Silicon surface passivation properties of aluminum oxide grown by atomic layer deposition for low temperature solar cells processes

par Fabien Lebreton

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de François Silva.

Le président du jury était Jean-Paul Kleider.

Le jury était composé de François Silva, Isabelle Betremieux, Cédric Broussillou, Sergej Filonovich.

Les rapporteurs étaient Stefan Glunz, Danièle Blanc.

  • Titre traduit

    Passivation de la surface du silicium cristallin par l’oxyde d’aluminium synthétisé via atomic layer deposition pour la fabrication de cellules photovoltaïques à basse température


  • Résumé

    Cette thèse se focalise sur les propriétés passivantes octroyées par des couches minces d’Al2O3 déposées par Atomic Layer Deposition (ALD) à partir de TMA et H2O pour les cellules photovoltaïques en silicium ayant des températures de fabrication inférieures à 400 °C. La première partie de ce travail de doctorat vise à identifier les mécanismes de formation des charges électrostatiques négatives présentes dans l’oxyde d’aluminium. Pour ce faire, les effets de l’illumination post-dépôt (à savoir le flux et l’énergie des photons), ainsi que la température du substrat ont été étudiés. Il a été constaté qu’au moins 70 % de ce qu’on appelle généralement les « charges fixes » sont en fait des charges piégées résultant de l’injection d’électrons du substrat de silicium dans l’oxyde d’aluminium. Par la suite, nous avons étudié l’influence des paramètres de dépôt de l’Al2O3 ainsi que l’impact des traitements post-dépôt sur le piégeage des charges et donc sur les performances passivantes qui en résulte au sein d’un empilement Al2O3/a-SiNX:H déposé sur du silicium cristallin de type p. Les liens entre l’épaisseur de l’Al2O3, la qualité et la durabilité de la passivation ont pu être établis. Le meilleur compromis s’est avéré être aux alentours 60 cycles ALD (~ 6 nm), permettant une durée de vie des porteurs de charges minoritaires allant jusqu’à 4500 μs. La deuxième partie de ce travail doctoral porte sur les mécanismes de dégradation de la passivation. La formation de cloques à l’interface c-Si/Al2O3 est le premier mécanisme de dégradation étudié. Grâce à la microscopie acoustique colorée, la dégradation de l’interface Al2O3/c-Si lors de l’épaississement de l’Al2O3 a été confirmée, mais également lors la réduction de sa température de dépôt, c’est-à-dire en augmentant sa teneur en hydrogène. Une dérive thermique pendant l’ALD (TD-ALD) a été utilisée pour résoudre ce problème de cloquage. L’augmentation continue de la température du substrat pendant le dépôt favorise la libération de l’hydrogène à partir de l’interface c-Si/Al2O3. Pour 60 cycles ALD, le TD-ALD a permis d’augmenter la durée de vie des porteurs de charges jusqu’à 5500 μs. Enfin, l’affaiblissement de la passivation par effet de champ résultant des charges positives dans la couche de protection a-SiNX:H a été mis en évidence par simulation numérique. Les propriétés du a-SiNX:H ont été expérimentalement optimisée grâce à une approche par plan d’expérience. Une nouvelle couche mince d’a-SiNX: H contenant 50 % de charges fixes positives en moins a permis d’obtenir une durée de vie des porteurs de charges de 8800 μs pour 60 cycles de TD-ALD, c’est-à-dire une vitesse de recombinaison de surface exceptionnelle basse de 0,8 cm.s-1.


  • Résumé

    This thesis focuses on the passivation properties provided by thin Al2O3 films grown by atomic layer deposition (ALD) from TMA and H2O for silicon solar cells having process temperatures lower than 400 °C. The first part of this doctoral work aims at identifying the formation mechanisms of negative electrostatic charges in aluminium oxide. Thus, the effects of post-deposition illumination (namely photon flux and photon energy), as well as substrate temperature were investigated. It was found that at least 70 % of what are generally named “fixed charges” are in fact trapped charges resulting from the injection of carriers from the silicon substrate into the aluminium oxide. From this result, we studied the influence of Al2O3 deposition parameters and post-deposition treatments on charge trapping and resulting passivation performances within an Al2O3/a-SiNX:H stack on p-type c-Si. The dependence of passivation performance (and stability) on Al2O3 thickness has been highlighted. Best compromise has been found to be around 60 ALD cycles (~6 nm), providing a lifetime up to 4500 µs. The second part of this PhD deals with the degradation mechanisms of passivation. Blistering at the c-Si/Al2O3 interface is the first studied degradation mechanism. Thanks to coloured picosecond acoustic microscopy, the Al2O3/c-Si adhesion has been confirmed to be reduced by Al2O3 thickening but also by the reduction of its deposition temperature, i.e. an increase of hydrogen content. A thermal drift during ALD (TD-ALD) has been used to solve this blistering issue. Gradual increase of the substrate temperature during the growth favours the release of hydrogen from the wafer/Al2O3 interface. For 60 ALD cycles, TD-ALD increased the lifetime up 5500 µs. Finally, the weakening of the electrostatic passivation arising from the positive charges in a-SiNX:H capping layer has been underlined by finite element simulations. The a-SiNX:H properties have been experimentally tuned thanks to a design of experiment approach. New a-SiNX:H capping containing 50 % less positive fixed charges resulted in a lifetime of 8800 µs for 60 TD-ALD cycles, i.e. an outstanding surface recombination velocity of 0.8 cm.s-1.


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