Passivation de surface et croissance épitaxiale sur c-Si par voie plasma basse température pour les cellules solaires à haut rendement

Silicon surface passivation and epitaxial growth on c-Si by low temperature plasma processes for high efficiency solar cells

• Auteur / Autrice : Martin Labrune
• Direction : Pere Roca i Cabarrocas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie

Hétérojonctions

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Semiconducteurs amorphes

Mots clés libres

Passivation de surface

Silicium cristallin

Résumé

Cette thèse est le résultat d'un travail dédié à la croissance par PECVD de couches minces de silicium sur des substrats de silicium cristallin pour des applications photovoltaïques. L'objectif premier était d'obtenir une croissance amorphe sur toutes les orientations cristallines possibles afin de passiver efficacement les surfaces de silicium, prérequis indispensable à l'obtention de cellules solaires à hétérojonction efficaces. Nous avons en effet montré qu'une croissance épitaxiale, ou microcristalline, très faciles à obtenir sur (100) conduisait à une piètre passivation. Nous avons aussi montré que faire croître une couche de quelques nanomètres seulement d'alliage a-Si1-xCx:H permettait d'éviter, de manière robuste et reproductible la croissance épitaxiale, tout en permettant d'obtenir des passivations excellentes en déposant ensuite des couches minces d'a-Si:H. Une optimisation principalement basée sur des mesures d'ellipsométrie spectroscopique, de durée de vie effective (Sinton) et de charactéristiques courant-tension, nous ont permis d'obtenir des cellules à hétérojonctions a-Si:H/c-Si de 25 cm2 avec des VCO et des FF stables de 710 mV et 76 % respectivement sur des substrats lisses de (n) c-Si, dont les contacts étaient réalisés par sérigraphie de pâtes d'aluminium à basse température. Ce travail a aussi permis d'apporter la preuve du concept de cellules entièrement réalisées par voie sèche, i. E. Dont l'oxyde natif est gravé par un plasma de SiF4 au lieu d'une trempe HF. Enfin, la croissance épitaxiale de couches de silicium, non-dopé et dopé n et p, sur des surfaces orientées (100) a été étudiée par ellipsométrie et mesures par effet Hall. Nous avons été en mesure de produire des cellules cristallines dont l'émetteur de type P était épitaxié ainsi que des cellules de type p-i-n dont l'absorbeur était constitué par une couche non-dopée épitaxiée de silicium, déposé sur un substrat (100) très dopé au bore

This thesis presents a work which has been devoted to the growth of silicon thin films on crystalline silicon for photovoltaic applications by means of RF PECVD. The primary goal of this work was to obtain an amorphous growth on any c-Si surface in order to provide an efficient passivation, as required in heterojunction solar cells. Indeed, we demonstrated that epitaxial or mixed phase growths, easy to obtain on (100) Si, would lead to poor surface passivation. We proved that growing a few nm thin a-Si1-xCx:H alloy film was an efficient, stable and reproducible way to hinder epitaxy while keeping an excellent surface passivation by the subsequent deposition of a-Si:H films. Process optimization mainly based on Spectroscopic Ellipsometry, Effective lifetime measurements (Sinton lifetime tester) and current-voltage characterization led us to demonstrate that it was possible to obtain a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells with stable VOC of 710 mV and FF of 76 % on flat (n) c-Si wafers, with solar cells of 25 cm2 whose metallization was realized by screen-printing technology. This work has also demonstrated the viability of a completely dry process where the native oxide is removed by SiF4 plasma etching instead of the wet HF removal. Last but not least, the epitaxial growth of silicon thin films, undoped and n or p-type doped, on (100)-oriented surfaces has been studied by Spectroscopic Ellipsometry and Hall effect measurements. We have been able to fabricate homojunction solar cells with a p-type emitter as well as p-i-n structures with an undoped epitaxial absorber on a heavily-doped (p) c-Si wafers