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L'objectif d'amélioration des performances de cellules solaires sur des substrats de silicium cristallin de plus en plus en minces (< 200 µm) est indispensable à la réduction des coûts du module et donc à l'essor du photovoltaïque à l'échelle mondiale. Cette thèse se propose de répondre à la problématique d'amincissement des plaquettes sur substrats monocristallins (Cz) de type p de grande surface (239 cm2 - 180 µm) par le développement d'une structure en face arrière capable de générer un rendement de conversion élevé tout en limitant le degré de complexité du procédé de fabrication de la cellule. La solution explorée est celle des cellules à face arrière passivée et contacts localisés et les schémas de passivation étudiés s'appuient sur l'utilisation d'empilements diélectriques à base d'oxydes de silicium (SiO2) et d'aluminium (Al2O3) couplés au nitrure de silicium (SiNx). Ces travaux ont pour objectif d'optimiser les propriétés de passivation des couches diélectriques tout autant que les briques technologiques nécessaires à leur intégration dans la structure de cellule finale (conditionnement de surface, ablation laser sélective, métallisation par sérigraphie). Le procédé de fabrication résultant a permis d'obtenir des cellules avec un rendement de conversion de 19.1% pour l'empilement SiO2/SiNx. Il est cependant démontré que les limitations des performances de cette structure peuvent être partiellement compensées en introduisant une couche d'alumine, permettant d'atteindre un rendement remarquable de 19.5% (+0.4% par rapport à une structure standard). / Improving the solar cell efficiency on thin wafers (< 200 µm) has become a must in the industry in order to reduce the module cost and enhance the photovoltaics field growth worldwide. This work addresses the issues regarding the thickness reduction of large monocrystalline p-type wafers (239 cm2 - 180 µm) by developing a back side architecture capable of increasing the efficiency while limiting the cell fabrication level of complexity. Thus back passivated and local contacts, also known as PERC-type, solar cells are investigated. Those include passivation schemes relying on the use of dielectric stacks based on silicon oxide (SiO2), aluminum oxide (Al2O3) both coupled with silicon nitride layers (SiNx). This PhD study attempts to carry out an optimization of the passivation properties as well as of the technological steps required for a proper integration in the final cell structure (surface preparation, selective laser ablation, screen-printing metallization). The resulting optimized process led to the fabrication of solar cells displaying an 19.1% conversion efficiency by using SiO2/SiNx layers. Nevertheless it was shown evidence that the limited electrical performances can be overcome by introducing an Al2O3 layer, eventually reaching a remarkable 19.5% efficiency. This represents an absolute gain efficiency of +0.4% compared to the standard full-area Al-BSF solar cell architecture.

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Les travaux présentés dans cette thèse consistent à concevoir des modules à haut rendement et à bas coûts. Des modules intégrés réalisés à partir de sous-cellules découpées ont été réalisés. Ces sous-cellules sont inspirées de la technologie PERC. La réduction du coût de production en simplifiant le procédé de fabrication et en diminuant la quantité de matériaux utilisés a été étudiée. L’augmentation des rendements a été observée en ouvrant la face arrière des cellules, ce qui leur confère la bifacialité, et en utilisant des moyens performants pour la réalisation des émetteurs. Dans un second temps, l’augmentation de la puissance des modules a été étudiée en s’inspirant de l’i-Cell développée par la société S’Tile pour réduire fortement les pertes résistives traditionnellement observées dans les modules classiques. La même étude a été réalisée à partir de cellules IBC spécialement conçues pour être découpées en sous-cellules et ainsi assemblées en modules. Ces cellules ont été développées pour être compatibles avec des procédés industriels de production de masse, permettant de réduire le coût de production par rapport à des cellules IBC conventionnelles. Les sous-cellules obtenues après découpe ont été connectées pour obtenir des modules photovoltaïques bifaciaux permettant l’obtention de hauts rendements. De cette manière, deux voies possibles sont explorées pour l’amélioration des rendements et la diminution des coûts des modules photovoltaïques. / The work presented here is aimed to produced high-efficiency, low-cost photovoltaic silicon solar modules. Integrated modules have been carried out from laser-cut sub-cells. These cells have been produced using the PERC cell technology. The reduction of production costs have been studied by simplifying the manufacturing processes and by decreasing the quantity of materials used. An increase in efficiency has been observed by opening the rear side of the cells, making them bifacial, and by using advanced means in order to realize the cell emitters. The increase of produced power has been studied by using sub-cells in order to reduce the resistive losses measured in standard modules. The same study has been carried out with IBC solar cells. These cells have been designed to be separated in sub-cells by laser scribing, and to be produced with means compatible with mass production only, thus decreasing the cost. The sub-cells obtained after laser scribing have been connected in order to obtain bifacial photovoltaic modules producing high electrical power. In this way, two possible paths towards high efficiency and low cost modules have been studied.

