Étude des défauts liés à l'oxygène dans le silicium Czochralski destiné aux cellules solaires photovoltaïques – Influence des impuretés isovalentes

Study of the defects related to oxygen in Czochralski silicon destined to photovoltaic solar cells – Influence of isovalent impurities

• Auteur / Autrice : Florent Tanay
• Direction : Isabelle Périchaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 17/10/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Mustapha Lemiti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Périchaud, Sébastien Dubois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pere Roca i Cabarrocas, Daniel Mathiot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxygène

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Oxygène

Impureté isovalente

Complexe bore-oxygène

Donneur thermique

Silicon

Oxygen

Isovalent impurity

Boron-oxygen complex

Thermal donor

Résumé

Ce travail a pour but de comprendre les effets de deux principaux défauts liés à l’oxygène, les complexes bore-oxygène et les donneurs thermiques, sur les propriétés électriques et photovoltaïques du silicium. Plus particulièrement, les interactions des impuretés isovalentes, connues pour modifier la distribution spatiale de l’oxygène, avec ces défauts ont été étudiées. Deux protocoles expérimentaux ont d’abord été développés pour évaluer la dégradation de la durée de vie des porteurs de charge sous éclairement dans le silicium riche en fer. Ensuite, il a été mis en évidence que l’introduction de germanium et d’étain en très grande quantité dans le silicium n’influence pas de façon significative le rendement de conversion des cellules. Cependant, contrairement à ce qui a été récemment avancé dans la littérature, aucune limitation due au co-dopage au germanium ou à l’étain de la dégradation sous éclairement des performances photovoltaïques n’a été observée. Par contre, il a été montré que le carbone entraîne un ralentissement de la dégradation due aux complexes bore-oxygène. Egalement, contrairement à l’étain qui n’influence pas la génération des donneurs thermiques, le germanium conduit à un ralentissement de la formation de ces défauts. Une expression empirique a été proposée pour rendre compte de cet effet, et ce pour une large gamme de teneurs en germanium. Enfin, dans le silicium très dopé et très compensé, la génération des donneurs thermiques est identique au cas du silicium standard. Ceci constitue un résultat marquant puisqu’il permet de valider par l’expérience le fait que la formation des donneurs thermiques est limitée par la teneur en électrons.

This study aims at understanding the effects of two main defects related to oxygen, the boron-oxygen complexes (responsible for light-induced degradation of the carrier lifetime) and the thermal donors (among other things, responsible for variations of the conductivity), on the electric and photovoltaic properties of silicon. More precisely, the interactions of isovalent impurities, known for modifying the oxygen spatial distribution, with these defects were studied. Two experimental protocols were first developed to evaluate the light-induced degradation of the carrier lifetime in iron-rich silicon. Then, the introduction in silicon of germanium and tin in high quantity were shown not to significantly influence the conversion efficiency of the cells. However, contrary to recent studies from the literature, no reduction due to germanium co-doping or to tin co-doping of the light-induced degradation of the photovoltaic performances was observed. However carbon was shown to lead to a slowdown of the degradation due to boron-oxygen complexes. Moreover contrary to tin which has no influence on the thermal donor generation, germanium slows down their formation. An empirical expression has been proposed to take into account this effect for a large range of germanium concentrations. Eventually in highly doped and compensated silicon, the thermal donor generation is identical as in conventional silicon, which experimentally confirms that the thermal donor formation is limited by the electron density.