Caractérisation électronique de couches minces de silicium polymorphe (pm-Si:H) déposées à grande vitesse

Electronic characterization of polymorphous silicon (pm-Si:H) thin films deposited at high rate for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Yrébégnan Moussa Soro
• Direction : Jean-Paul Kleider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Mots clés libres

Vitesse de dépôt

Rf-PECVD

Résumé

Le silicium polymorphe hydrogéné (pm-Si:H) présente de meilleures propriétés électriques et moins de défauts métastables comparé au silicium amorphe standard (a-Si:H). C'est un matériau amorphe nanostructuré qui peut être obtenu dans les conditions proches de la formation de poudres. Toutefois, les études menées jusque-là sur ce matériau ont été limitées à des couches déposées à faibles vitesses (environ 1 Å/s). Le travail présenté dans ce mémoire est motivé par l'augmentation de la vitesse de dépôt du pm-Si:H. Plusieurs séries d'échantillons ont été déposées par la technique rf-PECVD à des vitesses comprises entre 5 et 10 Å/s. Des techniques complémentaires ont été utilisées pour caractériser les propriétés structurales, électroniques et de transport des différentes couches. Les propriétés du pm-Si:H déposé à grande vitesse ont été comparé à celles du a-Si:H standard. Nous avons mis en évidence la possibilité d'obtenir du pm-Si:H de bonne qualité avec notamment des valeurs de longueur de diffusion ambipolaire pouvant atteindre 290 nm en pratiquant des vitesses de dépôt jusqu'à 10 fois plus grandes. Afin de corréler la qualité du matériau avec les performances photovoltaïques, des modules de 10x10 cm2 composés de cellules p-i-n dont la couche intrinsèque (i) est faite avec du pm-Si:H déposé à grande vitesse ont été fabriqués et caractérisés. Les meilleurs modules ont donné des densités de courant de court-circuit pouvant atteindre 15,8 mA/cm2 et une tension de circuit ouvert de 940 mV par cellule. Ces relatives bonnes performances sont consécutives à une bonne collecte des porteurs de charge dans la couche i.

Hydrogenated polymorphous silicon (pm-Si: H) presents better electrical properties and least metastable defects than standard amorphous silicon (a-Si:H). The pm-Si:H is a nanostructured amorphous material that can be obtained in deposition conditions close to those of powder formation. However, studies conducted so far on this material have been Iimited to films deposited at low rates (around 1 Å / s). The work presented in this thesis has been motivated by the increase of pm-Si:H deposition rates. Several sets of samples were deposited at high rates between 5 and 10 Å/s by rf-PECVD technology. Then we have used various complementary techniques to characterize the structural, electronic and transport properties of the layers. Ln order to reveal the good properties of our pm-Si:H samples, a-Si:H standard material is used as reference. We have demonstrated the ability to achieve device grade pm-Si:H at deposition rates up to 10 times larger than standard rates with particular ambipolar diffusion length up to 290 nm. Finally, the material quality has been correlated with the photovoltaic performances of modules of 10 x 10 cm2. These later are composed of p-i-n cells, the intrinsic layer (i) of which was made with our high rate pm-Si:H. The best modules short-circuit current density was about 15. 8 mA/cm2 while the open circuit voltage reached 940 mV per cell. These relatively good performances are the consequences of a good collect of charge carriers in the layer i.