Hydrogenated polymorphous silicon : establishing the link between hydrogen microstructure and irreversible solar cell kinetics during light soaking

par Ka-Hyun Kim

Thèse de doctorat en [Physique. Science des matériaux]

Sous la direction de Pere Roca i Cabarrocas.

Soutenue en 2012

à Palaiseau, Ecole polytechnique .

  • Titre traduit

    Silicium polymorphe hydrogéné : lien entre microstructure et changements irréversibles dans les propirétés des cellules solaires


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée au silicium polymorphe hydrogéné (pm-Si:H). Elle porte tout d'abord sur une étude du pm-Si :H puis sur une étude des cellules photovoltaïques fabriquées à partir de ce matériau. Le pm-Si:H est formé de couches minces nanostructurées et peut être déposé par PECVD conventionnelle. Les effets des différents paramètres de dépôt (mélanges gazeux, pression, puissance RF, température du substrat) sur les propriétés du matériau ont été étudiés pour optimiser sa qualité. La caractérisation des couches a été un enjeu primordial. Pour cela, nous avons choisi de combiner une palette très large de méthodes de caractérisation (ellipsomètrie spectroscopique, exodiffusion d'hydrogène, SIMS, FTIR, AFM, etc. . . ). A cause de la contribution des nanoparticules de silicium dans le plasma, la nature du dépôt du pm-Si:H montre la différence contrairement au a-Si:H pour lequel le dépôt se fait par le biais de radicaux ionisés. L'étude des conditions du procédé nous a conduit à fabriquer des cellules solaires d'un rendement initial de 9. 22 % avec un facteur de forme élevé (74. 1), mais aussi de démontrer des effets de vieillissement inhabituels, tels que i) une dégradation initiale rapide, ii) une dégradation irréversible, et iii) de grands changements structuraux macroscopiques. Nous avons découvert que le principal problème se situe entre le substrat et la couche mince de silicium. L'hydrogène moléculaire diffuse et s'accumule à l'interface entre le substrat et la couche mince, ce qui introduit un délaminage local qui a pour conséquence une dégradation initiale rapide des performances des cellules. Nous avons trouvé que sous éclairement une structure PIN facilite l'accumulation d'hydrogène et le délaminage à l'interface entre le substrat et la couche dopée p. Cependant, l'utilisation d'une structure NIP empêche l'accumulation d'hydrogène et le délaminage. Cela nous a permis de fabriquer des cellules solaires pm-Si:H de structure NIP d'un rendement stable de 8. 43 %, mais aussi de démontrer une degradation minimale (10 %) après un vieillissement de 500 heures.


  • Résumé

    This thesis is dedicated to hydrogenated polymorphous silicon (pm-Si:H) and solar cells based on this material. Pm-Si:H is a nanostructured thin film deposited by conventional PECVD method. The effects of various deposition parameters (gas flow ratio, pressure, RF power, Ts) on material properties were investigated in order to optimize its quality. The strategy was to combine a wide range of diagnostics (spectroscopic ellipsometry, hydrogen exodiffusion, SIMS, FTIR, AFM, etc. ). Due to the contribution of plasma synthesized silicon nanoparticles, the process condition of pm-Si:H shows the difference in contrary to a-Si:H deposition through ionized radicals. Studies on pm-Si:H deposition process allows to fabricate pm-Si:H PIN solar cells with a high initial efficiency of 9. 22 % and fill factor of 74. 1, but also demonstrate unusual light-induced effects, namely i) a rapid initial degradation, ii) an irreversible degradation, and iii) large macroscopic structural changes. Comprehensive investigation on the light-induced degradation kinetics of pm-Si:H PIN layer stacks reveals a pronounced hydrogen accumulation and delamination at the substrate/p-type layer interface under light-soaking, leading to macroscopic structural changes, e. G. , peel-off and solar cell area loss. We have found that a PIN structure leads to facilitated delamination during lightsoaking, which we attribute to hydrogen accumulation at the substrate/p-layer interface, while use of a NIP structure prevents the hydrogen accumulation and delamination. This lead us to fabricate pm-Si:H NIP solar cells showing a high stabilized efficiency of 8. 43 %, that shows a small (10 %) light-induced degradation after light-soaking for 500 hours.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (240 p.)
  • Annexes : Bibliographie : 255 réf.

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