la durée de recuit est comprise entre 15 et 30 minutes.
- 8. Procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction, le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque comportant une étape de réalisation d’une hétérojonction par un procédé de fabrication selon l’une des revendications précédentes.
- 9. Procédé de fabrication d’une cellule photovoltaïque selon la revendication précédente, le procédé comportant les étapes suivantes : - (a) dépôt d’une première couche en silicium amorphe hydrogéné (2) sur une première face (7) d’un substrat en silicium cristallin (1), la première couche en silicium amorphe hydrogéné (2) présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - (b) dopage d’au moins une partie de la première couche en silicium amorphe hydrogéné (2) par implantation ionique, l’implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d’un premier gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1017 cm-2, et de préférence entre 101S et 1016 cm'2, le premier gaz précurseur comportant du B2H6; (a1) dépôt d’une deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné (2’) sur une deuxième face (8) d’un substrat en silicium cristallin (1), la deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné (2’) présentant une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm, et de préférence entre 15 et 25 nm ; - (b1) dopage d’au moins une partie de la deuxième couche en silicium amorphe hydrogéné (2’) par implantation ionique, l’implantation ionique étant effectuée à une énergie inférieure à 2000 V, et de préférence comprise entre 1000 et 1500 V, à partir d’un deuxième gaz précurseur comportant une dose en ions dopants comprise entre 1014 et 1017 cm 2, et de préférence entre 1015 et 1016 cm 2, le deuxième gaz précurseur comportant du PH3 ; - {c’5 puis recuit à une température comprise entre 150°C et 350°C, et de préférence entre 200 et 300°C, pendant une durée comprise entre 5 minutes et 3 heures.
- 10. Procédé selon la revendication précédente, comportant en outre une étape (c) de recuit entre les étapes (b) et (a’).
- 11. Procédé seion l’une des revendications 8 à 10, comportant en outre les étapes suivantes (203) une étape de dépôt d’une couche d’oxyde transparent conducteur (10) sur chaque couche en silicium amorphe hydrogéné dopé {2, 2') ; - (204) une étape de formation d’au moins un contact métallique (11) sur chaque couche d'oxyde transparent conducteur (10).
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