Films de silicium polycristallin obtenus par cristallisation induite par aluminium et épitaxie : Croissance, caractérisations et cellules solaires

Polycristalline silicon films by aluminium induced crystallization and epitaxy : synthesis, characterizations ans solar cells

• Auteur / Autrice : Özge Tüzün
• Direction : Abdelilah Slaoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie

Photopiles

Silicium cristallisé

Silicium -- Couches minces

Résumé

Dans ce travail, nous avons étudié d’abord la croissance du silicium polycristallin (couche germe AIC) sur substrats d’alumine ou vitrocéramiques par le procédé de cristallisation induit par aluminium du silicium amorphe. Les études ont concerné la cinétique de croissance de la couche AIC en fonction de plusieurs paramètres expérimentaux (température, temps, épaisseur du film Si amorphe, teneur en hydrogène,…) et la détermination des défauts de structure inter-grains (joints) et intra-grains (macles). En utilisant des verres céramiques, nous avons pu réaliser des films poly-Si à T<500°C, présentant une taille moyenne de grains cent fois supérieure à son épaisseur (0. 20m d’épaisseur et 260m en taille de grains), et des grains majoritairement orientés <100>. Nous avons montré que la densité des macles, en particulier Σ3, est réduite en diminuant la température de cristallisation. Nous avons également recherché à réaliser des films tampons de type n par surdopage et évaluer leurs efficacités. En variant les conditions expérimentales, des couches n+ avec des concentrations de porteurs libres de 1019 à 6×1020cm-3 et des mobilités de 50-60cm2/Vs ont pu être réalisées sur des couches de 0. 20m. Nous avons utilisé deux méthodes de croissance de la couche absorbante: l’épitaxie en phase vapeur (VPE) à haute température ou l’épitaxie en phase solide (SPE) par dépôt d’une couche Si amorphe et recuit. Nous avons particulièrement mis en évidence la formation d’une distribution graduelle n+n très souhaitable pour les composants photovoltaïques. Enfin nous avons réalisé des cellules photovoltaïques sur ces matériaux afin de valider leur potentiel pour la future génération de cellules solaires. Nous avons ainsi réalisé des structures de cellules de configuration p+pn+ sur poly-Si de type p mais également des configurations n+np+ sur poly-Si de type n. Nous avons mesuré un rendement de l’ordre de 5. 5% (6. 1% en Sun-Voc et en considérant la surface active), pour les cellules préparées par VPE sur couche tampon n-AIC. Il faut rappeler qu’aucun confinement optique ni architecture spécifique n’a été utilisé. Les caractéristiques impliquant les mesures des différentes grandeurs des cellules et la réponse spectrale, ont permis une analyse fine des régions de pertes de la conversion.

In this work, we have prepared p- and n-type polycrystalline silicon seed layers by aluminum-induced crystallization (AIC) of a-Si on alumina and glass-ceramic substrates, followed by epitaxial thickening using low pressure chemical vapor deposition (LPCVD); and HIT solar cells (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) were then fabricated. Polycrystalline silicon layer with quite large grains with an average grain size value of ~260m, that is one hundred times more than thickness of AIC layer (0. 20m), can be formed by AIC technique at 475°C on glass-ceramic substrate. The preferred orientation is <100> independently from substrate and exchange annealing temperature. The main crystallographic defect is Σ3 that is reduced by lowering the annealing temperature. We used two methods for the growth of the absorber layer: vapor phase epitaxy (VPE) at high temperature or solid phase epitaxy (SPE) by depositing an amorphous Si layer and following annealing. The grain size conservation for epitaxial layers was observered with that of the underlying AIC poly-Si seed layer. We especially highlighted the formation of a n+n graded structure, which is very desirable for photovoltaic components. Finally, we have made solar cells on these materials to validate their potential for future generation solar cells. In addition to p-type cell (p+pn+), we have prepared for the first time n-type based polysilicon solar cells (n+np+) with AIC approach on alumina substrate. An efficiency of about 5. 5% realized in our n-type cells without texturization that should be compared to 3. 2% for p-type cells. In addition to cell efficiency, the spectral response of the n-type cell is also much wider than that of p-type cell, over a large part of the spectrum. This lead to an enhancement in Leff for n-type cell (~2. 60m) compared to that of p-type (0. 90m). Analysis of the best n-type based cells with Sun-Voc apparatus, neglecting therefore the contacts resistivity, led to an efficiency value of 6. 1%, showing the potential of the n-type polysilicon solar cells without any optimisation of the hydrogenation step, the heterojunction passivation and junction formation, nor the surface texturing.