Étude des conditions de dépôt et de traitements après dépôt sur des couches minces ZnO:Al déposées par pulvérisation cathodique : Propriétés et application aux cellules solaires microcristallines

Investigation of deposition conditions and annealing treatments on sputtered ZnO:Al thin films : Material properties and application to microcristalline silicon solar cells

• Auteur / Autrice : Coralie Charpentier
• Direction : Pere Roca i Cabarrocas, Patricia Prod'homme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : Farzaneh Arefi-Khonsari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Paumier, Bruno Delahaye, Thierry Emeraud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angélique Bousquet, Daniel Bellett

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétrons

Pulvérisation cathodique

Oxyde de zinc

Résumé

La couche mince d'Oxyde Transparent Conducteur (OTC) utilisée en tant qu'électrode avant pour les cellules photovoltaïques silicium microcristallin est un matériau déterminant pour l'amélioration de leur rendement. Un OTC prometteur est l'oxyde de zinc dopé aluminium ZnO:Al déposé par pulvérisation cathodique magnétron RF. Une première partie du travail de thèse est dédiée à l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure, les mécanismes de croissance et les propriétés optoélectroniques du ZnO:Al. Nous avons ainsi obtenu un optimum en termes de transparence maximale dans le domaine visible et de résistivité minimale pour un dépôt réalisé à une pression de 0. 12 Pa pour une température de 325 °C. Une seconde partie du travail de thèse porte sur l'effet de traitements après-dépôt, recuit thermique ou laser excimère, sur les propriétés du ZnO:Al déposé à température ambiante. L'influence de différentes atmosphères (sous-vide, N2/H2, et pur N2) et températures de recuit (de 400 à 500 °C) a été étudié. L'étape de recuit thermique a permis une amélioration notable des propriétés optoélectroniques de la couche ZnO:Al, jusqu'à une résistivité de 3. 5×10-4 Ohm. Cm pour une transmittance entre 400 et 1000 nm de 81. 2%. L'étape de recuit laser, quant à elle, influe notamment les propriétés morphologiques du matériau. L'étape finale de ce travail de thèse est basée sur l'étude de la texturation chimique, étape ayant pour but la formation d'une morphologie de surface optimale, c'est-à-dire permettant le piégeage optique dans les couches actives silicium microcristallin et ce, sans altérer les qualités électriques de la couche. L'intégration de ces couches minces ZnO:Al en tant qu'électrode avant dans des cellules photovoltaïques PIN à base de silicium microcristallin à été et étudié en détail

The Transparent Conductive Oxide (TCO) thin film used as a front electrode in microcrystalline silicon solar cells is a key material for the improvement of their efficiency. A promising TCO is aluminium doped zinc oxide (ZnO:Al) deposited by RF magnetron sputtering. A first part of the thesis is dedicated to the study of the influence of deposition conditions on microstructure, growth mechanisms, and opto-electronic properties of ZnO:Al thin films. We obtained an optimum in terms of maximal transparency in the visible range, and minimal resistivity, for films realized at a pressure of 0. 12 Pa and at a temperature of 325 °C. A second part of the work is focused on the study of post-deposition annealing treatments, such as thermal or laser annealing processes, on the properties of the material deposited at room temperature. The influence of the annealing atmosphere (under vacuum, in N2/H2, or in pure N2) and temperature (from 400 to 500 °C) was studied. The thermal annealing step resulted in an improvement of the optical and electrical properties of the ZnO:Al thin film up to a resistivity of 3. 5×10-4 Ohm. Cm for a transmittance between 400 and 1000 nm of 81. 2%. The laser annealing treatment influences particularly the morphological properties. The finale step of this thesis work is based on the study of the wet chemical etching of the TCO thin film, in order to create an optimal surface morphology for light confinement in the microcrystalline silicon layers without a degradation of the electrical properties. The integration of these ZnO:Al thin films as front electrodes in PIN silicon thin film solar cells was realized and investigated in depth