Modélisation et caractérisation du transport électrique dans le silicium microcristallin pour des applications photovoltaïques

par Pascale Abboud

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Alain Foucaran.


  • Résumé

    Les couches minces du silicium présentent de nombreux avantages dans la course à la production de modules solaires à grande échelle de part leur consommation très réduite de matière, leur faible coût de production et leur pertinence dans la technologie solaire flexible. Le silicium microcristallin hydrogéné (c-Si:H), préparé par dépôt chimique en phase vapeur (PECVD), a suscité un intérêt croissant grâce à sa stabilité contre la dégradation induite par la lumière et sa meilleure absorption comparées à celles du silicium amorphe. La structure mixte de ce matériau constituée du silicium amorphe et de grains cristallins arrangés sous forme d'agrégats coniques ou colonnaires influe sur les mécanismes du transport électrique.Dans cette thèse, un modèle tridimensionnel de croissance du c-Si:H est utilisé pour reproduire les principales caractéristiques de la dynamique de croissance et la microstructure du c-Si:H : une forme conique ou colonnaire des grains, une zone de transition amorphe nanocristalline, une rugosité de surface et une fraction cristalline qui évoluent avec l'épaisseur.Un modèle de transport électrique tridimensionnel utilisant les matériaux générés est développé. Ce modèle met en jeu des paramètres électriques correspondant au transport dans la phase amorphe, cristalline et au travers des joints de grains. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures de conductivité électrique montrant un excellent accord et permettant d'extraire les caractéristiques de la barrière de potentiel formée entre les grains. Cette modélisation numérique, à la fois du processus de la croissance et du comportement électrique permet de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de transport dans ces matériaux fortement hétérogènes.Une caractérisation en bruit basse fréquence des couches microcristallines ayant différentes fractions cristallines est menée dans le but de mieux appréhender les mécanismes de transport. Le comportement en bruit trouvé est typique d'un phénomène de percolation.Les contacts métalliques utilisés lors des caractérisations électriques sont étudiés par la méthode TLM. La modélisation numérique de la structure de test a permis d'extraire la résistivité de contact et la résistance carrée des couches. Nos résultats suggèrent un processus de percolation à l'interface métal/c-Si:H.

  • Titre traduit

    Modeling and characterization of electrical transport in microcrystalline silicon for photovoltaic applications


  • Résumé

    Silicon thin films present many advantages in the production of large scale solar cells due to their very low material consumption, low production cost and their relevance in the flexible solar technology. The hydrogenated microcrystalline silicon (c-Si:H) prepared by chemical vapor deposition (PECVD ), has attracted increasing interest due to its stability against degradation induced by light and its better absorption compared to amorphous silicon . The mixed structure of this material consisting of amorphous silicon and crystalline grains arranged in the form of conical or columnar aggregates affects the electrical transport mechanisms. In this thesis, a three-dimensional model is used to reproduce the main features of the growth dynamics and the microstructure of c-Si:H: conical or columnar grains, an amorphous/nanocrystalline transition zone, a surface roughness and a crystalline fraction evolving with the thickness. A three-dimensional model of the electrical transport using the generated structures is developed. This model involves electrical parameters corresponding to the transport in the amorphous phase, crystalline phase and through the grain boundaries. The simulation results are compared to the electrical conductivity measurements showing an excellent agreement and allowing to extract the characteristics of the potential barrier formed between the grains. The numerical modeling of both the process of growth and the electrical behavior contributes to a better understanding of transport phenomena in these highly heterogeneous materials.A low frequency noise characterization of microcrystalline silicon layers with different crystalline fractions has been performed in order to understand the transport mechanism. The noise behavior is found to be typical of a percolation phenomenon.The metallic contacts used in the electrical characterizations are studied by the TLM method. Numerical modeling of the test structure allows extracting the contact resistivity and the sheet resistance of the films. Our results suggest a percolation process on the metal / c-Si:H interface.


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