Etude pionnière combinant l’implantation d’hydrogène et la fracture induite par contrainte pour le détachement de couches ultra-minces de silicium pour le photovoltaïque

Pioneer study combining hydrogen implantation and stress-induced spalling for the detachment of ultra-thin silicon layers for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Timothée Pingault
• Direction : Esidor Ntsoenzok, Jean-Philippe Blondeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2016
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Caroline Andreazza
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Esidor Ntsoenzok, Jean-Philippe Blondeau, Caroline Andreazza, Anne Migan-Dubois, Myriam Dumont, Gabrielle Regula, Abdelilah Slaoui, Alexander Ulyashin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Migan-Dubois, Myriam Dumont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fissuration

Contraintes (mécanique)

Ions -- Implantation

Hydrogène

Silicium -- Couches minces

Photopiles

Mots clés libres

Implantation ionique

Hydrogène

Exfoliation

Matériaux semiconducteurs

Photovoltaïque

Silicium-couches minces

Défauts étendus

Microfissures

Contrainte mécanique

Germes minces

Ion implantation

Hydrogen

Exfoliation

Semiconductor materials

Photovoltaics

Extended defects

Microcracks

Mechanical stress

Seed layers

Résumé

La motivation de cette thèse est la production innovante de germes ultra-minces de silicium cristallin. L’utilisation de tels germes dans un procédé de fabrication de cellules solaires permettrait une réduction importante de la consommation de silicium, qui compte déjà pour 60% du coût de production des panneaux solaires de première génération. Dans le cadre de cette thèse, une méthode pionnière de détachement de germes minces a été mise en oeuvre. Dans cette méthode, une contrainte induite mécaniquement est guidée par des défauts étendus induits par l’implantation d’hydrogène. Par cette méthode, le détachement de germes minces d’environ 710nm d’épaisseurs a été obtenu. Le but est ensuite d’utiliser ces germes pour faire croitre du silicium cristallin avec des épaisseurs variables à souhait, soit une technique kerf-free : sans pertes. Cette étude présente ainsi les étapes menant à la mise en oeuvre de ce procédé : en premier lieu, un état de l’art des méthodes de détachement de films ultra-minces existants est réalisé. Celui-ci nous a ainsi guidés vers l’implantation d’hydrogène en tant que méthode viable du guidage de la fracture. Par la suite, différents tentatives de détachement de germes ultra-minces ont été réalisés puis caractérisés, notamment par MEB, MET, AFM et DRX. Dans de bonnes conditions de collage et de croissance de défauts, le détachement de germes ultra-minces de silicium cristallin a été réalisé. Par la suite, la croissance et la cristallisation de couches de silicium amorphe a été réalisée sur les germes détachés. Pour finir, certaines couches détachées ont été utilisées pour la production de cellules solaires prototypes.

The goal of this thesis is to find an innovative way to produce ultra-thin crystalline silicon seeds. The use of such seeds in a solar cell production process could lead to a significant reduction of the silicon consumption, which cost alone is worth 60% of the total cost of a first generation solar panel. Within the context of this PhD thesis, a pioneer seed exfoliation method was implemented. This method use the defects induced by hydrogen implantation to guide a stress-induced spalling process. This method has allowed the exfoliation of 710nm-thick crystalline silicon seeds. These seeds will then be used for the growth of crystalline silicon layers of any desired thickness, hence a totally kerf-free method. This thesis work presents the steps leading to the implementation of this process: firstly, the state of the art of ultra-thin films exfoliation methods is reviewed, which guided us towards the use of hydrogen implantation as a crack guide. Then, different ultra-thin seeds exfoliation processes were tried and characterized, specifically by SEM, TEM, AFM and XRD. In the right conditions of bonding and defects growth, ultra-thin silicon seeds were successfully exfoliated. The growth and crystallization of amorphous silicon layers on these seeds were then studied. Finally, several exfoliated layers were used for the production of prototype solar cells.