Microscopies à sonde locale pour l'étude de matériaux et structures pour le photovoltaïque

Local probe microscopies for the study of photovoltaic materials and structures

• Auteur / Autrice : Mattia Da Lisca
• Direction : Jean-Paul Kleider, José A. Alvarez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pere Roca i Cabarrocas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Grevin, Tobias Cramer, Simona Binetti, Frédérique Ducroquet, Heinrich Diesinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Grevin, Tobias Cramer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intégration sur tranche entière (circuits intégrés)

Microscopie à force atomique

Semiconducteurs -- Jonctions

Microscopie à sonde à balayage

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

Photovoltaïque

KPFM

Interfaces

Microscopie à sonde de Kelvin

Microscopie à force atomique à pointe conductrice

Section transversale

Photovoltaics

KPFM

Interfaces

Kelvin probe force microscopy

Conductive-AFM

Cross-section

Résumé

La microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) et la technique AFM à pointe conductrice (c-AFM) ont été étudiées pour la caractérisation des matériaux et des dispositifs photovoltaïques, en accordant une attention particulière aux analyses en coupe transversale. Dans cette thèse, nous présentons les résultats obtenus sur diverses structures développées à l'IPVF et dans les laboratoires partenaires: des structures multicouches et cellules solaires à base de III-V, des cellules solaires en pérovskite à différents stades de traitement, des cellules solaires en CZTGS et en CIS, ainsi que des hétérojonctions au silicium. Parmi les technologies PV existantes, les dispositifs solaires à base de III-V font partie de la technologie photovoltaïque des films minces. En conséquence, la démonstration expérimentale de la sensibilité de la technique KPFM aux couches plus minces peut jouer un rôle crucial dans l'investigation et la compréhension des propriétés de surface locales. En particulier, nous avons examiné une structure multicouche InP:S/InP:Fe ainsi qu'une structure multicouche InP:Zn/GaInAs:Zn comportant des couches de largeurs et de concentrations de dopage différentes. Pour cette analyse, nous avons défini différents objectifs: le premier était l'évaluation de la résolution spatiale de notre configuration KPFM dans des conditions ambiantes. Le deuxième était une compréhension complète des résultats de VCPD combinée à une description des principaux facteurs qui affectent les mesures KPFM avec l'application de la modélisation numérique de la sonde Kelvin. Une évaluation quantitative de la distribution des concentrations de défauts de surface a été proposée pour expliquer les résultats expérimentaux de VCPD. L'analyse C-AFM et KPFM a ensuite été poursuivie sur une structure multicouche et cellule solaire hétérojonction AlGaAs:Be/GaInP:Si. L'analyse C-AFM s'est avérée être une méthode fiable pour mesurer la résistance locale le long d'une structure multicouche, permettant ainsi l'identification de différentes couches. Une analyse approfondie a été effectuée pour élucider la nature du contact électrique entre la pointe de l'AFM et la surface de l'échantillon, qui s'est révélé être un contact de Schottky. Par conséquent, une barrière de potentiel sera toujours présente à l'interface pointe/échantillon, ce qui peut entraver la collecte de charges et affecter la résistance locale mesurée.KPFM a été utilisée pour fournir une preuve expérimentale de la performance PV insatisfaisante du dispositif CZTGS sous éclairage. En particulier, KPFM a révélé la présence d'une couche épaisse de MoS2 qui agissait comme une barrière à une collecte efficace des porteurs de charge positifs.La KPFM a également été réalisée pour évaluer la variation du potentiel de surface à travers une hétérojonction n-cSi/i-aSi:H/p-μcSiOx. Une attention particulière a été consacrée à élucider la méthodologie permettant d'identifier le véritable bord de l'échantillon tout en atténuant la présence d'un artefact distinct en forme de V, susceptible de gêner et de fausser une interprétation précise des données.KPFM a été utilisée pour la caractérisation d'une cellule solaire CIS. L'analyse SPV a permis de déterminer la VOC de l'échantillon, ce qui aurait été difficile à estimer en utilisant des techniques conventionnelles en raison de la haute résistivité de la couche CIS due à l'oxydation.La technique KPFM a été efficacement utilisée pour évaluer le changement potentiel de FTO résultant de l'incorporation de couches de SnO2 et de SnO2/NaF. Les résultats ont montré une augmentation du potentiel de surface, signifiant une diminution de la fonction de travail induite par ces couches supplémentaires. Dans une expérience similaire, il a également été démontré qu'une fine couche d'Al2O3 est également capable de réduire la fonction de travail de la couche de SnO2. Ces méthodes pourraient être utilisées pour améliorer la collecte d'électrons dans les dispositifs à base de pérovskite.