During welding, the regions adjacent the welds, which can reach high temperatures cause microstructural changes in austenitic steels, thereby increasing the susceptibility to intergranular corrosion, due to the reduction of chromium in adjacent zones over the grain boundaries, rich in precipitates chromium carbides (Cr23C6). A study of the influence of heat input on the sensitization is of great value and interest in various activities, such as in chemical, petroleum, petrochemical, marine, automobile, etc.. Thus, we studied the effect of the amount of heat (energy welding) on the amplitude of the sensitized area, welding of steel free from carbide. For this, we used together with optical microscopy, the technique of polarization PotenciocinÃtica Cyclic Electrochemical Reactivation (PERC), the determination and classification of regions sensitizadas and their resulting structures. / Durante a soldagem, as regiÃes adjacentes Ãs soldas, alcanÃam elevadas temperaturas que podem ocasionar mudanÃas microestruturais nos aÃos austenÃticos, aumentando assim a susceptibilidade à corrosÃo intergranular, em virtude da diminuiÃÃo de cromo em zonas adjacentes ao longo dos contornos de grÃo, ricas em precipitados de carbonetos de cromo (Cr23C6). Um estudo da influÃncia da energia de soldagem sobre a sensitizaÃÃo à de grande valia e interesse nas mais variadas atividades, como por exemplo, nas indÃstrias quÃmicas, petrolÃferas, petroquÃmicas, navais, automobilÃsticas, etc. Desta forma, estudou-se a influÃncia da quantidade de calor (energia da soldagem) sobre a amplitude da regiÃo sensitizada, na soldagem de aÃos livres de carbonetos. Para isto, utilizou-se juntamente com a microscopia Ãtica, a tÃcnica de PolarizaÃÃo EletroquÃmica de ReativaÃÃo PotenciocinÃtica CÃclica (PERC), na determinaÃÃo e classificaÃÃo das regiÃes sensitizadas e suas estruturas resultantes.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Os efeitos do envelhecimento a 400oC e 475oC na resistÃncia à corrosÃo, nas propriedades mecÃnica e magnÃtica em trÃs tipos de aÃos inoxidÃveis ferrÃticos com alto teor de MolibdÃnio foram investigados. O endurecimento causado pela presenÃa de fase &#945;â apÃs a exposiÃÃo em ambas temperaturas foi medido, tendo sido observado que à mais intenso a 475ÂC. A susceptibilidade à corrosÃo localizada aumentou com o tempo de envelhecimento nas duas temperaturas, sendo tambÃm mais significativa a 475ÂC do que a 400ÂC. Comparando com o aÃo inoxidÃvel AISI 444, estes aÃos, com alto teor de MolibdÃnio, apresentaram maior resistÃncia à corrosÃo. Os efeitos nos espectros de MÃssbauer tambÃm foram analisados.

