Το μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Η τυπική μέθοδος παρασκευής του υλικού είναι η χημική εναπόθεση ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) με χρήση χωρητικών εκκενώσεων υψηλής αραίωσης σιλανίου (SiH4) σε υδρογόνο (H2). Εξαιτίας της χαμηλής απορρόφησης στο ορατό φάσμα απαιτείται αρκετά μεγάλο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας του μc-Si:H, ωστόσο με τα υπάρχοντα δεδομένα οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη εναλλακτικών τεχνικών ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μc-Si:H όπως η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων (Hollow Cathode) και η χρήση δισιλανίου (Si2H6) ως επιπρόσθετο του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται η κατασκευή δύο ηλεκτροδίων hollow cathode διαφορετικής γεωμετρίας και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους σε εκκενώσεις Η2 με σκοπό τη βελτίωση της γεωμετρίας της πηγής και των συνθηκών στις οποίες επιτυγχάνεται υψηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων στην εκκένωση. Επιπλέον παρουσιάζονται μετρήσεις ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων με την πηγή hollow cathode διερευνώντας διαφορετικές παραμέτρους της διεργασίας και πραγματοποιείται σύγκριση με την προϋπάρχουσα πηγή χωρητικής σύζευξης. Αποδείχθηκε ότι με τη χρήση καθοδικών κοιλοτήτων μεγάλης διαμέτρου (20 mm) η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αυξάνει σημαντικά και οι ρυθμοί εναπόθεσης είναι έως και τρεις φορές υψηλότεροι σε σχέση με την πηγή χωρητικής σύζευξης. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η επίδραση της προσθήκης μικρής ποσότητας Si2H6 στο μίγμα SiH4/H2 στο ρυθμό εναπόθεσης και την κρυσταλλικότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου, πραγματοποιείται βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά την πίεση και συγκρίνεται η χρήση Si2H6 με την αύξηση της παροχής του μίγματος SiH4/H2. Η προσθήκη Si2H6 σε περιοχή πιέσεων 2-3 Torr αποδείχθηκε ευεργετική για το ρυθμό εναπόθεσης των υμενίων (έξι φορές αύξηση) λόγω ενίσχυσης της πυκνότητας ηλεκτρονίων και του ρυθμού διάσπασης του SiH4. Επίσης η προσθήκη Si2H6 οδηγεί σε υψηλότερη απόδοση εναπόθεσης συγκριτικά με την αύξηση της συνολικής παροχής του μίγματος SiH4/H2 ή της περιεκικότητας σε SiH4. / Microcrystalline hydrogenated silicon (μc-Si:H) is widely used as intrinsic layer in thin film solar cells of single or tandem structure. This material is most commonly produced via Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) from highly diluted silane (SiH4) in hydrogen (H2). However, the rather low absorption coefficient of the intrinsic material in the visible spectrum imposes higher layer thickness in order to ensure high device efficiency. The key obstacle for the production of cost-effective solar cells is the relatively low growth rate of the intrinsic μc-Si:H and thus the research is focused on the increase of the deposition rate while maintaining the thin film quality. In this work we aim to study alternative techniques in order to enhance the μc-Si:H thin films growth rate such as the utilization of high electron density plasma source (hollow cathode) and the small disilane (Si2H6) addition to the SiH4/H2 gas mixture. In the first part is presented the construction of two novel hollow electrodes and their electrical characterization in H2 discharges aiming to investigate the conditions that ensure a high electron density in the discharge. Moreover, deposition rate measurements are presented for the hollow cathode source and compared to the already existing CCP source. It was proved that for the larger hollows (20mm diameter) the average electron density increased abruptly and the corresponding deposition rate was about 3 times higher comparatively to the CCP source. In the next part of this study is presented the effect of the small Si2H6 addition to the gas mixture to the silicon thin films growth rate and crystallinity, the process is optimized in terms of the total gas pressure and compared to the case of the SiH4/H2 total flow rate increase. The small Si2H6 addition in the narrow pressure region of 2-3 Torr proved beneficial for the film growth rate (six times increase) due to the sharp enhancement of the electron density and the SiH4 dissociation rate. The Si2H6 addition also resulted in much higher deposition efficiency as compared with the increase of the SiH4/H2 flow rate or the SiH4 molar fraction.

