Cette thèse s'est focalisée sur le développement et l'optimisation de techniques de métallisation électrochimique permettant le dépôt de métaux conducteurs, l'argent et le cuivre, par voie électrolytique ou par la technique dite LIP (Light-Induced Plating). Deux approches ont été abordées pour l'élaboration des contacts en face avant : l'épaississement de contacts sérigraphiés d'une part, et la réalisation de contacts entièrement par voie électrochimique sans recours à la sérigraphie. Pour cette dernière solution, le dépôt d'une couche d'accroche avant l'étape d'épaississement est nécessaire afin d'assurer une résistivité de contact faible, une bonne adhérence et une bonne sélectivité au travers de la couche anti-reflet. Ces objectifs ont été atteints grâce à la mise en œuvre et l'optimisation de dépôts electroless de nickel-phosphore (NiP), y compris sur émetteur peu dopé. Les investigations menées ont également permis une meilleure compréhension des mécanismes de formation du contact NiP/Si. La faisabilité des techniques de dépôt électrochimique a été démontrée pour diverses applications: cellules avec contacts électrochimiques NiP/Ag en face avant, cellules de type n, épaississement de contacts fins sérigraphiés... Des résultats très prometteurs d'amélioration de facteur de forme FF et de rendement η ont été obtenus et permettent d'envisager une ouverture potentielle vers de nouvelles structures de cellules photovoltaïques à haut rendement : cellules à émetteur peu dopé, cellules à émetteur sélectif avec ouverture laser de la couche anti-reflet, cellules à contacts arrières....

Cette thèse est axée sur la fabrication et l’optimisation d’une nouvelle structure permettant théoriquement d’améliorer les performances des cellules à base de silicium cristallin. Cette nouvelle architecture de cellule utilise la technologie des hétérojonctions de silicium a-Si:H/ c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts interdigités en face arrière (IBC). Le potentiel de rendement des cellules IBC Si-HJ est supérieur à 25%, mais leur fabrication nécessite une localisation des couches de a-Si:H de dopage différent et de leurs métallisations. L’intégration de ces étapes dans un procédé simplifié utilisant des techniques industrielles (PECVD, pulvérisation, sérigraphie et laser) a été étudiée. De plus, une structure obtenue sans séparation entre le BSF et l’émetteur est présentée, permettant de réduire le nombre d’étapes de fabrication. Les avantages ainsi que les limites liés à cette architecture simplifiée ont été illustrés du point de vue expérimental et par simulation. Dans le cadre de ces travaux, le rendement maximum atteint sur les dispositifs IBC Si-HJ simplifiés de 25cm² est de 19% (substrats de type n), ce qui constitue le 3e meilleur résultat au niveau mondial. Les performances des cellules restent encore limitées par l’absorption des couches de a-Si:H utilisées pour la passivation de la face avant, et par la conductivité des couches dopées en face arrière. De nombreuses pistes d’amélioration sont explorées dans cette étude. Un procédé de métallisation innovant a également été élaboré pour le passage sur des substrats de grande taille (150cm²). Il permet de limiter les pertes résistives tout en offrant de la flexibilité au niveau de la géométrie des contacts. La mise en module de cellules ayant ce design de métallisation a ensuite été étudiée, et un module de 4 cellules IBC Si-HJ a pu être fabriqué. / This thesis studies the fabrication and the optimization of a new structure to enhance the efficiency of crystalline silicon based solar cells. This new cell design uses a-Si:H/c-Si heterojunction (Si-HJ) technology applied on interdigitated back contact structures (IBC). With IBC Si-HJ solar cells, the efficiency potential is theoretically higher than 25%. Their fabrication requires to pattern doped a-Si:H and the associated metallization on the same side. The implementation of those process steps has been carefully studied. All processes used in this study are potentially industrial (PECVD, sputtering, screen-printing, and laser) and the obtained structure without buffer layer between the BSF and the emitter allows to reduce fabrication steps. Issues linked to this design have been investigated. Within the frame of this work, the maximum efficiency reached on reduced size devices (25cm²) with n-type substrate and is 19% which is the 3rd best result worldwide. The cell performances are still limited by the absorption of front surface passivating layer (a-Si:H) and by the low doped layer conductivity. Several optimization ways are explored in this study. An innovative metallization process is then elaborated to allow large area solar cell fabrication while limiting resistive losses and offering more flexibility on metallized pattern. The interconnection and the encapsulation of cells with this metallization design have been illustrated and a module with 4 cells has been fabricated.