In dieser Arbeit wurden zunächst zwei Charakterisierungsmethoden zur zerstörungsfreien Detektion von Voids in lokalen Rückseitenkontakten bei PERC Solarzellen vorgestellt, die akustische Mikroskopie und die Computertomografie. Beide Messmethoden wurden anhand von Proben mit unterschiedlichen Al-Pasten getestet und mit beiden Messmethoden können Voids sehr gut erkannt werden. Zur Vermeidung von Voidbildung konnte der positive Einfluss der Siliziumbeimischung in die Al-Paste bestätigt werden. Desweiteren konnte anhand unterschiedlicher RTP Feuerprofile gezeigt werden, dass durch eine verlangsamte Aufheizphase die Bildung von Voids deutlich reduziert werden kann, während die Abkühlphase nur einen geringen Einfluss auf die Voidbildung zeigt. Mithilfe eigens hergestellter Al-Pasten, mit unterschiedlichen Al-Partikelgrößen, wurde gezeigt, dass Al-Pasten mit einer Mischung aus kleinen und großen Al-Partikeln ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Ausbildung von Voids haben können.

Le coût de fabrication des modules photovoltaïques est un point critique pour implanter l’énergie solaire dans le mix énergétique. L’un des moyens d’abaisser ce coût est la réduction de l’épaisseur de silicium utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Il est techniquement possible de produire des cellules photovoltaïques en silicium cristallin d’une épaisseur de quelques dizaines de micromètres d’épaisseur seulement, bien que cela représente un défi à la fois pour le procédé de fabrication de telles cellules et pour leur optimisation. Celle-ci est différente des cellules d’épaisseur conventionnelle notamment par le besoin d’un piégeage optique et d’une passivation de surface de haut niveau. Cet aspect sera étudié au travers de deux structures : un réflecteur en face arrière de la cellule, et un procédé de texturisation innovant pour limiter la gravure du silicium de la cellule, déjà mince. Enfin, l’implantation du réflecteur dans des cellules photovoltaïques sera traitée. L’optimisation du réflecteur considéré pour des cellules minces en silicium cristallin a montré de très bonnes propriétés réfléchissantes et de passivation de surface, ainsi qu’une compatibilité avec l’ensemble des étapes du procédé de fabrication. Ensuite, la texturisation avancée développée dans ce travail a montré un gain potentiel important en photogénération pour des cellules de faible épaisseur. La caractérisation de ces structures a montré des performances optiques et électriques comparables à l’état-de-l’art. Enfin, la fabrication de cellules photovoltaïques d’épaisseur standard utilisant le procédé développé pour les cellules minces a montré le gain du réflecteur développé pour la face arrière par rapport à une structure classique de cellule. De plus, la réalisation de ces cellules avec le procédé destiné aux cellules minces a permis d’établir que les étapes non-standard du procédé sont compatibles avec l’obtention de cellules photovoltaïques performantes. / The cost of fabrication of photovoltaic modules is a critical figure for settling solar power into the energy mix. One way to lower this cost is to decrease silicon use in photovoltaic cells. It is technically possible to produce crystalline silicon solar cells only a few dozens of microns thick, although this represents a challenge both for their fabrication process and their optimization. This last one is different from cells of standard thickness, especially by the need of high level light trapping and surface passivation. Two structures will be studied in order to fulfill these aspects : a reflector on the rear side of the cell, and an innovative texturing process used to limit the etching of the already thin silicon absorber. Eventually, the implementation of the rear side reflector into photovoltaic cells will be discussed. The rear side reflector optimized for thin-film crystalline silicon solar cells has shown very good passivating and reflecting properties, as well as compatibility with the overall fabrication process. Moreover, the advanced texturation process developped in this work has shown a large potential gain in photogeneration for thin solar cells. These structures have been characterized and have shown a reflectivity and a passivation level coherent with the state-of-the-art. Finally, solar cells of standard thickness have been fabricated with the thin solar cells process, and have shown an improvement from the rear side reflector in comparison with a standard cell structure. Moreover, making these cells with the thin cells process has shown that the non-standard steps of this process are compatible with high-performance solar cells fabrication.

