High-efficiency Si solar cell including tunnel junction for tandem photovoltaic cells
Cellule solaire Si à haut rendement avec jonction tunnel pour cellules photovoltaïques en tandem
Résumé
2-terminal (2T) crystalline silicon (c-Si) based tandem solar cell is an approach to overcome the Shockley-Queisser efficiency limit of single-junction solar cells. The objective of this thesis is to fabricate a low-resistance c-Si tunnel junction and implement it as the interconnection in 2T Si-based tandem solar cells. The proximity rapid thermal diffusion technique is applied in this work to fabricate the Si tunnel junctions with a damage-free surface. The fabrication and characterization of p++/n++ tunnel junction on (111)-oriented Si wafer are presented. Several parameters of the tunnel junction fabrication process are investigated. The adjustment of the n++ emitter by a two-step rapid thermal annealing has effectively facilitated the fabrication of the p++/n++ tunnel junction. Si tunnel diodes have been fabricated to characterize the electrical properties of tunnel junctions. The peak current density of the tunnel diodes is within the range of 140-192 A/cm2 with a peak to valley current ratio of 1.9-3.2. Afterwards, the p++/n++ tunnel junction was implemented in III-V nanowires/Si tandem solar cells. Despite the defectuosity of the nanowires array, an increase of the open-circuit voltage was observed in tandem solar cells in comparison with that of sole single-junction Si solar cells. The fabricated tunnel junctions can be integrated with other top cell materials such as perovskites and copper indium gallium selenide. The application of Si tunnel junctions obtained by proximity rapid thermal diffusion will improve the development of competitive high-efficiency c-Si based tandem solar cells.
La cellule photovoltaïque tandem à base de silicium cristallin (c-Si) avec 2 terminaux (2T) est une solution permettant de dépasser la limite de Shockley-Queisser. L'objectif de ce travail de thèse est de réaliser une jonction tunnel en c-Si présentant une résistance faible afin de l’intégrer comme interconnexion des 2 sous-cellules constitutives de la tandem. La technique de diffusion thermique rapide par proximité est appliquée pour fabriquer les jonctions tunnel en silicium en minimisant les dommages causés à la surface du SIlicium. La fabrication et la caractérisation de la jonction tunnel p++/n++ sur un substrat de silicium orienté (111) sont présentées. Plusieurs paramètres du processus de fabrication de la jonction tunnel sont étudiés. L'ajustement de l'émetteur n++ par un recuit thermique rapide en deux étapes a effectivement facilité la réalisation de la jonction tunnel p++/n++. Des diodes tunnel en silicium ont été fabriquées pour caractériser les propriétés électriques des jonctions tunnel. Le pic de densité de courant des diodes tunnel se situe entre les valeurs 140 et 192 A/cm2 avec un ratio de courant de pic à vallée de 1,9 à 3,2. Par la suite, cette jonction tunnel p++/n++ a été intégrée dans des cellules photovoltaïques tandem nanofils III-V/Si. Malgré la défectuosité des réseaux de nanofils, une augmentation de la tension de circuit ouvert a été observée dans les cellules photovoltaques tandem par comparaison avec celle de la cellule solaire à simple jonction. Ce type de jonction tunnel peut également être intégré à d'autres types de cellules en dessus, par exemple les pérovskites ou le CIGS. L'application de jonctions tunnel en Si obtenues par la technique de diffusion thermique rapide à proximité pourrait faciliter le développement de cellules photovoltaïques tandem compétitives à haut rendement à base de c-Si.
Origine : Version validée par le jury (STAR)