Croissance de couches minces de silicium pour applications photovoltaïques par epitaxie en phase liquide par évaporation du solvant

par Stephen Giraud

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Thierry Duffar et de Alain Fave.

Soutenue le 01-12-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Institut national de l'énergie solaire (laboratoire) , Institut National de l'Energie Solaire (laboratoire) et de Département des Technologies Solaires (laboratoire) .

Le président du jury était Nathalie Mangelinck-Noël.

Le jury était composé de Thierry Duffar, Alain Fave, Etienne Pihan.

Les rapporteurs étaient Eric Tournié, Abdelilah Slaoui.


  • Résumé

    Une solution pour réduire la consommation de Si de haute pureté dans les cellules solaires à base de Si cristallin est de faire croître une couche active mince de haute qualité sur un substrat à faible coût. L'Epitaxie en Phase Liquide (EPL) est l'une des techniques les plus appropriées, car la croissance est réalisée dans des conditions proches de l'équilibre. On s'intéresse plus particulièrement au développement et l'optimisation d'une technique de croissance stationnaire et isotherme basée sur l'évaporation du solvant : l'Epitaxie en Phase Liquide par Evaporation d'un Solvant métallique (EPLES). Les principaux critères concernant le choix du solvant, de l'atmosphère de croissance et du creuset sont d'abord présentés et permettent de concevoir une première configuration d'étude. Un modèle analytique est ensuite développé pour comprendre les mécanismes mis en œuvre et étudier la cinétique d'évaporation du solvant et de croissance. Les différentes étapes du procédé de croissance dans le cas de l'EPLES de Si sont examinées et mettent en évidence un certain nombre de difficultés technologiques liées à cette technique : contrôle de la convection dans le bain, réactivité du bain Si-M avec le creuset, transport par différence de température et dépôt pendant la phase de refroidissement. Des solutions techniques sont proposées et mise en place pour contourner les difficultés rencontrées. Des couches épitaxiées de Si uniformes comprises entre 20 et 40 µm sont alors obtenues par EPLES avec des bains Sn-Si et In-Si sur substrat Si monocristallin entre 900 et 1200°C sous vide secondaire. Les vitesses de croissance expérimentales atteintes sont comprises entre 10 et 20 µm/h et sont conformes aux prédictions du modèle cinétique. La qualité structurale obtenue est comparable à celle des couches obtenues par EPL. Des couches de type P, avec un bain dopé In et In(Ga) sont obtenues avec une concentration en dopants proches de 1017 at.cm3 compatible avec une application PV. Enfin le potentiel de l'application de cette technique est évalué en basant la discussion sur la réalisation d'une couche de Si obtenue par EPLES sur substrat multicristallin avec un bain In-Si.

  • Titre traduit

    Growth of si thin films by isothermal liquid phase epitaxy driven by solvent evaporation for pv applications


  • Résumé

    Crystalline Si thin films on low-cost substrates are expected to be alternatives to bulk Si materials for PV applications. Liquid Phase Epitaxy (LPE) is one of the most suitable techniques for the growth of high quality Si layers since LPE is performed under almost equilibrium conditions. We investigated a growth technology which allows growing Si epitaxial thin films in steady temperature conditions through the control of solvent evaporation from a metallic melt saturated with silicon: Liquid Phase Epitaxy by Solvent Evaporation (LPESE). We studied the main requirements regarding selection of solvent, crucible and growth ambient, and a first experimental set up is designed. An analytical model is described and discussed, aiming to predict solvent evaporation and Si crystallization rate. Growth experiments are implemented with a vertical dipping system. Growth procedure is presented and the influence, on Si growth, of melt convection, temperature gradient in the melt and Si-M reactivity with the material crucible are discussed. Solutions are proposed to improve and optimise the growth conditions. Experimentally, Si thin films were grown from Sn-Si and In-Si solution at temperatures between 900 and 1200°C under high vacuum. We are able to achieve epitaxial layers of several micrometers thickness (20-40µm). The predicted solvent evaporation rate and Si growth rate are in agreement with the experimental measurements. Regarding the structural quality, it is comparable to the crystal quality of layers grown by LPE. With In and In(Ga) melts, we can obtain P-type epitaxial layers with doping level in the range 1017 at.cm3, which is of great interest for the fabrication of solar cells. Finally, the growth of Si thin films on multicrystalline Si substrates by LPESE is discussed to assess the potential application of this technique.


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