[EN] Crystalline silicon solar cell performance and durability is highly influenced by substrate structure and composition. In this sense, the presence of impurities and lattice imperfections degrades the electrical behavior of the substrates limiting the power conversion efficiency potential of photovoltaic devices. The influence of material electrical behavior on device performance, is further increased in next generation silicon solar cells demanding high quality substrates to reach high efficiency. A industrial-like Czochralski (Cz) p-type, ingot was grown and sawed in wafers with resistivity ranging from 0.7 Ohm.cm to 2.1 Ohm.cm and thicknesses of 200 µm. The characterization of the radial and longitudinal distribution of resistivity as well as carbon, oxygen and iron content lead to a broad characterization ot the impurity distribution at the ingot level. The low carbon content ([C]<5E15 cm-3) contrasts with remarkable high interstitial oxygen (Oi). On the other hand, while effective carrier lifetime is not significativelly affected by the high Oi content, low Fei concentrations in the ingot tail ([Fei]>1E11 cm-3) and surface ([Fei]>1E12 cm-3) led to significant lifetime degradation. In addition, lifetime mapping of the tail of the ingot showed high density of crystal dislocations. The influence of the boron and phosphorus diffusion on the electrical performance of silicon substrates was studied. Phosphorus diffusion from a POCl3 source showed a beneficial effect on lifetime that was associated with the reduction of Fei content (external gettering effect). On the other hand, boron diffusion from a BCl3 source revealed a detrimental effect that could be related to a substantial increase of [Fei] in the range of one order of magnitude. A process sequence including consecutive boron and phosphorus diffusions showed a substantial degradation of lifetime at the ingot top that could be explained by Oi precipitation rings. The influence of the crystal defects, found at the ingot tail, on lifetime degradation after the diffusion processes was also confirmed. Al-BSF cells were manufactured from a batch of wafers extracted along the ingot with efficiencies ranging between 17.8% and 18.2% and showing low dependence of solar cell performance on the solidified fraction of the ingot. Internal Quantum Efficiency (IQE) and minority carrier diffusion length (Ld) mappings further confirmed the external gettering effect developed by the phosphorus diffusion. In a further stage, Passivated Emiteer Rear Totally-diffused (PERT) cells were manufactured with efficiencies in the range of 18.8% and 19.6%. As opposed to Al-BSF cells, electrical parameters of PERT cells were influenced by solidified fraction with a reduction of cell performance near the top and tail of the ingot. In a later stage, an additional batch of solar cells of three different architectures, including Al-BSF, PERT and Passivated Emitter Rear Contact (PERC), was successfully manufactured from the same region of a Cz boron-doped ingot. Real time monitoring of the Voc enabled the study of the influence of the cell architecture on the Light Induced Degradation (LID) and Regeneration (LIR) kinetics and amplitudes. Strong correlation between the cell architectures and the degradation amplitude were observed with higher efficiency losses for PERC cells mainly due to a higher sensibility to bulk carrier lifetime degradation. In addition, the potential of LIR processes to permanently suppress the LID effects on the studied solar cell architectures was confirmed. Main causes driving the influence of the architecture in LID amplitude and LIR kinetics were further investigated. / [ES] Las características de los substratos sobre los que son fabricadas las células fotovoltaicas cristalinas constituyen un elemento fundamental en su comportamiento y durabilidad. En este sentido, la presencia de impurezas e imperfecciones en la red cristalina reduce el comportamiento eléctrico de los substratos limitando el potencial de generación eléctrica de las células. Esta limitación se acrecienta en las células de nueva generación, en las que su potencial para aumentar la eficiencia de conversión fotovoltaica solo puede hacerse efectivo al utilizar substratos con altas