Alliages silicium-germanium polymorphes en couches minces pour applications photovoltai͏̈ques

Study of polymorphous silicon-germanium thin films for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Marie-Estelle Gueunier
• Direction : Jean-Paul Kleider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Structure polymorphe

Photocourant modulé

Cellues P-I-N

Résumé

Les alliages silicium-germanium amorphes hydrogénés (a-SiGe:H) sont de bons candidats pour réaliser des structures photovoltai͏̈ques multispectrales puisqu'il est possible de diminuer le gap optique de l'alliage en augmentant la teneur en germanium. Néanmoins, ajouter du germanium dans la matrice de silicium conduit généralement à une détérioration des propriétés électroniques du matériau. En revanche, de nombreuses expériences avaient mis en évidence les très bonnes propriétés électroniques d'un matériau nouveau, le silicium polymorphe hydrogéné (pm-Si :H), déposé par PECVD dans des conditions particulières de forte dilution d'hydrogène et de haute pression. L'amélioration des propriétés et de la stabilité du pm-Si :H par rapport au silicium amorphe standard est à l'origine de l'étude présentée dans ce mémoire, à savoir la caractérisation d'alliages SiGe déposés dans les mêmes gammes de pression et de dilution d'hydrogène que pour le pm-Si :H. Les propriétés optiques, structurales, les défauts, et les propriétés de transport ont ainsi été caractérisés pour plusieurs séries d'alliages. De nombreuses techniques complémentaires ont été utilisées, dont la technique du photocourant modulé pour laquelle des développements nouveaux ont été apportés. Nous avons ainsi pu mettre en évidence des propriétés spécifiques à ces alliages, liées à une microstructure particulière de l'hydrogène dans le matériau, qui révèlent leur caractère polymorphe et justifient leur appellation d'alliages SiGe polymorphes (pm- SiGe :H). Des premiers résultats obtenus sur des cellules p-i-n à base de pm-SiGe :H sont également présentés. Les rendements de conversion sont pour l'instant comparables à ceux obtenus à partir d'alliages amorphes (environ 7%). La résolution de problèmes identifiés à l'interface p/i devrait permettre de tirer pleinement profit des améliorations du matériau et d'augmenter le rendement des cellules.

Fabrication of high-efficiency stable multijunction solar cells requires low optical band gap materials. Thus, hydrogenated amorphous silicon-germanium alloys (a-SiGe:H) are of great interest for photovoltaic applications since the band gap can be decreased by increasing the germanium content. However, on one band, the addition of germanium in the silicon network was shown in the past to lead to a drastic deterioration of the electronic properties. On the other hand, improved electronic properties and stability had been observed on a new material, called hydrogenated polymorphous silicon (pm-Si:H). This material was deposited by PECVD in high pressure and high hydrogen dilution conditions. The aim of this thesis was to explore similar conditions of high pressure and high hydrogen dilution for the fabrication of SiGe alloys, with the hope that the improved properties observed on pm-Si:H could be extended to these alloys. The optical, structural, defect-related and transport properties of different series of alloys have been studied by a set of complementary techniques. The modulated photocurrent technique was particularly studied and some new developments were brought to this technique. We find that these new SiGe alloys exhibit some specific properties attributed to the peculiar hydrogen microstructure, which justifies that these alloys have been designed as hydrogenated polymorphous silicon-germanium alloys (pm-SiGe:H). First results of p-i-n diodes for which pm-SiGe:H alloys were incorporated in the intrinsic layer are also presented here. The efficiency of such devices is comparable to that of amorphous alloys (around 7%) and does not reveal the improved properties of the polymorphous material. We have identified that this is due to problems at the p/i interface. Solving these problems should greatly increase the performance of the devices.