Diminution de la quantité d'Indium dans les cellules SHJ en vue d’améliorer la performance, la durabilité et la dépendance aux éléments rares

La technologie de cellules solaires dite à « hétérojonction de silicium » (SHJ) est la technologie basée sur un absorbeur en silicium atteignant les plus hauts rendements de conversion, avec un record à 27,09%. L’hétérojonction de silicium est actuellement en plein développement industriel, avec des annonces de fabrication d’usines pour une capacité totale > 218 GW. Néanmoins, la production de cellules SHJ risque d’être confrontée à des problèmes d’approvisionnement de certains matériaux : cette production pourrait être limitée à 37-95 GW/an par les ressources en indium (In). L’indium est utilisé dans les couches de TCO (oxyde transparent conducteur) utilisées de chaque côté des cellules SHJ, principalement sous forme d’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO) pour ses excellentes propriétés opto-électriques (transparence et conductivité). Afin que la production de cellules SHJ soit plus durable, il est donc nécessaire de trouver des solutions pour diminuer la dépendance à l’indium.Ces travaux de thèse cherchent donc à trouver des solutions pour diminuer les quantités d’indium utilisées dans les cellules SHJ, sans perte de rendement ni de fiabilité en environnement module, avec des procédés compatibles avec une production industrielle. Deux solutions seront ici investiguées.Premièrement, l’utilisation de couches ultrafines d’ITO (< 15 nm contre les 100 nm classiquement utilisés) couplées à des couches SiN:H sera investiguée. Nous verrons que, grâce à l’utilisation de couches sélectives alternatives en face avant ((n) nc-Si:H), il est possible d’utiliser des couches d’ITO jusqu’à 15 nm en face avant sans pertes de rendement à l’échelle module (-85 % d’In en face avant), avec de plus une résistance accrue aux UV et une tenue à l’humidité comparable aux modules de référence. Cette solution a cependant entraîné des pertes en rendement non négligeables (-0,3%abs) pour la face arrière à cause de pertes résistives, qui pourraient potentiellement être limitées enutilisant des couches (p) nc-Si:H en face arrière.La seconde solution explorée est l’utilisation d’un TCO ne contenant pas d’indium : l’AZO (oxyde de zinc dopé à l’aluminium). Nous verrons que la plus faible transparence de l’AZO s’est révélée problématique pour l’obtention de rendements de conversion satisfaisants, mais qu’en utilisant des couches plus fines en face avant (30 nm), couplées à des couches SiN:H, des rendements comparables aux cellules de référence ont été atteints (-100 % In en face avant). Pour la face arrière, la faible transparence des couches d’AZO ne nous aura pas permis d’atteindre des rendements satisfaisants. Néanmoins, il est connu que l’AZO souffre de dégradations importantes lors d’une exposition à l’humidité. Nous avons icimontré que lorsque les couches d’AZO sont intégrées en face arrière, la tenue à l’humidité est satisfaisante, et qu’elle est améliorée lorsqu’une couche d’ITO de 10 nm est déposée sur les couches d’AZO. Toutefois, lorsque des couches fines d’AZO sont utilisées en face avant et couplées aux couches SiN:H, de fortes pertes de FF apparaissent après 500 h de tests en chaleur humide. L’utilisation de couches diélectriques alternatives ou des changements d’architecture module pourrait permettre de solutionner cela.