Etude de la passivation de surface du silicium cristallin type P par dépôt de couches atomiques d'alumine pour application aux cellules solaires à haut rendement

par Matthieu Pawlik

Thèse de doctorat en Micro et Nanotechnologies,acoustique et télécommunications

Sous la direction de Jean-Pierre Vilcot, Cathy Sion et de Mathieu Halbwax.

Soutenue le 23-04-2015

à l'Ecole centrale de Lille , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (laboratoire) et de Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN) (laboratoire) .

Le président du jury était Antoine Goullet.

Les rapporteurs étaient Anne Kaminski-Cachopo, Stéphane Bastide.


  • Résumé

    La diminution du coût ainsi que l'augmentation du rendement des cellules solaires sont devenues les axes principaux de recherche depuis la crise qui a touché le marché du photovoltaïque en 2011. Une des principales stratégies est l’amincissement des cellules solaires dans le but de réduire les coûts des matériaux. Cependant, ceci diminue fortement le rendement de conversion suite à une plus forte influence des défauts structurels et électroniques, présents en surface. Ces défauts peuvent être « passivés » par l’Al2O3 déposé par technique PE-ALD. Ce matériau présente les meilleurs résultats de passivation de surface du silicium cristallin de type p. La couche de passivation nécessite un traitement thermique pour être effective. Ce phénomène se traduit par une augmentation de la durée de vie des porteurs de charge. Cette thèse, encadrée par les deux projets ANR PROTERRA et BIFASOL, ainsi qu’un financement de l’Ecole Centrale de Lille, présente l’optimisation des paramètres de dépôt de la couche de passivation d’Al2O3 ainsi qu’une étude approfondie du phénomène d’activation de la passivation, sur des échantillons avec et sans émetteur. L’analyse de la passivation a été réalisée grâce à des mesures couplées de durée de vie (PCD), électriques (C-V), de potentiel de surface (Sonde de Kelvin) et de spectrométrie (XPS, SIMS). Les sources de la passivation chimique et par effet de champ sont déterminées dans l'empilement Si/SiO2/Al2O3. Le rôle et la dynamique des hydrogènes contenus dans la couche d’alumine sont explicités. L’impact d’une encapsulation par du SiNx ainsi qu’un recuit de diffusion des contacts de 3s à 830°C est étudié

  • Titre traduit

    P-type crystalline silicon passivation using atomic layer deposition of alumina : application to high efficiency solar cells


  • Résumé

    The decrease of solar cell cost as well as the increase in their efficiency are main research topics since the photovoltaic market crisis in 2011. One of the main strategy is to move towards thinner solar cells, in order to decrease raw material consumption. However, the result is a higher impact of surface phenomena on cell characteristics because of a high influence of structure and electronic defects at the surface. These defects can be passivated by Al2O3 coated by PE-ALD (Plasma Enhanced-Atomic Layer Deposition) which has been shown to provide the best surface passivation on p-type silicon. In an as-deposited state, the passivation level of Al2O3 is very low and required an annealing treatment to be "activated". This phenomenon provides an increase of the minority carrier effective lifetime. This thesis founded by the ANR PROTERRA and BIFASOL projects with the financial support of the Ecole Centrale de Lille, focuses on the optimization of the deposition parameters of alumina with a deeper insight on the passivation activation phenomena on samples with and without emitter. The passivation analysis has been performed thanks to coupled lifetime (QSS and micro PCD), surface potential (Kelvin probe), electrical (C-V) and chemical (SIMS, XPS) characterizations. The origin of the chemical and field effect passivation has been determined within the Si/SiO2/Al2O3 stack. The dynamics of the hydrogen contained in bulk alumina is explained. The impact of a SiNx capping layer and a contact alloying anneal at 830°c for 3s is also investigated


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