prestaciones eléctricas. En la presente investigación se ha procedido a la cristalización mediante la técnica Czochralski (Cz) de un lingote monocristalino, tipo p con resistividad en el rango de 0.7-2.1 Ohm.cm y tamaño industrial. Su posterior corte en obleas de 200 µm de espesor nominal ha permitido disponer de obleas distribuidas a lo largo del lingote en una fracción solidificada entre el 2.0% y el 99.4%. La caracterización del lingote ha incluido la medida de la resistividad así como la reconstrucción longitudinal y radial de su concentración en carbono, oxígeno y hierro. El reducido contenido en carbono obtenido ([C]<5E15 cm-3) contrasta con una elevada concentración en oxígeno intersticial (Oi) sin efectos apreciables en las propiedades eléctricas del lingote. Contrariamente, la reducción del tiempo de vida efectivo en la periferia y cola del lingote, es atribuido al aumento de la concentración en hierro intersticial [Fei] en dichas regiones. El estudio de la influencia de las difusiones en la evolución de las propiedades eléctricas del material incluyó difusiones de boro y fósforo mediante BCl3 y POCl3. El estudio ha constatado el efecto benéfico de la difusión de fósforo en la periferia del lingote asociado a la reducción del contenido en Fei. Por el contrario, se ha constatado el efecto perjudicial de la difusión de boro explicado en buena medida por un aumento superior a un orden de magnitud en [Fei]. La aplicación sucesiva de difusiones de boro y fósforo ha revelado una degradación apreciable en la cabeza del lingote tras la aparición de patrones circulares en la medida del tiempo de vida característicos de la precipitación de Oi. Se ha podido constatar la influencia de la elevada densidad de dislocaciones, observada en la cola del lingote, en la respuesta del substrato ante las difusiones. La fabricación de células de tecnología Al-BSF, con eficiencias comprendidas entre 17.8% y 18.2%, ha evidenciado una reducida influencia de las variaciones de las propiedades eléctricas del substrato en el comportamiento de las células finales. A su vez, la cartografía de la eficiencia quántica interna (IQE) y de la longitud de difusión (Ld) ha confirmado el efecto benéfico de la difusión de boro en la periferia y cola del lingote. La fabricación de células Passivated Emiteer Rear Totally-difused (PERT), ha permitido la obtención de dispositivos con eficiencias entre 18.8% y 19.6%. Las eficiencias muestran valores máximos en el centro del lingote y una reducción apreciable en la cabeza y cola.En una última etapa, se ha procedido a la fabricación de arquitecturas de células fotovoltaicas Al-BSF, PERT y Passivated Emitter Rear Contact (PERC), con el objetivo de estudiar los procesos de degradación y regeneración asociados a la formación de pares boro-oxígeno (B-O). El estudio de la evolución de Voc con el tiempo ha constatado una dependencia de la amplitud de degradación y cinética de regeneración con la arquitectura de célula. En este sentido se ha observado una degradación significativamente superior en las células PERC principalmente atribuible a una mayor sensibilidad a degradaciones de la calidad del substrato. A su vez se ha confirmado el potencial de los procesos de regeneración inducidos por la luz para suprimir de manera permanente los efectos de la degradación inducida por la for / [CAT] Les característiques dels substrats sobre els quals són fabricades les cèl·lules fotovoltaiques cristal·lines constitueixen un element fonamental en el seu comportament i durabilitat. En aquest sentit, la presència d'impureses i imperfeccions en la xarxa cristal·lina redueix el comportament elèctric dels substrats limitant el potencial de generació elèctrica de les cèl·lules. Aquesta limitació es veu augmentada en les cèl·lules de nova generació, en què el seu potencial per augmentar l'eficiència de conversió fotovoltaica només pot fer-se efectiu mitjançant la utilització de substrats amb altes prestacions elèctriques. En la present investigació s'ha procedit a la cristal·lització mitjançant la tècnica Czochralski (Cz) d'un lingot monocristal·lí, tipus p amb resistivitat en l'interval de 0.7-2.1 Ohm.cm i mida industrial. El seu posterior tall en oblees de 200 micres de gruix nominal ha permès disposar