Les nanostructures périodiques jouent un rôle important dans le domaine des nanotechnologies, en particulier dans le contrôle des photons. Bien qu'il existe de nombreuses techniques d'usage général pour la fabrication et la simulation optique, nous avons développé une technique de fabrication sur mesure et une méthode de simulation optiques pour les structures périodiques pour accélérer le prototypage à l’échelle du laboratoire et la conception optique. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons une technique lithographique nommée « Laser Interference Lithography » (LIL) à faible coût pour la fabrication de nanostructures périodiques. La technique LIL est combinée avec gravure sèche, gravure humide et technique de gravure électrochimique pour réaliser, respectivement, des trous cylindriques, des pyramides inversées et des réseaux taux de pores bi-périodiques à facteur d’aspect élevé sur le substrat à base de silicium. Les modèles unidimensionnels sur des substrats en verre sont également utilisés comme nanofiltres dans la réalisation de la puce de pré-concentration à faible coût. Dans la deuxième partie, nous décrivons d'abord une méthode de calcul électromagnétique rigoureuse Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) conçu pour les structures périodiques. Une description détaillée est donnée pour expliquer la méthode numérique. Ensuite, nous combinons la méthode RCWA et une nouvelle approche proposée de la conception des modèles pseudo-désordonnée pour améliorer le piégeage des photons. A titre d'exemple, nous démontrons que, en ajoutant des structures désordonnées à petite échelle sur des arrangements périodiques à grande échelle, la performance quant à l’absorption des couches minces de silicium peut être grandement améliorée. / Periodic nanostructures play an important role in the domain of nanotechnology, especially in photon control. While there exist many general purpose techniques for fabrication and optical simulation, we show tailored fabrication and optical simulation methods for periodic structures to accelerate lab-scale prototyping and optical design. In the first part of this dissertation, we describe a low-cost lithographic technique named Laser Interference Lithography (LIL) for fabricating periodic nanostructures. LIL technique is combined with dry-etching, wet-etching and electrochemical etching technique to realize, respectively, cylindrical holes, inverted pyramids and high aspect ratio pore arrays on silicon based substrate. The one-dimensional patterns on glass substrates are also used as nanofilters in realizing low-cost preconcentration chip. In the second part, we first describe Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA), a rigorous electromagnetic calculation method designed for periodic structures. A detailed derivation is given to explain the numerical method. Then, we combine the RCWA method and a new proposed pseudo-disordered patterns design approach to investigate photon control. As an example, we demonstrate that by adding ‘appropriate’ engineered fine stripes to each long period the absorption performance of thin silicon slab can be largely enhanced.

La réduction des recombinaisons aux surfaces des cellules solaires est un enjeu fondamental pour l'industrie photovoltaïque. La passivation des défauts électriques en surface peut être obtenue par la formation de liaisons chimiques ou par l'apport de charges électriques capables de repousser un type de porteurs. Ces effets peuvent être obtenus grâce à des couches minces fonctionnalisées déposées sur les surfaces des matériaux qui constituent les cellules. Dans le cadre de cette thèse nous avons étudié la passivation de surface du silicium par des couches minces d’Al2O3 déposées par ALD. La caractérisation physique, optique, structurale et chimique des couches déposées a été réalisée. Une optimisation du procédé d’élaboration (nettoyage pré dépôt, paramètres de dépôt et de recuit) de couches d’alumine a été nécessaire pour répondre aux exigences de la réduction de recombinaisons de surface et obtenir des résultats de passivation optimisés. Enfin, différentes briques technologiques nécessaires à l’intégration de ces couches dans l’architecture d’une cellule solaire silicium ont été étudiées et développées. / The reduction of recombination at the surfaces of solar cells is a fundamental challenge for the photovoltaic industry. Passivation of surface electrical defects can be achieved by the formation of chemical bonds or by the supply of electric charges capable of repelling a type of carrier. These effects can be obtained by means of functionalized thin layers deposited on the surfaces of the materials which constitute the cells. In this thesis we studied the surface passivation of silicon by thin layers of Al2O3 deposited by ALD. The physical, optical, structural and chemical characterization of the deposited layers was carried out. An optimization of the preparation process (pre-deposition cleaning, deposition and annealing parameters) of alumina layers was necessary to meet the requirements of reduction of surface recombinations and to obtain optimized passivation results. Finally, various technological bricks necessary for the integration of these layers in the architecture of a silicon solar cell have been studied and developed.

Cette thèse s’est focalisée sur le développement et l’optimisation de techniques de métallisation électrochimique permettant le dépôt de métaux conducteurs, l’argent et le cuivre, par voie électrolytique ou par la technique dite LIP (Light-Induced Plating). Deux approches ont été abordées pour l’élaboration des contacts en face avant : l’épaississement de contacts sérigraphiés d’une part, et la réalisation de contacts entièrement par voie électrochimique sans recours à la sérigraphie. Pour cette dernière solution, le dépôt d’une couche d’accroche avant l’étape d’épaississement est nécessaire afin d’assurer une résistivité de contact faible, une bonne adhérence et une bonne sélectivité au travers de la couche anti-reflet. Ces objectifs ont été atteints grâce à la mise en œuvre et l’optimisation de dépôts electroless de nickel-phosphore (NiP), y compris sur émetteur peu dopé. Les investigations menées ont également permis une meilleure compréhension des mécanismes de formation du contact NiP/Si. La faisabilité des techniques de dépôt électrochimique a été démontrée pour diverses applications: cellules avec contacts électrochimiques NiP/Ag en face avant, cellules de type n, épaississement de contacts fins sérigraphiés… Des résultats très prometteurs d’amélioration de facteur de forme FF et de rendement η ont été obtenus et permettent d’envisager une ouverture potentielle vers de nouvelles structures de cellules photovoltaïques à haut rendement : cellules à émetteur peu dopé, cellules à émetteur sélectif avec ouverture laser de la couche anti-reflet, cellules à contacts arrières…. / This thesis is focused on the development and the optimization of electrochemical metallization techniques allowing the deposition of conductive metals, silver and the copper, by electrolytic deposition or by lip (light-induced plating). Two approaches were studied to realize the front side contacts of silicon solar cells: the thickening of screen-printed contacts and the fabrication of contacts completely by electrochemical deposition without screen-printing. For this solution, the deposition of a seed layer before thickening is necessary to insure a low contact resistivity, a satisfying adhesion and selectivity through the anti-reflection coating. These objectives were reached thanks to the optimization of electroless nickel-phosphorous (nip) deposits, including on low doped emitter. The investigations also allowed a better understanding of the NiP/Si contact formation mechanisms. The feasibility of electrochemical deposition techniques was demonstrated for various applications : cells with electrochemical front side contacts NiP/Ag, type n cells, thickening of fine line screen-printed contacts… very promising results of fill factor ff and efficiency improvement were obtained and allow to realize new structures of high efficiency photovoltaic cells : cells with low doped emitter, cells with selective emitter and with laser ablated anti-reflection coating, rear contact cells…