Kelvin probe force microscopy (KPFM) and conductive-AFM (c-AFM) techniques have been investigated for the characterization of PV materials and devices, with particular attention for cross-section analyses. In this thesis we present results on a variety of structures developed at IPVF and partner laboratories: III-V-based multilayer structures and finalized solar cells, half and fully processed perovskite solar cells, CZTGS and CIS solar cells and Silicon heterojunctions have been studied.Among the existing PV technologies, III-V-based solar devices belong to the PV technology of thin and ultra-thin films in which layers with widths of the order of a few nm are often integrated for an optimal surface passivation or for better carrier extraction, considerably enhancing device efficiency. Consequently, the experimental demonstration of the sensitivity of the KPFM technique to the narrower layers can play a crucial role in the investigation and comprehension of the local surface properties and charge transport mechanisms at the interfaces. In particular, we have investigated an InP:S/InP:Fe and an InP:Zn/GaInAs(P):Zn multilayer structure with layers of different widths and doping concentrations. For this analysis we have set different objectives: the first objective was the evaluation of the spatial resolution of our KPFM setup in ambient conditions. The second objective was a full understanding of the VCPD results combined with a description of the principal factors that affect KPFM measurements with the application of Kelvin Probe (KP) numerical modelling. A quantitative evaluation of the distribution of surface defects concentrations was proposed to explain the experimental VCPD results.C-AFM and KPFM analysis was then continued on a p-AlGaAs:Be/n-GaInP:Si heterojunction multilayer structure and finalized solar cell. C-AFM analysis proved to be a reliable method for measuring the local resistance along a III-V based multilayer structure, enabling the identification of various layers and regions with different doping type. Nonetheless, a thorough analysis was performed to elucidate the true nature of the electrical contact between the AFM tip and the surface of the sample which resulted to be a Schottky contact. Therefore, a potential barrier will be always present at the tip/sample interface which can hinder (or facilitates) the collection of charges and in turn affect the local measured resistance.Furthermore, cross-sectional KPFM was used to offer experimental evidence of the unsatisfactory PV performance of the CZTGS device under illumination. In particular, KPFM revealed the presence of a bulky MoS2 layer which acted as a barrier for an efficient collections of positive charge carriers.Cross-sectional KPFM was also performed to evaluate the surface potential variation across a n-cSi/i-aSi:H/p-μcSiOx heterojunction. Special attention was dedicated to elucidating the methodology for identifying the real physical edge of the specimen while mitigating the presence of a distinctive V-shaped artifact, which has the potential to impede and mislead accurate data interpretation.In addition, KPFM was used an effective tool for the characterization of an unfinalized Mo-detached CIS solar cell. Specifically, SPV analysis allowed to determine the VOC of the sample, which would have been challenging to estimate using conventional techniques due to the high resistivity of the CIS layer due to oxidation.KPFM technique was effectively employed to assess the potential change of FTO resulting from the incorporation of SnO2 and SnO2/NaF layers. The findings unambiguously demonstrated an increase in surface potential, signifying a decrease in work function induced by these additional layers. In a similar experiment, it was also demonstrated that a thin layer of Al2O3 is also capable of reducing the WF of the SnO2 layer. These methods could be used for improving electrons collection in perovskite-based devices.