Structure et propriétés optiques et électriques de nitrure de silicium obtenu par CVD assisté par plasma : Application à la passivation des cellules photovoltaïques en silicium

Structural, optical and passivating properties of silicon nitride obtained by plasma-assisted CVD : Application to the passivation of silicon-based solar cells

• Auteur / Autrice : Hicham Charifi
• Direction : Jean-Claude Müller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur. Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Passivité (chimie)

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Nitrure de silicium

Photopiles

Mots clés libres

Passivation

Résumé

Ce travail de thèse, qui est inscrit dans le cadre d’un projet national de recherche appliqué à vocation industrielle intitulé ´PHARE´, a pour but de mieux appréhender les propriétés optiques, structurales et de passivation des couches de nitrure de silicium SiN:H élaborées par un réacteur prototype ´PECVD´ de la société ´Roth & Rau´ en fonction de ses différents paramètres technologiques afin de les optimiser en vue de leur utilisation pour des cellules photovoltaïques. Nous avons pu élaborer une large gamme d’indice de réfraction (1,9<n<3,4) qui correspond à un intervalle de steochiométrie (0,34<x=N/Si<1,34) étalé sur l’ensemble des rapports étudiés (0,3<R=NH3/SiH4<5). Il diminue lorsque que l’un de ces trois paramètres (température de dépôt, tension de polarisation ou rapport R) augmente. La vitesse de dépôt varie de 6 à 45 nm/min sur l’ensemble des combinaisons des paramètres choisis et dépend fortement du rapport des flux R, du flux total des gaz (pression) et de la puissance du générateur microonde. L’analyse par XPS confirme l’existence de deux phase Si3N4 et d’amas de Si Si(Si4) dans la matrice SiN:H avec des concentrations dépendantes de sa stœchiométrie. L’étude de la désorption d’hydrogène nous a montré que la structure de la matrice SiN (via la densité massique) est un paramètre fondamental pour la détermination du mécanisme de libération de l’hydrogène après traitement thermique et de sa future diffusion dans la matrice SiN. L’étude des propriétés de passivation de nos couches SiN déposées sur différents types de substrat de silicium a montré que les vitesses de recombinaison en surface Seff obtenues sont intéressantes et comparables aux valeurs rapportées dans la littérature. Les meilleurs résultats (Seff,max=26 cm/s sur le Si type p, Seff,max=17 cm/s sur le Si type n) ont été obtenus pour les couches SiN riches en silicium (faible R) déposées avec les paramètres optimaux (une tension de polarisation de 150 V et une température de 400°C). Ceci est due principalement à la réduction de la densité d’états d’interface Dit puisque nous n’avons pas observé une dépendance significative de la densité des charges fixes (Qf~1012 cm-2) avec la steochiométrie des couches. Les résultats de l’application de nos couches SiN sur des substrats de Si multi-cristallin indiquent d’une part qu’une hydrogénation peut se produire lors du dépôt des couches et d’autre part que les meilleurs propriétés de passivation de surface et de volume après recuit RTA sont données par les couches SiN riches en azote de faible indice de réfraction. Les résultats de l’application de nos couches SiN sur des surfaces de Si diffusées en phosphore (émetteurs n+ formés par voie solide ou gazeuse) montrent que les paramètres de l’émetteur (choix de la concentration de la source dopante et des conditions de recuit de diffusion) sont beaucoup plus importants et conditionnent ceux de la passivation de surface. Les résultats issus des premiers tests d’application de nos couches sur des cellules photovoltaïques à base de silicium multi-cristallin sont encourageants. Des courants Jcc de l’ordre de 30 mA/cm2 et des tensions Voc de 595 mV ont été déterminés sur certaines cellules. La cellule recouverte avec la couche SiN déposée avec un rapport de 19/16 donne le meilleur rendement de conversion (13,46% valeur qui est encore à optimiser) par rapport à l’ensemble des cellules mc-Si que nous avons réalisées.

This work of thesis, registered within the framework of a national project of research applied to industry labellized `PHARE'. The work has been proposed for the purpose of better apprehending the optical, structural and passivating properties hydrogenated silicon nitride films (SiN:H) elaborated by a prototype reactor PECVD, Roth & Rau, with respect to various technological parameters and to optimize them for the use of silicon-based solar cells. A broad range of refractive index (1. 9<n<3. 4) has been obtained in the interval of stoichiometry (0. 34<x=N/Si<1. 34) and NH3 to SiH4 ratio, R of 0. 3<R=NH3/SiH4<5. The refractive index decreases when that one of these three deposition parameters (deposition temperature, biasing tension or ratio R) increases. The deposition velocity varies globally from 6 to 45 nm/min on the whole of the combinations of the selected parameters and strongly depends on the flow ratio, R, total flow of gases (pressure) and microwave power. The analysis by XPS confirms the existence of two phases: Si3N4 and clusters of Si Si(Si4) in the SiN matrix with concentrations depending on its stoichiometry. The study of the hydrogen desorption showed that the structure of SiN matrix (via the mass density) is a fundamental parameter determining the mechanism of release of hydrogen after heat treatment and its future diffusion in the SiN matrix. The study of the passivation properties of our SiN films deposited on various types of silicon substrates showed that surface recombination velocity Seff are interesting with the best results of Seff, max=26 cm/s on p-type Si and Seff, max=17 cm/s on n-type Si, when SiN films are rich in silicon (low R) deposited at the optimal parameters (a biasing tension of 150 V and a temperature of 400°C). This is mainly due to the reduction of density of interface states Dit since we did not observe a significant dependence of the density of the fixed charges (Qf~1012 cm-2) with the stoichiometry of films. The results on SiN films deposited on multi-crystalline silicon substrates indicated that the hydrogenation could occur during the deposition of the films. The best passivation properties were noticed after RTA annealing of N rich SiN films with a low refractive index, optimal like antireflecting layers. The results on the application of our SiN films on phosphorus diffused silicon surfaces (emitters n+ formed by solid or gas ways) showed that the parameters of the emitter formation (choice of the doping concentration in the source and the conditions of the diffusion annealing) are much more important and the conditions of the surface passivation as well. The results from the first tests of our films applied on mc silicon based solar cells are encouraging with short circuit current Jsc of about 30 mA/cm2 and open circuit tensions Voc of about 595 mV. The solar cell covered with the SiN film deposited with a ratio of 19/16 gives the best conversion efficiency of 13,46% (value which is still to be optimized) among the whole range of mc-Si solar cells, which we studied.