La rentabilité des cellules à base de silicium est un point essentiel pour le marché photovoltaïque et cela passe notamment par l'amélioration du rendement électrique, la baisse des coûts de production ainsi que le renforcement de la fiabilité/durabilité des wafers. Des procédés innovants émergent, qui permettent d'obtenir des wafers ultra minces avec moins de perte de matière première. Cependant il est nécessaire de mettre en place des méthodes de caractérisation afin d’analyser la rigidité et la tenue mécanique de ces matériaux. Dans ce travail, des essais de flexion ont été effectués pour caractériser à la fois la rigidité et la rupture. Afin d’étudier la rupture fragile, une caméra rapide a été utilisée, des analyses fractographiques ont été menées. La diffraction d'électrons rétrodiffusés et la diffraction par rayon X de Laue ont été utilisées afin d'explorer le lien entre les orientations cristallographiques et les comportements observés. Conjointement, des simulations numériques EF ont été mise en place. Grâce à ce couplage expériences-simulations numériques, une caractérisation fiable de la rigidité des wafers a été effectuée. Une stratégie d'identification de l'origine de la rupture est également proposée. L'étude de la rupture du silicium monocristallin a mis en évidence la stabilité du clivage (110), la grande vitesse d'amorçage de la fissure, la dépendance de la forme du front de fissure à la vitesse de propagation ainsi que l'apparition de "Front Waves" pour les fissures à très grande vitesse. L'étude de la rupture des wafers multi-cristallins démontre une fissuration intra-granulaire. Des éprouvettes jumelles ont permis d’étudier la répétabilité du chemin de fissuration : une attention particulière a été portée à la nature des plans de clivage ainsi que l'effet des joints de grains. Enfin, une modélisation par la méthode des éléments finis étendus est proposée. Elle permet de reproduire le chemin de fissuration expérimentalement observé. / The profitability of silicon solar cells is a critical point for the PV market and it requires improved electrical performance, lower wafer production costs and enhancing reliability and durability of the cells. Innovative processes are emerging that provide thinner wafers with less raw material loss. But the induced crystallinity and distribution of defects compared to the classical wafers are unclear. It is therefore necessary to develop methods of microstructural and mechanical characterization to assess the rigidity and mechanical strength of these materials. In this work, 4-point bending tests were performed under quasi-static loading. This allowed to conduct both the stiffness estimation and the rupture study. A high speed camera was set up in order to track the fracture process thanks to a 45° tilted mirror. Fractographic analysis were performed using confocal optical microscope, scanning electron microscope and atomic force microscope. Electron Back-Scatter Diffraction and Laue X-Ray diffraction were used to explore the relationship between the microstructural grains orientations/textures of our material and the observed mechanical behavior. Jointly, finite element modeling and simulations were carried out to provide auxiliary characterization tools and help to understand the involved fracture mechanism. Thanks to the experiment-simulation coupled method, we have assessed accurately the rigidity of silicon wafers stemming from different manufacturing processes. A fracture origin identification strategy has been proposed combining high speed imaging and post-mortem fractography. Fracture investigations on silicon single crystals have highlighted the deflection free (110) cleavage path, the high initial crack velocity, the velocity dependent crack front shape and the onset of front waves in high velocity crack propagation. The investigations on the fracture of multi-crystalline wafers demonstrate a systematic transgranular cracking. Furthermore, thanks to twin multi-crystalline silicon plates, we have addressed the crack path reproducibility. A special attention has been paid to the nature of the cleavage planes and the grain boundaries barrier effect. Finally, based on these observations, an extended finite element model (XFEM) has been carried out which fairly reproduces the experimental crack path.

Le silicium est très utilisé dans la production de cellules photovoltaïques mais très peu pour les applications sous concentration. Il possède pourtant un fort potentiel sous concentration grâce à son faible coût et la maturité de sa filière industrielle. De plus, il est possible d'avoir recours à la cogénération pour augmenter fortement les rendements énergétiques du système. La concentration et la cogénération impliquent un fonctionnement de la cellule à une température plus élevée que les conditions standards de test des cellules photovoltaïques. Cela engendre le besoin de connaître le comportement thermique et électrique de la cellule en fonction de sa température de fonctionnement. La variation de celle-ci, en conditions réelles, est pourtant souvent ignorée. Pour remédier à cette lacune, nous présentons un modèle électro-thermo-radiatif pour les cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Il réalise le couplage de l'ensemble des phénomènes physiques prenant place dans une cellule photovoltaïque sous éclairement. Grâce à de nombreuses analyses effectuées dans le cadre des travaux de cette thèse, l'importance du comportement thermique d'une cellule photovoltaïque pour sa conception est mise en évidence. Entre autres, la variation de la température de la cellule avec sa tension que nous avons confirmé expérimentalement grâce à des mesures de température différentes de 2°C entre le Mpp et le Voc. Un des paramètres majeurs influençant le comportement électrique et thermique d’une cellule photovoltaïque en silicium est la densité de porteurs de charge intrinsèque du silicium, ni. Le développement du modèle électro-thermo-radiatif nous a amené à proposer une nouvelle expression semi-empirique de sa variation en fonction de la température. En complément de ces avancées théoriques, la réalisation de cellules photovoltaïques à contacts arrière interdigités implantées ioniquement (3IBC) a été menée. Nous avons diminué le nombre d'étapes nécessaires à sa réalisation et amélioré sa métallisation grâce à un empilement Si/Ti/Ag permettant d'espérer un gain absolu pour le Jsc de 0.72 mA.cm-2. Un rendement de 14.6% a été obtenu sous 1 soleil avec une cellule 3IBC dont la résistance série est de seulement 0.4 Ω.cm2 ce qui confirme le potentiel des cellules 3IBC pour la concentration linéaire. / Silicon is largely used to produce solar cells but not for applications under concentration. Nevertheless, it has a great potential under concentration thanks to its low cost and the maturity of its industry. Moreover, it is possible to cogenerate electric and thermal power in order to increase the energy output. Cogeneration and concentration imply a higher operating temperature than under standard conditions. Thus, it is interesting to understand the thermal and électrical behavior of the cell as a functiton of its temperature. However the variation of the operating temperature is often ignored. In order to change this, we propose an electro-thermo-radiative model for crystalline silicon solar cells. It couples all phenomenon taking place in an illuminated solar cell. Thanks to this thesis, the importance of the thermal behavior is outlined. For example, the temperature variation as a function of the voltage that we confirmed experimentaly thanks to mesures of the cell temperature at Mpp and at Voc. One of the most important parameters in a silicon solar cell is the intrinsic carrier density, ni. The work on the electro-thermo-radiative model led us to propose a new semi-empirical temperature variation of ni. In addition to these theoretical analysis, we realized ionically implanted interdigitated back contacts solar cells (3IBC). Thanks to this work fewer process steps are needed and the improved metallization (Si/Ti/Ag) possibly lead an absolute Jsc gain of 0.72 mA.cm-2. The efficiency of the best 3IBC cell is 14.6% under 1 sun illumination with a particularly low series resistance (0.4 Ω.cm2) which confirm the potential of such cells for linear concentration.

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.

