Du transfert de films minces de Silicium monocristallin vers un procédé cellule à faible budget thermique

par Sévak Amtablian

Thèse de doctorat en Dispositifs de l'électronique intégrée

Sous la direction de Mustapha Lemiti.

Soutenue en 2008

à Lyon, INSA .

mots clés

• Silicium poreux
• Épitaxie
• Couches minces

Résumé

La seconde génération de cellules photovoltaïques se caractérise par une diminution des coûts de production tout en gardant des rendements de conversion élevés. L'approche abordée dans ce manuscrit consiste à jumeler économie de matière et procédés cellule à faible budget thermique. Nous développons une technique de transfert de couche mince (< 50 µm) de silicium monocristallin basée sur la formation d'une couche fragile de silicium poreux, la croissance par épitaxie de la couche active et son détachement après son report sur un substrat bon marché. La formation de la couche de silicium poreux et son comportement à haute température ont été étudiés afin de fournir une couche simultanément assez dense pour obtenir une croissance par épitaxie de bonne qualité et assez fragile pour autoriser le détachement de la couche mince. Un réacteur d'épitaxie pour des substrats de diamètre 100 mm a été installé et les paramètres de croissance ont été validés: température, vitesse de croissance, dopage, homogénéité. Les caractérisations structurales (MEB, RX, attaque SECCO) et électriques (effet Hall, LBIC, résistivité) du matériau montrent une qualité adaptée aux applications photovoltaïques. Nous avons alors entrepris la réalisation de cellules à faible budget thermique à hétérojonction a-Si:H/c-Si et à émetteur obtenu in-situ par épitaxie. Outre l'avantage économique, les procédés basses températures sont bénéfiques à la qualité du matériau. De plus, les atouts du contact arrière par points sur le rendement et le procédé de fabrication des cellules minces sont mis en avant: gain en courant, gain en passivation, réduction des contraintes mécaniques.

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Titre traduit

= From transferred monocrystalline silicon thin layers ta solar cells low thermal budget processes

Résumé

The second generation of solar cell will be characterized by a decrease in production costs while maintaining high conversion efficiencies. The aim of this work is to carry out both silicon material saving and low thermal budget solar cell processes. We developp a monocrystalline silicon thin layer (< 50 µm) transfer process based on porous silicon and epitaxial growth. A sacrificial brittle porous bi-layer obtained by electrochemical anodization is used as a seed layer for epitaxial growth and for the further grown thin layer detachment. Layers as thin as 20 µm have been transferred on foreign substrate. The porous silicon formation and its behavior at high temperature has been studied in order to obtain simultaneously high epilayer quality and fragile enough sacrificial layer for the detachment. A four inches epitaxial reactor has been built and growth parameters have been determined: temperature, growth rate, doping level, homogeneity. Material structural characterization such as AFM, MEB, RX, SECCO etching and electrical characterization such as Hall mobility, LBIC, resistivity show a high quality material well suited for photovoltaïc purposes. We then choose to fabricate low thermal budget solar cells. Two kinds of architecture were used with amorphous/crystalline silicon heterojunction or in-situ epitaxially grown emitter. Besides the economic benefit, low temperature processes are advantageous for material quality. Moreover, we assess the rear points contact advantages, especially on thin layer, in the viewpoint of conversion efficiency and elaboration process: current enhancement, improved passivation, mechanical stress reduction.