Photoluminescence Techniques for the Characterization of Photovoltaic Interfaces

par Ming Xu

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Paul Kleider.


  • Résumé

    Dans ce travail, nous avons appliqué des techniques de photoluminescence en régime stationnaire (PL) et photoluminescence en régime modulé (MPL) à l'étude d'hétérojonctions formées entre du silicium cristallin (c-Si) et du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Plus précisément, nous avons comparé des échantillons constitués de dépôts de (n)a-Si:H, (i)a-Si:H, (n)a-Si:H/(i)a-Si:H, et (p)a-Si:H/(i)a-Si:H sur des wafers de (n) c-Si de haute qualité électronique. Les mesures en fonction de la température montrent que la durée de vie des porteurs en excès diminue lorsque la température diminue, ce qui peut être qualitativement reproduit par la simulation dans un mécanisme de recombinaison de type Shokley-Read-Hall (SRH) en tenant compte du niveau d’énergie du dopant (phosphore) dans le substrat et de niveaux peu profonds électroniquement actifs à l'interface.Nous avons également étudié des échantillons dopés par implantation d'ions puis passivés par AlOx, a-Si:H et SiC. Des signatures de dislocations sont révélées à basse température par des pics supplémentaires de PL.Nous avons également comparé les résultats de cartographies de PL et de durée de vie obtenues par l'analyse de l'amplitude de MPL, et par l'analyse de son déphasage. Il est constaté que les propriétés optiques des échantillons ont un grand impact sur la cartographie PL, ce qui pourrait conduire à une conclusion erronée sur leur homogénéité. En revanche, les cartographies de durée de vie sont moins sujettes à des variations de paramètres optiques et au bruit provenant du processus de mesure, phénomènes qui ne sont pas intrinsèques à l'échantillon étudié.La nature différentielle de la mesure MPL est étudiée. Nous démontrons la notion de durée de vie à l'état stationnaire et de durée de vie différentielle. Nous analysons différents types de recombinaisons avec la durée de vie MPL et avons mis en œuvre des simulations des hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Nous constatons que dans le domaine d'excitation intéressant pour le photovoltaïque, la durée de vie différentielle est souvent inférieure à la durée de vie à l'état stationnaire. Nous faisons aussi des comparaisons entre les durées de vie obtenues par mesures dites QSSPC et MPL et montrons qu'elles sont en fait égales.La combinaison des techniques de PL et de MPL nous a permis d'étudier le coefficient de recombinaison radiative en fonction de la température. Les résultats publiés jusqu'ici dans la littérature couvrent la plage de température de 300 K à 90 K. Dans cette plage, nos résultats sont en très bon accord avec ces résultats publiés précédemment. Mais, grâce à notre système de mesure et à la combinaison PL/MPL, nous avons obtenu des valeurs de ce coefficient jusqu’à 20 K et nous avons pu proposer une fonction polynômiale du cinquième degré qui permet de bien reproduire les variations en fonction de la température sur toute la plage de 20 K à 300 K.Dans une dernière partie de la thèse, les propriétés de transport de porteurs et l'effet de couplages sont étudiés dans des empilements de quantum dots. Nous avons examiné les quantum dots de InAs qui croissent de manière ordonnée en formant des chaînes à partir d'une couche tampon en InGaAs (couche dite de "cross hatch pattern"). Nous avons caractérisé par PL des monocouches ainsi que des multicouches empilées de chaînes de quantum dots. L'effet de couplage entre dots dans le plan est observé sur des échantillons de monocouches, et nous remarquons une inhibition du couplage vertical entre couches qui est expliqué par l'effet du champ de déformation de la couche de cross hatch pattern.

  • Titre traduit

    Techniques de Photoluminescence pour l'étude des Interfaces Photovoltaïques


  • Résumé

    Silicon solar cells remain the driving technology and dominate the photovoltaics market. Hydrogenated amorphous silicon/crystalline silicon (a-Si:H/c-Si) heterojunction cells achieve the best efficiency in silicon cells to date (25.6%). A great part of this achievement is assigned to the improvement of the passivation of the emitter/absorber interface. In that regard, luminescence techniques whether Photoluminescence (PL) or Modulated photoluminescence (MPL), are particularly appropriate to investigate surface defects and effective carrier lifetime.In this work, we developed a PL/MPL setup coupled to a helium cooled cryostat to the study of a-Si:H/c-Si heterojunctions. Considering the modulated nature of the MPL, we introduced the concept of steady state lifetime and differential lifetime. Through simulations, we analyzed different types of recombination mechanisms and found that the differential lifetime is lower than the steady state lifetime. We also benchmarked the lifetime determined by photoconductance decay measurements and the MPL lifetime and demonstrated that they are actually equal.We have analyzed various samples of a-Si:H/c-Si heterojunctions from multiple sources, particularly within the framework of the European project HERCULES (High Efficiency Rear Contact solar cells and Ultra powerful moduLES). The samples are composed of various doping and passivation layers such as AlOx, a-Si:H and a-SiC:H fabricated on high quality (n)c-Si wafers. The temperature dependent measurements show that the excess carrier lifetime decreases when temperature decreases, which is explained by the Shockley-Read-Hall recombination model at the heterojunction interface. The combination of PL and MPL measurements have enabled us to determine the radiative recombination coefficient in crystal silicon as a function of temperature. Our measurements have extended the original data to 20 K. We propose a fifth order polynomial of the radiative recombination coefficient as a function of temperature in the range of 20 to 300 K and it agrees very well to others’ work.We also investigated the possibility to extend the system to carry out PL and MPL mapping in order to extract the cell homogeneity and the lifetime distribution across the sample. We found that the optical property of sample has a significant impact on the PL mapping and could lead to incorrect conclusion with respect to the homogeneity. However the lifetime mapping from MPL produces imaging that is less prone to variation of optical properties.At last, we utilized the temperature dependent micro PL to investigate the coupling of InAs quantum dot chains (QDC) stacks grown on InGaAs cross hatch patterns separated with a 10 nm GaAs layer. The PL spectra are dominated by the top-most stack, indicating that the QDC layers are nominally uncoupled. However, under the high excitation power densities achievable with the micro PL system, when the high-energy peaks of the top stack are saturated, low-energy PL peaks from the bottom stacks emerge as a result of the carrier transfer across the GaAs spacers. These unique PL signatures contrast with the state-filling effects in conventional, coupled QD stacks and serve as a means to quickly assess the presence of electronic coupling in stacks of dissimilar-sized nanostructures.


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