Ingénierie de face arrière pour l’amélioration et la mise en module de cellules photovoltaïques ultraminces en silicium – INFIME

Le secteur photovoltaïque (PV) connaît depuis les années 1995 une croissance exponentielle, de l’ordre de 30 à 50%/an. Provenant à l’origine des rebuts de la filière microélectronique, la quantité de silicium pour application PV a dépassé depuis 2005 celle utilisée dans cette industrie. Beaucoup d’efforts sont investis actuellement dans l’augmentation des capacités de production de silicium de qualité électronique ou dans le développement de techniques de purification de silicium métallurgique à moindre coût. En parallèle, il apparaît important de réduire la consommation de silicium nécessaire à la production d’une cellule, afin de réduire la part du coût du matériau dans le coût final du module. Ce coût est actuellement de l’ordre de 50% pour la filière silicium multicristallin. Dans cette optique, l’épaisseur de la plaque de silicium constituant la cellule a été réduite au fil des ans pour passer de 350 µm à couramment 220 µm au niveau industriel. Des études montrent qu’à rendement de conversion équivalent, le passage d’une cellule de 220 à 120 µm pourrait conduire à une économie de 17% sur le prix final du module. Un problème se pose néanmoins lors de la réduction de l’épaisseur des cellules. Dans le procédé standard industriel, la technique dite du BSF (Back Surface Field) ou champ répulsif face arrière est utilisée. Le principe consiste à déposer une couche d’aluminium par sérigraphie sur toute la face arrière de la cellule. Lors du recuit des contacts, l’aluminium s’allie avec le silicium sur une profondeur de quelques µm, créant ainsi une zone dopée P+ en face arrière. Ceci entraîne la création d’un champ électrique qui va repousser les porteurs minoritaires (électrons) et limiter ainsi les recombinaisons des porteurs photogénérés. Néanmoins, cette technique présente deux limites importantes lors du passage aux plaques minces. Tout d’abord, un phénomène de courbure apparaît lié aux contraintes induites par l'alliage silicium/aluminium. Cette courbure est d’autant plus importante que le substrat est mince et engendre un taux de casse important à l’échelle industrielle lors de la soudure et de la mise en module. L’autre limite se situe au niveau de la passivation en face arrière qui devient insuffisante avec un BSF aluminium. En effet, la réduction de l’épaisseur du substrat tend à augmenter la densité de porteurs photogénérés au niveau de la face arrière, ce qui accroit l’impact de recombinaisons de surface. L’objectif de ce projet consiste donc à développer une solution adaptée à la réalisation de la face arrière de cellule minces (120µm) en silicium, permettant de s’affranchir des contraintes mécaniques, tout en garantissant une passivation surfacique et volumique suffisante. Trois structures différentes de cellule PV sont proposées pour réaliser ces objectifs. Elles seront développées en corrélation avec les contraintes de la mise en module et favorisera la collecte des photons. La réalisation et l’optimisation de cellules minces permettra au final une réduction du gramme de silicium nécessaire par watt PV produit (g/Wc).