Etude d’une nouvelle décharge à barrière diélectrique homogène en mélange Ar/NH3/SiH4 à la pression atmosphérique pour le dépôt en continu de SiNx:H sur cellule photovoltaïque silicium

Study of a new homogeneous dielectric barrier discharge in Ar/NH3/SiH4 mixture at atmospheric pressure for on line deposition of SiNx:H on silicon solar cell

• Auteur / Autrice : Sylvain Pouliquen
• Direction : Françoise Massines
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l’Ingénieur. Procédé plasma & élaboration de matériau
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan ; 1999-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de silicium

Spectroscopie d'absorption

Réfractométrie

Cellules photoélectriques

Résumé

L’objectif de ce travail est de développer une nouvelle source plasma, fonctionnant à la pression atmosphérique, pour réaliser des dépôts de couches minces sur des cellules photovoltaïques silicium. Pour définir son régime, comprendre sa physique et cerner ses conditions d’obtention, cette nouvelle décharge, obtenue dans un mélange SiH4/NH3/Ar, est caractérisée électriquement et optiquement. La densité des métastables de l’argon est également mesurée par spectroscopie d’absorption optique. Les résultats, par mesures de courant et tension corrélées aux photographies rapides, montrent que la décharge s’amorce par un claquage de Townsend et, qu’au maximum de courant, la décharge transite en régime sub-luminescent entravée par la distance inter-électrode. L’obtention d’une décharge homogène pour réaliser des dépôts homogènes nécessite par ailleurs l’introduction d’une résistance en série avec la décharge pour faire diminuer rapidement la tension appliquée sur le gaz dès que le courant devient trop important. Les effets du wafer de silicium, de la température sont étudiés, comparés et discutés séparément puis ensemble. Le mélange de gaz a été choisi pour réaliser une couche mince de nitrure de silicium hydrogéné (SiNx:H) antireflet et passivante sur cellule silicium cristallin. Les propriétés chimiques, structurales et optiques de ces dépôts sont déterminées et corrélées aux paramètres du procédé. Le rapport des gaz précurseurs, NH3/SiH4, permet de choisir l’indice de réfraction de la couche antireflet entre 1,8 et 2,2, indice caractérisé par le rapport N-H/Si-H. L’étude de la croissance de la couche a été réalisée par des mesures d’ellipsométrie spectroscopique en fonction du temps de dépôt. Les résultats ont montré que le nitrure croissait premièrement par îlots puis que la couche tendait à se densifier en fonction du temps.

The goal of this study is to develop a new plasma source, operating at atmospheric pressure, to carry out deposition of thin layer on silicon solar cell. To know its regime, to understand its physics and to define its operating conditions, this new discharge has been characterised by electrical and optical measurements. As it is done in Ar/NH3/SiH4 mixture, argon metastables density has been measured by optical absorption spectroscopy. Current and voltage measurements correlated with fast photographies, show that discharge is ignited with by Townsend breakdown. During the current increases, the discharge pass through to sub-luminescent regime. Its development is limited by the gap. To obtain a homogeneous discharge to carry out homogeneous deposition, the insertion of a resistance to quickly decrease the gas voltage is necessary. Influences of conductive silicon substrate and temperature are discussed separately and together. The gas mixture has been choosen in order to deposit a thin layer of antireflective and passivating hydrogenated silicon nitride on crystalline silicon solar cell. The chemical, structural and optical properties of deposited layers have been determined and correlated with the process parameters. The gas precursor ratio, NH3/SiH4, enable to chose the refractive index of the antireflective layer between 1,8 and 2,2. This value is correlated to N-H/Si-H ratio determined from infrared absorption spectra. The growth of the layer has been studied by ellipsometric spectroscopic measurements according to the deposition time. Results shown that firstly the layer growths by islands, then the layer densification increases to reach a maximum value around 60 nm.