Impression de silicium par procédé jet d’encre : des nanoparticules aux couches minces fonctionnelles pour applications photovoltaïques

Inkjet-printed silicon : from nanoparticles to functional thin-films for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Etienne Drahi
• Direction : Patrick Benaben
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance le 21/03/2013
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Jury : Président / Présidente : Christophe Detavernier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Benaben, Christophe Detavernier, Jean-Paul Garandet, Michel Ribes, Yann Leconte, Sylvain Blayac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Paul Garandet, Michel Ribes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Nanoparticules

Silicium

Imprimantes à jet d'encre

Impression numérique

Mots clés libres

Électronique imprimée

Nanoparticule de silicium

Photovoltaïque

Jet d’encre

Couche mince

Recuit sélectif

Frittage

Microspectrométrie Raman

Printed electronics

Silicon nanoparticles

Photovoltaics

Inkjet-printing

Thin film

Selective annealing

Sintering

Raman microspectrometry

Résumé

Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d’encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d’encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L’optimisation du procédé d’impression, de l’interaction encre/substrat (via la modulation de l’énergie de surface des substrats) et de l’étape de séchage a permis l’obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques µm d’épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L’utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 °C à environ 600 °C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d’intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire…). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation d’une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d’une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication.

This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some µm thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 °C to 600 °C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells…). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget.