Epitaxie en phase vapeur de silicium sur silicium mésoporeux pour report sur substrats économiques et application photovoltai͏̈que bas coût

par Sébastien Quoizola

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de André Laugier.

Soutenue en 2003

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    La croissance de l'industrie photovoltai͏̈que est aujourd'hui estimée à 15% par an, atteignant 530 MWc en 2002. L'essentiel de la production se base sur l'utilisation du silicium cristallin mais la croissance se heurte au problème du prix de revient de la cellule photovoltai͏̈que. Ainsi, pour répondre aux objectifs qui fixent à 3000 MWc la production mondiale en 2010, une diminution du prix de revient du watt crête de 2,5 à 1 Euro/Wc s'avère nécessaire. Pour cela, réduire la consommation de matériau silicium (40% du coût du produit fini) par watt crête produit représente une solution très intéressante. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SUCCES (SUbstrats bas Coûts, report de Couches monocristallines et Epitaxie pour une filière Silicium photovoltai͏̈que en couches) qui vise à transférer des films minces de silicium monocristallin (50 æm) sur des substrats économiques. Ces derniers assurent le maintien mécanique de la cellule photovoltai͏̈que et l'emploi de silicium monocristallin permet de conserver un bon rendement avec une épaisseur réduite de la couche active. Cette technologie s'appuie sur l'utilisation d'une couche sacrificielle en silicium mésoporeux sur laquelle est épitaxiée la couche mince de silicium monocristallin. On réalise la cellule photovoltai͏̈que, avant de détacher le dispositif qui est ensuite transféré sur un substrat faible coût. Le substrat silicium de départ peut alors être réutilisé. L'élaboration de la couche mince de silicium monocristallin est réalisée par épitaxie en phase vapeur (VPE) à 1100ʿC sous pression atmosphérique. La croissance cristalline s'effectue dans un bâti d'épitaxie que nous avons installé, modifié et qualifié afin d'en optimiser les paramètres comme la concentration en gaz précurseur dichlorosilane SiH2Cl2 ou l'ajout de gaz dopant diborane B2H6. L'étude des propriétés structurales et électriques des épitaxies sur silicium massif a permis de valider la qualité de nos couches. La zone sacrificielle, élaborée par anodisation électrochimique, est constituée d'une bi-couche de silicium mésoporeux : une couche de faible porosité (20%) surmontant une couche de forte porosité (60%). Les caractéristiques du silicium poreux sont déterminées par la densité de courant et la concentration en acide fluorhydrique utilisées au cours de l'anodisation. Le recuit haute température sous hydrogène de la bi-couche provoque sa modification structurale qui se traduit par une coalescence des pores de la couche de faible porosité alors que les pores de la couche de forte porosité voient leur taille augmentée. Cette modification structurale autorise l'épitaxie d'une couche de silicium monocristallin puis le décrochage de la couche épitaxiée. Les caractéristiques satisfaisantes des couches monocristallines épitaxiées sur silicium poreux nous ont alors permis la réalisation de cellules photovoltai͏̈ques en couche mince, dont l'architecture est une structure monoface à contacts interdigités.

  • Titre traduit

    Silicon vapor phase epitaxy on mesoporous silicon for transfer on economic substrate and low cost photovoltaic application


  • Résumé

    Thin film solar cells by layer transfer process is a very promising way to reduce material cost in photovoltaïc industry. The aim of this study is to transfer thin silicon layers (50 µm) on cheap substrate. In order to warranty a highly conversion efficiency, monocrystalline silicon is required. Thin monocrystalline silicon film is grown on mesoporous silicon by vapor phase epitaxy. The porous silicon layer presents a double porosity structure and acts as both a seeding layer and a sacrificial layer. During hydrogen high temperature annealing, pores are coarsened in the low porosity layer and enlarged in the high porosity layer. These structural modifications allow the growth of the epitaxial silicon layer and its separation from the silicon substrate. As obtained thin silicon film serves as the active layer in an one side solar cell with interdigited contacts. Substrate can be then re-used for a novel thin silicon film.

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Informations

  • Détails : 167 colonnes
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. à la fin de chaque chapitre. Publications de l'auteur, 1 p.

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