Les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin représentent plus de 90% du marché photovoltaïque mondial. Des architectures de cellules à haut rendement de conversion sont actuellement développées. Pour atteindre leurs performances maximales, ces architectures nécessitent néanmoins une amélioration des propriétés électriques des substrats de silicium cristallin. Les objectifs de cette thèse sont d’identifier les défauts limitant les propriétés électriques de ces substrats, de comprendre les mécanismes menant à leur formation et de proposer des moyens permettant leur neutralisation. Les matériaux étudiés sont des plaquettes de silicium Czochralski de type n, généralement utilisé pour les applications à haut rendement. Le four de tirage Czochralski a d’abord été modélisé afin de comprendre comment le passé thermique subi par le lingot de silicium lors de la cristallisation affecte la génération des défauts. Ces travaux ont été confirmés via des confrontations avec des données expérimentales, en utilisant une méthode originale développée dans le cadre de ce travail. Nous avons ensuite étudié l’influence du budget thermique lié aux procédés de fabrication des cellules sur la population de défauts. Nous avons ainsi pu montrer que la nature des défauts limitant les propriétés électriques du silicium était grandement modifiée selon le procédé de fabrication de cellules utilisé. Nous avons en outre mis en évidence une dégradation inattendue des propriétés électriques du silicium Czochralski de type n sous illumination, liée à la formation d’un défaut volumique inconnu. Les conditions de formation et de suppression de ce défaut ont été étudiées en profondeur. Enfin, les principaux défauts limitant les propriétés électriques du silicium ayant été identifiés et les mécanismes menant à leur formation compris, nous proposons dans un dernier chapitre des nouvelles techniques de caractérisation permettant de détecter les plaquettes défectueuses en début de ligne de production de cellules photovoltaïques, et ce à une cadence industrielle. / Photovoltaic solar cells based on crystalline silicon represent more than 90% of the worldwide photovoltaic market. High efficiency solar cell architectures are currently being developed. In order to allow their maximal performances to be reached, the electronic properties of their crystalline silicon substrate must however be enhanced. The goals of the present work are to identify the defects limiting the electronic properties of the substrate, to understand the mechanisms leading to their formation and to propose routes for their neutralization. The studied materials are n-type Czochralski silicon wafers, usually used as substrates for high efficiency photovoltaic applications. The Czochralski puller was first modeled in order to understand how the thermal history experienced by the silicon ingot during crystallization affects the defects generation. This study were validated through the comparison with experimental data using an original method developed in the frame of this work. We then studied the influence of the thermal budget associated to solar cell fabrication processes on the defects population. We thus showed that the nature of lifetime-limiting defects was completely changed depending on the solar cell fabrication process. Besides, we evidenced an unexpected degradation of the electronic properties of n-type Czochralski silicon under illumination, related to the formation of an unknown bulk defect. The formation and deactivation features of this defect were extensively studied. Finally, the main limiting defects being identified and the mechanisms resulting in their formation understood, we propose in a last chapter new characterization techniques for the detection of defective wafers at the beginning of production lines at an industrial throughput.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm. / The objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. The influence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion efficiency of 5% is measured on a solar cell with 1.5µm high silicon nanowires.

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de cellules silicium cristallin à l’échelle nanométrique, à l’aide de techniques de microscopie à sonde locale (SPM). En particulier, nous avons choisi d’analyser les propriétés électriques à l’échelle locale, grâce à deux techniques SPM : la microcopie à sonde de Kelvin (KPFM) et la microscopie à force atomique à sonde conductrice (CP-AFM).Tout d’abord, nous présentons les forces et faiblesses de ces deux techniques, comparées à la microscopie électronique, qui permet également d’analyser les propriétés électrique à l’échelle nanométrique. Cette comparaison approfondie nous permet d’identifier des mesures où le KPFM et le CP-AFM sont particulièrement adéquat et peuvent apporter de la valeur. Ces mesures sont divisées en deux catégories : les analyses matériaux et les analyses dispositifs.Ensuite, nous nous focalisons sur les analyses matériaux à l’échelle nanométrique. Nous présentons d’abord des mesures de dopage à l’échelle nanométrique, à l’aide d’une technique avancée de CP-AFM, appelée Resiscope. Nous montrons que cette technique peut détecter des changements de dopage dans la gamme 1015 à 1020 atomes.cm-3, avec une résolution nanométrique et un bon ratio signal/bruit. Puis, nous présentons des mesures de durée de décroissance sur des wafers silicium cristallin passivés. Les mesures sont réalisées sur la tranche non-passivée des échantillons. Nous montrons que, même si la tranche n’est