Η εργασία μας περιλαμβάνει δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος μελετάται η επίδραση της αύξησης της πίεσης στις παραμέτρους του πλάσματος και πως οι παρατηρούμενες μεταβολές επιδρούν τόσο στο ρυθμό ανάπτυξης όσο και στη δομή των εναποτιθέμενων υμενίων. Στο δεύτερο μέρος με τη μεταβολή της χημικής σύστασης του αέριου μίγματος μελετάται η εύρεση του σημείου όπου εναποτίθεται πλέον άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο αντί για μικροκρυσταλλικό. Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν ο προσδιορισμός των παραμέτρων που οδηγούν τελικά στην απώλεια της κρυσταλλικής δομής των υμενίων. Τέλος, μελετάται η επίδραση τις προσθήκης εξωτερικής πόλωσης στο ηλεκτρόδιο που στηρίζεται το υπόστρωμα στις παραμέτρους του πλάσματος και στη δομή των εναποτιθέμενων υμενίων. Το κείμενο της παρουσίασης χωρίζεται σε επτά κεφάλαια, το πρώτο από τα όποία είναι τούτη η εισαγωγή Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά το πειραματικό μέρος των πειραμάτων. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη όπου πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα ενώ επιπρόσθετα αναλύονται οι διαγνωστικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Στο τρίτο κεφάλαιο πραγματοποιείται αρχικά μια ανασκόπηση των παραλλαγών της χημικής εναπόθεσης μέσω πλάσματος που έχουν προταθεί τα τελευταία χρόνια και οδηγούν σε υψηλότερους ρυθμούς ανάπτυξης υμενίων πυριτίου κατάλληλων για εφαρμογή σε ιδιοσυσκευές. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα της μεθόδου που επιλέχθηκε να εφαρμοσθεί στο εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος. Πιο συγκεκριμένα, επιλέχθηκε η εναπόθεση υμενίων σε υψηλές πιέσεις (1-10 Torr) σε εκκενώσεις σιλανίου υψηλής αραίωσης σε υδρογόνο για την εναπόθεση υδρογονωμένου μικροκρυσταλλικού πυριτίου, για διαφορετικές αποστάσεις ηλεκτροδίων (12-25 mm). Η ανάλυση των αποτελεσμάτων εστιάζεται στις μεταβολές των παραμέτρων του πλάσματος με την αύξηση της πίεσης και στο πως οι μεταβολές αυτές επιδρούν στη βελτιστοποίηση του ρυθμού ανάπτυξης του υλικού. Στο τέταρτο κεφάλαιο διερευνάται η επίδραση της μεταβολής της πίεσης στη δομή των υμενίων. Οι εναποθέσεις των υμενίων πραγματοποιήθηκαν στις βέλτιστες συνθήκες που προσδιορίστηκαν πειραματικά στο προηγούμενο κεφάλαιο. Διαπιστώθηκε ότι τα υμένια τα οποία εναποτέθηκαν σε αυτές τις συνθήκες παρουσιάζουν υψηλό ποσοστό κρυσταλλικότητας (>70%). Η αύξηση της πίεσης ενισχύει το ποσοστό κρυσταλλικότητας μόνο κατά την αύξηση της από το 1 στα 2.5 Torr ενώ στη συνέχεια με περαιτέρω αύξηση διατηρείται σχεδόν σταθερό. Η συμπεριφορά αυτή αναλύεται περαιτέρω με βάση και τη σύσταση του αέριου μίγματος. Στη συνέχεια έμφαση δίνεται στις πληροφορίες που μπορούν να εξαχθούν από τις διαγνωστικές τεχνικές για τα χαρακτηριστικά των υμενίων, δηλαδή τον τρόπο σύνδεσης του υδρογόνου στο στερεό καθώς και την τάση (stress) των υμενίων. Στο πέμπτο κεφάλαιο περνάμε στο δεύτερο μέρος της διατριβής. Διερευνάται η επίδραση της μεταβολής της χημικής σύστασης του αερίου μίγματος, πιο συγκεκριμένα η αύξηση του ποσοστού SiH4, στις μικροσκοπικές παραμέτρους του πλάσματος. Στη συνέχεια εξετάζεται ποιες από αυτές τις παραμέτρους κατέχουν καθοριστικό ρόλο στη μεταβολή της φάσης του υλικού, από μικροκρυσταλλικό σε άμορφο υδρογωνομένο πυρίτιο. Έμφαση δίνεται στο ρόλο της ροής των φορτισμένων σωματιδίων και του ατομικού υδρογόνου προς την επιφάνεια και διερευνάται περαιτέρω αν οι μεταβολές αυτές επιδρούν στη αλλαγή της δομής. Στο έκτο κεφάλαιο της διατριβής επιλέχθηκε να τροποποιηθεί η ενέργεια με την οποία τα ιόντα προσκρούουν στην αναπτυσσόμενη επιφάνεια με την προσθήκη μιας εξωτερικής πόλωσης στο ηλεκτρόδιο στο οποίο στηρίζεται το υπόστρωμα. Σκοπός των πειραμάτων αφενός ήταν η μελέτη των μεταβολών στις ιδιότητες του πλάσματος με την προσθήκη της πόλωσης και αφετέρου η επίδραση αυτής της μεταβολής της ενέργειας των ιόντων στο ρυθμό ανάπτυξης και στη δομή των εναποτιθέμενων υμενίων. Η μελέτη των μεταβολών των παραμέτρων του πλάσματος είναι απαραίτητη για την εξαγωγή αξιόπιστων συμπερασμάτων και επιπρόσθετα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον καθώς δεν έχει αναφερθεί μια ανάλογη μελέτη στη βιβλιογραφία. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε συνθήκες που οδηγούν σε εναπόθεση υμενίων σε συνθήκες κοντά στο σημείο μετάβασης από άμορφο σε μικροκρυσταλλικό πυρίτιο για τη διερεύνηση του ρόλου των ιόντων. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο συνοψίζονται τα συμπεράσματα της εργασίας και διατυπώνονται προτάσεις για τη συνέχιση της ερευνητικής προσπάθειας στο μέλλον. / -