Plasma based ion implantation and plasma hydrogenation of silicon for photovoltaics : influence on the electrical properties

par Zeinab Arab

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Alain Straboni et de Luc Pichon.

Soutenue en 2009

à Poitiers .

  • Titre traduit

    Hydrogénation du silicium par traitement plasma et implantation ionique par immersion plasma pour le photovoltaïque, influence sur les propriétés électriques


  • Résumé

    Ce rapport présente l'histoire et le statut du développement de l'industrie photovoltaïque aujourd'hui et dans l'avenir. Le matériel de base dans ce domaine est le silicium cristallin. Bien que c-Si ne soit pas le meilleur choix du point de vue de la physique d'état solide il domine encore le marché. Une partie importante de cette étude est consacrée à l'amélioration de la qualité du c-Si via la passivation par hydrogénation et l'implantation ionique par immersion plasma (PIII). Des expériences ont été effectuées afin de comparer le PIII avec la méthode conventionnelle d'implantation (implantation en ligne). Pour les expériences de PIII, les substrats utilisés étaient du silicium mono cristallin de type p d'orientation (100) avec une épaisseur d'environ 700 µm, une résistivité estimée entre 5 et 10 Ωcm et une concentration de dopant de 1015 cm-3, alors que pour les expériences d'hydrogénation nous avons utilisé des plaquettes de silicium multi cristallin de type p fabriquées par Photowat d'une épaisseur d’environ 300 µm, une résistivité de 1 à 2 Ωcm et une concentration de dopant de 1016 cm-3. L'implantation a été réalisée sous une pression de 2 Pa avec le débit d'hydrogène réglé à 20 sccm. Ensuite, le plasma a été crée à l'aide d'une puissance incidente de 700 W avec des impulsions de 20 kV d'une durée de 10 µs et une fréquence de 200 Hz. Différentes doses de 1015 à 2×1017 at. H/cm2 d'hydrogène ont été appliquées aux échantillons. Dans le cas de l'hydrogénation, la création du plasma est identique à celle du PIII mais avec différentes température (300°C-800°C) et pressions (2-12 Pa). Les résultats de la microscopie électronique en transmission révèlent la formation de différents types de défauts. Pour les doses assez base de 1015 à 1016 at. H/cm2 les modifications sont principalement des « platelets », des boucles de dislocations et des défauts interstitiels. Les doses plus élevées (1016 à 1017 at. H/cm2) permettent la formation des « platelets » d'orientation (100) ainsi que (111) et augmentent le nombre de dislocations et de microcavités qui favorisent la formation des claques (blistering et exfoliation). Cependant, les résultats de TEM ne montrent pas les importantes modifications microstructurales après hydrogénation. Les mesures de NRA ont été réalisées pour déterminer le profil d'hydrogène dans les échantillons implantés ainsi que dans les échantillons hydrogénés. La concentration d'hydrogène augmente avec l'augmentation de la dose d'implantation et peut acquérir jusqu'au 25 at. % (dose = 2×1017 at. H/cm2). Les mesures de NRA montrent que pour les échantillons hydrogénés à des températures relativement élevés la concentration d'hydrogène est faible. La concentration maximale d'hydrogène a été obtenue à partir d'un échantillon hydrogéné à 400°C-2 heures. La méthode de mesure de la durée de vie de Sinton a été utilisée lors de cette étude pour déterminer la durée de vie des porteurs dans le silicium multi cristallin. La passivation via hydrogénation est encore plus efficace à de basses températures (inférieur à 600°C) car sous les températures élevées l'exo-diffusion d'hydrogène sera plus prononcée et va influencer l'effet d'hydrogénation.


  • Résumé

    This report reviews the history, the present status and possible future developments of photovoltaic industry. The base material in this domain is crystalline silicon. Although c-Si is not the optimal material from a solid state physics point of view it dominates the market and will continue to do this. A considerable part of this study deals with quality improvement of crystalline silicon via passivation by hydrogenation and hydrogen implantation (PBII). Some conventional in-line implantation has also been performed in order to compare these two implantation methods. Mono crystalline p-type (CZ) silicon (100) wafers with a thickness of ~ 700 µm and estimated resistivity of 5-10 Ωcm with boron concentration of about 1015 cm-3 are used as sample for ion implantation. For hydrogenation experiences multi crystalline p-type silicon wafers fabricated by Photowat with a thickness of ~300µm and estimated resistivity of 1-2 Ωcm with boron concentration of about 1016 cm-3 have been used. The implantation is realized at working pressure regulated at 2 Pa with a hydrogen gas flew of 20 Sccm. Then the plasma is generated with a forward power of 700W, high voltage pulses of 20 kV with length of 10 µs and a frequency of 200 Hz. Different hydrogen dose of 1015 to 2×1017 at. H/cm2 are applied into the samples. Hydrogenation on its turn is realized with the same condition of plasma generation at different temperatures (300°-800°C) and pressures (2-12 Pa). TEM micrographs show the formation of different kind of defects. For low hydrogen dose from 1015 to 1016 at. H/cm2 the modifications consist mainly of planar defects as (100) platelets, some dislocation loops and interstitials. Higher dose (1016 to 1017 at. H/cm2) results in the formation of (100) and (111) platelets and more dislocations and micro-cracks giving rise to the formation of blistering and exfoliation. However TEM doesn’t show any significant micro-structural modifications after hydrogenation. NRA study has been done in order to determine the hydrogen profile for both implanted and hydrogenated silicon. Hydrogen concentration increase with implantation dose increasing and can reach up to 25 atomic % for hydrogen dose of 2×1017 at. H/cm2. Meanwhile hydrogenation at relatively high temperature results in low hydrogen concentration. The maximum hydrogen concentration is enriched at 400°C-2 hours hydrogenation. Sinton lifetime measurement has also been used in order to determine the carrier lifetime in hydrogenated microcrystalline silicon. Passivation is found to be more effective for hydrogenation realized at low temperature (below 600°C) because at higher temperature the out-diffusion is more pronounced and will influence the effect of hydrogenation.

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  • Détails : 1 vol. (109 f.)
  • Annexes : Bibliogr. 140 réf.

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