pas passivée, les durées de décroissance obtenue par KPFM ont une bonne corrélation avec les temps de vie des wafers mesurées par décroissance de la photoconductivité détectée par micro-ondes.Par la suite, nous nous concentrons sur les analyses dispositif. A l’aide du KPFM, nous analysons deux types de cellules solaires silicium cristallin : les cellules solaires silicium épitaxié (epi-Si) et les cellules solaires hétérojonctions à contact arrière (IBC). En particulier, nous nous focalisons sur l’analyse de dispositifs en condition d’opération. Nous étudions d’abord l’influence de la tension électrique appliquée et nous montrons que les effets de résistance et de diode peuvent être détectés à l’échelle nanométrique. Les mesures de KPFM sont comparées aux mesures de microscopie électronique à balayage (SEM) dans les mêmes conditions, puisque le SEM est aussi sensible au potentiel de surface. Nous montrons que les mesures KPFM sur la tranche de cellules solaires epi-Si peuvent permettre d’étudier les changements de champ électrique avec la tension électrique appliquée. De plus, si la tension électrique est modulée en fréquence, nous montrons que des mesures de temps de vie peuvent être effectuées à l’échelle locale sur la tranche de cellules solaires epi-Si, ce qui peut permettre de détecter les interfaces limitantes. Puis, nous étudions l’influence de l’illumination sur les mesures KPFM et CP-AFM. Nous effectuons des mesures sur la tranche de cellules epi-Si sous différentes valeurs d’intensité et longueurs d’onde d’illumination. Nous montrons une bonne sensibilité des mesures KPFM à l’illumination. Cependant, nous montrons que pour différentes longueurs d’onde, à tension de circuit ouvert fixé, nos mesures ne sont pas corrélées avec les mesures de rendement quantique interne, comme nous le pensions.Enfin, nous résumons notre travail dans un tableau qui représente les forces et faiblesses des techniques pour les différentes mesures d’intérêt exposées précédemment. A partir de ce tableau, nous imaginons un setup de microscopie « idéal » qui permette d’analyser les cellules solaires de manière fiable, versatile et précise. Pour finir, nous proposons des mesures d’intérêt qui pourraient être réalisées avec ce setup « idéal ». / This thesis focuses on the investigation of crystalline silicon solar cells at the nano-scale using scanning probe microscopy (SPM) techniques. In particular, we chose to investigate electrical properties at the nano-scale using two SPM techniques: Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) and Conducting Probe Atomic Force Microscopy (CP-AFM).First, we highlight the strengths and weaknesses of both these techniques compared to electron microscopy techniques, which can also help investigate electrical properties at the nano-scale. This comprehensive comparison enables to identify measurements where KPFM and CP-AFM are particularly adequate. These measurements are divided in two categories: material investigation and devices investigation.Then, we focus on materials investigation at the nano-scale using SPM techniques. We first present doping measurements at the nano-scale using an advanced CP-AFM technique called Resiscope. We prove that this technique could detect doping changes in the range 1015 and 1020 atoms.cm-3 with a nano-scale resolution and a high signal/noise ratio. Then, we highlight decay time measurements on passivated crystalline silicon wafers using KPFM. Measurements are performed on the unpassivated cross-section. We show that, even though the cross-section is not passivated, decay times measurements obtained with KPFM are in good agreement with lifetimes measured by microwave photoconductivity decay.Subsequently, we focus on device measurements. Using KPFM, we investigate two different crystalline silicon solar cell architectures: epitaxial silicon (epi-Si) solar cells and interdigitated back contact (IBC) heterojunction solar cells. In particular, we focus on measurements on devices under operating conditions. We first study the influence of the applied electrical bias. We study the sensitivity of surface potential to electrical bias and we show that diode and resistance effects can be detected at the nano-scale. KPFM measurements are compared to scanning electron microscopy (SEM) measurements in the same conditions since SEM is also sensitive to surface potential. We show that KPFM measurements on the cross-section of epi-Si solar cells can help detect electric field changes with electrical bias. Besides, if the electrical bias is frequency modulated, we show that lifetime measurements can be performed on the cross-section of epi-Si solar cells and can help detect limiting interfaces and layers. Then, we study the influence of illumination on KPFM and CP-AFM measurements. We perform photovoltage and photocurrent measurements on the cross-section of epi-Si solar under different values of illumination intensity and illumination wavelength. We show a good sensitivity of KPFM measurements to illumination. However, we show that measurements for different wavelengths at a given open circuit voltage, are not correlated with the internal quantum efficiency, as we could have expected.Finally, we summarize our work in a table showing the impact of strengths and weaknesses of the techniques for the different measurements highlighted. From this table, we imagine an “ideal” microscopy setup to investigate crystalline silicon solar cells in a reliable, versatile and accurate way. We propose investigations of interest that could be carried out using this “ideal” setup.

