Développement des outils de caratérisation in-situ de matériaux semi-conducteur par photoluminescence techniques

Development of in-situ photoluminescence characterization tools for the study of semiconductors for photovoltaics application

• Auteur / Autrice : Mengkoing Sreng
• Direction : François Silva
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies industrielles
• Date : Soutenance le 21/10/2019
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Kleider
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Silva, Stefan Glunz, Anne Kaminski-Cachopo, Danièle Blanc, Isabelle Betremieux, Benjamin Strahm, Jimmy Melskens
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Glunz, Anne Kaminski-Cachopo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoluminescence

Électricité

Optique

Technique de l'environnement

Science des matériaux

Mots clés libres

Photoluminescence in-Situ

Durée de vie des porteur

Passivation de surface

Cellule mono-Junction

Cellule tandem

In-Situ photoluminescence

Minority carrier lifetime

Surface passivation

Mono-Junction cell

Tandem cell

Résumé

Au cours des dernières décennies, le rendement des cellules photovoltaïques a été considérablement amélioré, atteignant presque la limite théorique de Shockley-Queisser. À ce stade, une compréhension profonde des propriétés des matériaux et de leur évolution au cours des processus de fabrication des cellules solaires devient de plus en plus cruciale pour améliorer encore le rendement de la conversion des cellules. Pour cette raison, ma thèse a été axée sur le développement des outils de caractérisation in-situ, qui permettent d'étudier les propriétés des matériaux en temps réel pendant les processus. Les outils ont été développés sur la base de techniques de photoluminescence, dans lesquelles l'échantillon (matériaux semi-conducteurs) est optiquement excité et émet simultanément des photons avec une énergie approximativement égale à la bande interdite des matériaux. Dans cette thèse, trois outils de caractérisation in situ seront présentés.La SSPL in-situ, basée sur la technique de photoluminescence à l'état d'équilibre, est développée pour étudier les propriétés des matériaux semi-conducteurs au cours des processus en mesurant directement l'intensité du signal PL. Après la mise à niveau du système d'acquisition optique, l'outil a été utilisé pour étudier l'évolution des propriétés de surface de silicium cristallin, passivée par l'oxyde d'aluminium (Al2O3) développé par ALD et de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) développé par PECVD, sous exposition au plasma Ar/H2 dans différentes conditions. À partir de ces expériences, les différences comportement entre l’échantillon passivé par Al2O3 et l’échantillon passivé par a-Si:H ont été observées et discutées. De plus, grâce à l'expérience d'exposition au plasma à travers une fenêtre optique (MgF2), la cause de la dégradation de la passivation de surface induite par le plasma était déterminée. Enfin et surtout, la relation entre la dynamique de la dégradation induite par le plasma et les paramètres du plasma (par exemple, puissance RF appliquée, pression de la chambre et température) a également été étudiée.Pour aller plus loin, le MPL in-situ, basé sur la technique de photoluminescence modulée, est conçu pour étudier quantitativement les propriétés des matériaux semi-conducteurs. Cet outil de caractérisation utilise un laser à modulation d'intensité pour exciter l'échantillon, afin de pouvoir mesurer la durée de vie des porteurs minoritaires. Après la conceptualisation et la fabrication d'un nouveau système d'acquisition optique, l'étalonnage du système et l'optimisation des paramètres MPL ont été réalisés. En outre, une méthode de caractérisation a également été développée, de sorte que le MPL in situ est capable de mesurer la durée de vie des porteurs minoritaires à une densité de porteurs minoritaires souhaité (par exemple, 10^15 cm^-3 pour une cellule solaire à une jonction non concentrée). Après de nombreux travaux, l'outil est maintenant fonctionnel et a été utilisé pour mesurer la durée de vie des porteurs minoritaires de silicium cristallin pendant le dépôt de la couche de passivation a-Si:H, le traitement thermique et le dépôt de nitrure de silicium (a-SiNx:H). Les résultats expérimentaux montrent que la température à laquelle les processus ont été conduits joue un rôle majeur dans l'activation et la modification des propriétés de passivation de surface fournies par Al2O3.Enfin, alors que la tendance à la cellule solaire tandem augmente rapidement, un autre outil de caractérisation in-situ, appelé PLt in-situ (photoluminescence in-situ pour cellule solaire tandem), a été développé. Cet outil de caractérisation résulte d'une combinaison de technique de steady-state photoluminescence et de photoluminescence modulée. Il a été conçu pour étudier en temps réel les propriétés des deux sous-cellules, indépendamment et simultanément. Le PLt in-situ peut être un outil de caractérisation potentiel pour la recherche sur les cellules solaires tandem à haute efficacité.

During the last few decades, the conversion efficiency of photovoltaic solar cell has been significantly improved, almost reaching the Shockley-Queisser theoretical limit. At this point, a profound understanding of material properties and its evolution during the solar cell fabrication processes become increasingly crucial to further improve the cell conversion efficiency. For this reason, my doctoral studies have been focused on the development of in-situ characterization tools, which allows the studies of material properties in real time during the processes. The tools were developed based on photoluminescence techniques, in which the sample (semiconductor materials) is optically excited and simultaneously emits photons with energy approximately equal to the band gap of materials. In this thesis, three in-situ characterization tools will be presented.In-situ SSPL, based on steady-state photoluminescence technique, is developed to study the properties of semiconductor materials during the processes by directly measuring the steady-state PL intensity. After the upgrade of optical acquisition system, the tool has been used extensively to study the evolution of surface properties of crystalline silicon wafer, passivated by aluminum oxide (Al2O3) grown by atomic layer deposition (ALD) and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), under Ar/H2 plasma exposure at different conditions. From these experiments, the behavioral differences between Al2O3-passivated sample and a-Si:H-passivated sample was observed and discussed. In addition, thanks to the plasma exposure experiment through a magnesium fluoride optical window (MgF2), the root cause of plasma-induced degradation of surface passivation was pin-pointed. Last but not least, the relationship between the dynamic of plasma-induced degradation and the plasma parameters (e.g. applied RF power, chamber pressure, and temperature) was also studied.To go one step further, in-situ MPL, based on modulated photoluminescence technique, is built to quantitatively study the properties of semiconductor materials. This characterization tool employs an intensity-modulated laser to excite the sample, so the minority carrier lifetime can be measured. After the conceptualization and fabrication of a new optical acquisition system, the system calibration and the optimization of MPL parameters were conducted. Furthermore, a characterization method was also developed, so the in-situ MPL is able to measure the minority carrier lifetime at a defined minority carrier density (e.g. 1015 cm-3 for non-concentrated single junction solar cell). After a lot of work, the tool is now fully functional and has been used to measure the minority carrier lifetime of crystalline silicon wafer during the de position of a-Si:H passivation layer, the thermal treatment, and the deposition of hydrogenated amorphous silicon nitride (a-SiNx:H) anti-reflection coating. The experimental results show that the temperature at which the processes were conducted plays a major role in activation and modification of surface passivation properties provided by Al2O3.Finally, as the tendency toward tandem solar cell has been continuously growing, another in-situ characterization tool, known as in-situ PLt (in-situ photoluminescence for tandem solar cell), was built. This characterization tool results from a combination of steady-state photoluminescence and modulated photoluminescence technique and was designed to study in real time the properties of both sub-cells independently and simultaneously. The in-situ PLt can be a potential characterization tool for the research toward high efficiency tandem solar cell.