d'oblees distribuïdes al llarg del lingot en una fracció solidificada entre el 2.0% i el 99.4%. La caracterització exhaustiva del lingot ha inclòs la mesura de la resistivitat així com la reconstrucció longitudinal i radial de la concentració en carboni, oxigen i ferro. El reduït contingut en carboni obtingut ([C]<5E15 cm-3) contrasta amb una elevada concentració d'oxigen intersticial (Oi) sense efectes apreciables en les propietats elèctriques del lingot. Contràriament, la reducció del temps de vida efectiu dels portadors de càrrega a la perifèria i cua del lingot, és atribuïda a l'augment de la concentració en ferro intersticial [Fei] en aquestes regions. L'estudi de la influència de les difusions en l'evolució de les propietats elèctriques del material va incloure difusions de bor i fòsfor mitjançant BCl3 i POCl3. L'estudi ha constatat l'efecte benèfic de la difusió de fòsfor en la perifèria del lingot associat a la reducció del contingut en Fei. Per contra, s'ha constatat l'efecte perjudicial de la difusió de bor explicat en bona mesura per un augment superior a un ordre de magnitud en [Fei]. L'aplicació successiva de difusions de bor i fòsfor ha revelat una degradació apreciable en el cap del lingot després de l'aparició de patrons circulars en la mesura del temps de vida efectiu característics de la precipitació d'Oi. Igualment s'ha pogut constatar la influència d'una elevada densitat de dislocacions, observada a la cua del lingot, en la resposta del substrat davant les difusions. La fabricació de cèl·lules de tecnologia A-BSF, amb eficiències compreses entre 17.8% i 18.2%, va permetre evidenciar una reduïda influència de les variacions de les propietats elèctriques del substrat en el comportament de les cèl·lules finals. Al mateix temps, la cartografia de l'eficiència quàntica interna (IQE) i de la longitud de difusió (Ld) ha confirmat l'efecte benèfic de la difusió de bor en la perifèria i cua del lingot. La fabricació de cèl·lules Passivated Emiteer Rear Totally-difused (PERT), ha permès l'obtenció de dispositius amb eficiències entre 18.8% i 19.6%. Les eficiències mostren valors màxims al centre del lingot i una reducció apreciable en el cap i cua. En una última etapa, s'ha procedit a la fabricació d'arquitectures de cèl·lules fotovoltaiques Al-BSF, PERT i Passivated Emitter Rear Contact(PERC), amb l'objectiu d'estudiar els processos de degradació i regeneració associats a la formació de parells bor-oxigen (B-O). L'estudi de l'evolució de Voc amb el temps s'ha constatat una dependència de l'amplitud de degradació i cinètica de regeneració amb l'arquitectura de cèl·lula. En aquest sentit es va observar una degradació significativament superior en les cèl·lules PERC principalment atribuïble a una major sensibilitat a degradacions de la qualitat del substrat. Al mateix temps es va confirmar el potencial dels processos de regeneració induïts per la llum, per suprimir de manera permanent els efectes de la degradaci / Cascant López, M. (2016). INFLUENCIA DE LA COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LOS SUBSTRATOS DE SILICIO MONOCRISTALINO EN EL COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS CRISTALINAS DE ALTA EFICIENCIA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62356 / TESIS

In dieser Arbeit wurden zunächst zwei Charakterisierungsmethoden zur zerstörungsfreien Detektion von Voids in lokalen Rückseitenkontakten bei PERC Solarzellen vorgestellt, die akustische Mikroskopie und die Computertomografie. Beide Messmethoden wurden anhand von Proben mit unterschiedlichen Al-Pasten getestet und mit beiden Messmethoden können Voids sehr gut erkannt werden. Zur Vermeidung von Voidbildung konnte der positive Einfluss der Siliziumbeimischung in die Al-Paste bestätigt werden. Desweiteren konnte anhand unterschiedlicher RTP Feuerprofile gezeigt werden, dass durch eine verlangsamte Aufheizphase die Bildung von Voids deutlich reduziert werden kann, während die Abkühlphase nur einen geringen Einfluss auf die Voidbildung zeigt. Mithilfe eigens hergestellter Al-Pasten, mit unterschiedlichen Al-Partikelgrößen, wurde gezeigt, dass Al-Pasten mit einer Mischung aus kleinen und großen Al-Partikeln ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Ausbildung von Voids haben können.