Thin film microcrystalline silicon layers and solar cells: microstructure and electrical performances

Abstract

Le silicium microcristallin hydrogéné (mc?Si:H), tel que fabriqué par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à très haute fréquence (VHF PE-CVD), est maintenant utilisé avec succès en tant que couche active dans des cellules solaires. Cependant, une question fondamentale concerne le lien entre la microstructure du matériau, d'une part, et les propriétés de transport électronique des couches intrinsèques ainsi que les performances électriques des cellules solaires, d'autre part. Cette thèse tente de clarifier cette question. Le mc?Si:H est un matériau complexe qui présente une grande variété de microstructures, qui dépendent autant des conditions de dépôt que de la nature du substrat. Actuellement, les meilleurs rendements de conversion sont obtenus pour les cellules solaires en mc?Si:H déposé près de la transition entre le mc?Si:H et le silicium amorphe hydrogéné (a?Si:H). La microstructure du mc?Si:H telle qu'observée sur des micrographies prises dans un microscope électronique à transmission (TEM) varie également au cours de la croissance de la couche: on observe souvent une couche complètement amorphe dans la région initiale de croissance. La phase microcristalline proprement dite apparaît ensuite; elle se compose de conglomérats, en forme de crayons (d'environ un demi-micromètre de diamètre), composés de nanocristaux ayant un diamètre de quelques dizaines de nanomètres. La micro-spectroscopie Raman est une technique non-destructive utilisée ici pour mesurer la cristallinité de couches et cellules solaires complètes en mc?Si:H. En utilisant des longueurs d'onde d'excitation de 514 nm et 633 nm, et en focalisant le faisceau d'excitation sur le dessus et le dessous des échantillons, on obtient des spectres Raman différents. Ils révèlent les inhomogénéités en épaisseur telles qu'évoquées ci-dessus. En évaluant, pour chaque spectre Raman, les intensités des pics Raman diffusées respectivement par les phases amorphe et cristalline, on obtient un facteur de cristallinité Raman (fc) indicatif de la fraction cristalline volumique. De manière à déterminer la fraction cristalline volumique réelle, il est nécessaire de connaître la valeur du rapport (y) des sections efficaces Raman du silicium microcristallin par rapport à l'a?Si:H. En comparant les spectres bifaces obtenus pour les deux longueurs d'onde d'excitation sur un échantillon avec les micrographies TEM correspondantes, nous avons obtenu une valeur de y ˜ 1.7. Cette valeur est plus grande que les valeurs publiées jusqu'ici (y ˜ 0.1 ? 0.9); cependant, elle ne remet pas en cause l'utilisation du facteur fc pour la caractérisation des couches et des cellules solaires. Des mesures de transport électronique coplanaire sous illumination réalisées sur diverses couches minces de silicium montrent que les propriétés de transport du mc?Si:H sont similaires à celles de l'a?Si:H. Pour une série de couches déposées à diverses concentrations de silane, correspondant à du matériau de structure variant de très microcristalline à amorphe, nous avons comparé les propriétés de transport avec les caractéristiques microstructurales. Le produit "mobilité ´ temps de vie" normalisé m0t0 est lié à la taille des conglomérats plutôt qu'à la taille moyenne des nanocristaux individuels. De plus, la longueur de diffusion ambipolaire de ces échantillons est égale, en moyenne, à la moitié du diamètre des conglomérats. Ces observations expérimentales indiquent que le transport électronique coplanaire dans le mc?Si:H est limité par le matériau défectueux présent aux joints des conglomérats. Nous avons réalisé des mesures de micro-spectroscopie Raman bifaces sur des cellules solaires en mc?Si:H, sur lesquelles les performances électriques ont aussi été mesurées. Nous avons identifié la moyenne algébrique fcA des deux facteurs de cristallinité Raman mesuré avec une longueur d'onde d'excitation de 514 nm et qui sont sensibles aux régions près des interfaces n?i et p?i, i.e. fcA = [fcni + fcpi]/2, comme étant un paramètre microstructural fondamental pour la caractérisation des cellules solaires. En effet, la tension en circuit ouvert (Voc) diminue linéairement quand fcA augmente. Ceci a été observé pour diverses cellules solaires de type p?i?n et n?i?p déposées avec différentes condition de dépôt. Cette relation est une des premières observations du lien direct entre la microstructure du matériau aux jonctions (interfaces n?i et p?i) et le fonctionnement du dispositif.