Cette thèse s’intéresse aux effets de la compensation des dopants sur les propriétés électriques du silicium cristallin. Nous montrons que le contrôle du dopage net, qui est indispensable à la réalisation de cellules solaires à haut rendement, s’avère difficile dans les lingots cristallisés à partir de silicium contenant à la fois du bore et du phosphore. Cette difficulté s’explique par la forte ségrégation du phosphore durant la cristallisation, qui donne lieu à d’importantes variations de dopage net le long des lingots de silicium solidifés de façon directionelle. Pour résoudre ce problème, nous proposons le co-dopage au gallium pendant la cristallisation et prouvons l’efficacité de cette technique pour contrôler le dopage net le long de lingots de type p ou n fabriqués à partir d’une charge de silicium contenant du bore et du phosphore. Nous identifions les spécificités du matériau fortement compensé ainsi obtenu comme étant: une forte sensibilité de la densité de porteurs majoritaires à l’ionisation incomplète des dopants, une réduction importante de la mobilité comparée aux modèles théoriques et une durée de vie des porteurs qui est déterminée par la densité de porteurs majoritaires et dominée après éclairement prolongé par les centres de recombinaison liés aux complexes de bore et d’oxygène. Pour permettre la modélisation de cellules solaires à base de silicium purifié par voie métallurgique, nous proposons une paramétrisation des propriétés fondamentales du silicium compensé mentionnées ci dessus. Nous étudions également la dégradation de la durée de vie des porteurs sous éclairement dans des échantillons de silicium de type p et n présentant une large gamme de niveaux de dopage et de compensation. Nous montrons que le défaut bore-oxygène est issu d’un complexe formé à partir de bore substitutionnel pendant la fabrication des lingots et activé sous injection de porteurs par une reconfiguration du défaut assistée par des charges positives. Finalement, nous appliquons le co-dopage au gallium pour la cristallisation de silicium UMG et démontrons que cette technique permet d’augmenter sensiblement la tolérance au phosphore sans compromettre le rendement matière de l’étape de cristallisation ou la performance des cellules solaires avant dégradation sous éclairement. / This thesis focuses on the effects of dopant compensation on the electrical properties of crystalline silicon relevant to the operation of solar cells. We show that the control of the net dopant density, which is essential to the fabrication of high-efficiency solar cells, is very challenging in ingots crystallized with silicon feedstock containing both boron and phosphorus such as upgraded metallurgical-grade silicon. This is because of the strong segregation of phosphorus which induces large net dopant density variations along directionally solidified silicon crystals. To overcome this issue, we propose to use gallium co-doping during crystallization, and demonstrate its potential to control the net dopant density along p-type and n-type silicon ingots grown with silicon containing boron and phosphorus. The characteristics of the resulting highly-compensated material are identified to be: a strong impact of incomplete ionization of dopants on the majority carrier density, an important reduction of the mobility compared to theoretical models and a recombination lifetime which is determined by the net dopant density and dominated after long-term illumination by the boron-oxygen recombination centre. To allow accurate modelling of upgraded-metallurgical silicon solar cells, we propose a parameterization of these fundamental properties of compensated silicon. We study the light-induced lifetime degradation in p-type and n-type Si with a wide range of dopant concentrations and compensation levels and show that the boron-oxygen defect is a grown-in complex involving substitutional boron and is rendered electrically active upon injection of carriers through a charge-driven reconfiguration of the defect. Finally, we apply gallium co-doping to the crystallization of upgraded-metallurgical silicon and demonstrate that it allows to significantly increase the tolerance to phosphorus without compromising neither the ingot yield nor the solar cells performance before light-induced degradation.