Microcrystalline silicon solar cells: theory, diagnosis and stability - Sculati-Meillaud, Fanny (My University, 2006)
Cette thèse traite des cellules solaires en silicium microcristallin déposées par la technique du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à très haute fréquence (Very High Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, VHF PE-CVD). Le silicium microcristallin est un matériau composé d’une phase amorphe et de nanocristaux: différentes microstructures existent selon les conditions de fabrication et le type de matériau sur lequel la cellule solaire est déposée. Diverses techniques de caractérisation ont été employées dans ce travail comme outils de diagnostic pour des cellules solaires défectueuses, dans notre cas des cellules solaires présentant de basses valeurs du facteur de forme (FF). Un modèle de collection, à l'origine développé pour les cellules solaire en silicium amorphe, a été adapté pour les cellules solaires en silicium microcristallin, et les relations établies de façon empirique ont été comparées aux mesures réalisées sur diverses cellules solaires (série en dilution, série à cristallinité constante et des cellules solaires individuelles) Une excellente adéquation entre les prédictions et les mesures a ainsi été démontrée, mettant en évidence le pouvoir des outils de diagnostic développés et employés dans ce travail. En outre, un modèle original a été développé pour le calcul des limites supérieures des paramètres électriques des jonctions pin, en fonction de la bande d’énergie interdite du matériau. Nous avons ainsi mis en évidence que de larges gains en courant étaient encore possibles avec les cellules solaires en silicium microcristallin. Ensuite, la stabilité des cellules solaire en silicium microcristallin sous illumination et faisceau de protons a été étudiée au moyen de mesures électriques et optiques (absorption). Les cellules solaires en couche mince de silicium amorphe sont connues pour souffrir de l'effet Staebler-Wronski, qui correspond à une dégradation des paramètres électriques sous illumination. Cet effet est entièrement réversible sous recuits thermiques mais il représente, néanmoins, un facteur limitant concernant l'utilisation du silicium amorphe pour les cellules solaires. La stabilité des cellules solaires en silicium microcristallin, qui se composent en partie de silicium amorphe, était ainsi un sujet de haute importance: nous avons montré que les cellules solaires microcristallines dégradent, mais de façon plus lente et moindre que celles en silicium amorphe. Nous avons observé que l'amplitude de la dégradation induite par la lumière dépend de la cristallinité de l’échantillon: les cellules solaires avec une cristallinité moyenne (qui présentent l'efficacité de conversion la plus élevée) présentent une perte relative en efficacité de l'ordre de 5%. Finalement, la stabilité des cellules solaires microcristallines sous irradiation de protons de basse et haute énergie a également été étudiée: ici, nous avons prouvé que les cellules solaires en silicium microcristallin dégradent et récupèrent différemment selon l'énergie du faisceau de proton. Un modèle simple est proposé pour la dégradation des cellules solaires microcristallines, telle qu’induite par l’exposition à la lumière et aux protons de basse et haute énergie. Dans le cas de la dégradation lumineuse, nous concluons que les défauts créés se situent à la surface des nanocristaux, tandis que dans le cas de l’irradiation par protons les défauts sont créés à l’intérieur même des nanocristaux.
Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2006 ; 1903
Keywords: Cellules solaires en couche mince; silicium microcristallin; techniques de caractérisation; dégradation lumineuse; dégradation par protons; densité de défauts