Les couches minces du silicium présentent de nombreux avantages dans la course à la production de modules solaires à grande échelle de part leur consommation très réduite de matière, leur faible coût de production et leur pertinence dans la technologie solaire flexible. Le silicium microcristallin hydrogéné (c-Si:H), préparé par dépôt chimique en phase vapeur (PECVD), a suscité un intérêt croissant grâce à sa stabilité contre la dégradation induite par la lumière et sa meilleure absorption comparées à celles du silicium amorphe. La structure mixte de ce matériau constituée du silicium amorphe et de grains cristallins arrangés sous forme d'agrégats coniques ou colonnaires influe sur les mécanismes du transport électrique.Dans cette thèse, un modèle tridimensionnel de croissance du c-Si:H est utilisé pour reproduire les principales caractéristiques de la dynamique de croissance et la microstructure du c-Si:H : une forme conique ou colonnaire des grains, une zone de transition amorphe nanocristalline, une rugosité de surface et une fraction cristalline qui évoluent avec l'épaisseur.Un modèle de transport électrique tridimensionnel utilisant les matériaux générés est développé. Ce modèle met en jeu des paramètres électriques correspondant au transport dans la phase amorphe, cristalline et au travers des joints de grains. Les résultats de la simulation sont comparés aux mesures de conductivité électrique montrant un excellent accord et permettant d'extraire les caractéristiques de la barrière de potentiel formée entre les grains. Cette modélisation numérique, à la fois du processus de la croissance et du comportement électrique permet de contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de transport dans ces matériaux fortement hétérogènes.Une caractérisation en bruit basse fréquence des couches microcristallines ayant différentes fractions cristallines est menée dans le but de mieux appréhender les mécanismes de transport. Le comportement en bruit trouvé est typique d'un phénomène de percolation.Les contacts métalliques utilisés lors des caractérisations électriques sont étudiés par la méthode TLM. La modélisation numérique de la structure de test a permis d'extraire la résistivité de contact et la résistance carrée des couches. Nos résultats suggèrent un processus de percolation à l'interface métal/c-Si:H. / Silicon thin films present many advantages in the production of large scale solar cells due to their very low material consumption, low production cost and their relevance in the flexible solar technology. The hydrogenated microcrystalline silicon (c-Si:H) prepared by chemical vapor deposition (PECVD ), has attracted increasing interest due to its stability against degradation induced by light and its better absorption compared to amorphous silicon . The mixed structure of this material consisting of amorphous silicon and crystalline grains arranged in the form of conical or columnar aggregates affects the electrical transport mechanisms. In this thesis, a three-dimensional model is used to reproduce the main features of the growth dynamics and the microstructure of c-Si:H: conical or columnar grains, an amorphous/nanocrystalline transition zone, a surface roughness and a crystalline fraction evolving with the thickness. A three-dimensional model of the electrical transport using the generated structures is developed. This model involves electrical parameters corresponding to the transport in the amorphous phase, crystalline phase and through the grain boundaries. The simulation results are compared to the electrical conductivity measurements showing an excellent agreement and allowing to extract the characteristics of the potential barrier formed between the grains. The numerical modeling of both the process of growth and the electrical behavior contributes to a better understanding of transport phenomena in these highly heterogeneous materials.A low frequency noise characterization of microcrystalline silicon layers with different crystalline fractions has been performed in order to understand the transport mechanism. The noise behavior is found to be typical of a percolation phenomenon.The metallic contacts used in the electrical characterizations are studied by the TLM method. Numerical modeling of the test structure allows extracting the contact resistivity and the sheet resistance of the films. Our results suggest a percolation process on the metal / c-Si:H interface.

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.

Amorphous and nano- or micro- crystalline silicon thin films are intensively studied materials for photovoltaic applications. The films are used as intrinsic layer (absorber) in p-i-n solar cells. As opposed to crystalline silicon solar cells, the thin films contain about hundred times less silicon and can be deposited at much lower temperatures (typically around 200 0 C) which saves energy needed for production and makes it possible to use various low cost (even flexible) substrates. However, these films have a complex microstructure, which makes it difficult to measure and describe the electronic transport of the photogenerated carriers. Yet, the understanding of the structure and electronic properties of the material at nanoscale is essential on the way to improve the efficiency solar cells. One of the main aims of this work is the study of the structure and mechanical properties of the mixed phase silicon thin films of various thicknesses and structures. The key parameter of microcrystalline silicon is the crystallinity, i.e., the microcrys- talline volume fraction. It determines internal structure of the films which, in turn, decides about many other properties, including charge transport and mechanical sta- bility. Raman microspectroscopy is a fast and non-destructive method for probing the...

High deposition rates on large areas are industrial needs for mass production of microcrystalline silicon (μc-Si:H) solar cells. This doctoral work aims at exploring the usefulness of Matrix Distributed Electron Cyclotron Resonance (MDECR) plasmas to process the intrinsic layer of μc-Si:H p-i-n solar cells at high rates. With the high dissociation of silane achieved in MDECR plasmas, deposition rates as high as 6nm/s and 2.8nm/s have been demonstrated in our lab for amorphous and microcrystalline silicon respectively, without hydrogen dilution. This technique is also promising because it can be easily scaled up on large areas, just by extending the matrix of elementary microwave applicators. This subject was a unique opportunity to cover the whole chain of this field of research : A new MDECR reactor has been specially designed and assembled during this project. Its maintenance and its improvement have been important technical challenges : for example, the addition of a load-lock enabled us to lower the oxygen concentration in our films by a factor of 10. The impact of the deposition parameters (e.g. the ion energy, the substrate temperature, different gas mixtures, the microwave power) has been explored in extensive parametric studies in order to optimize the material quality. Great efforts have been invested in the characterization of the films. Our strategy has been to develop a wide range of diagnostics (ellipsometry, Raman spectroscopy, SIMS, FTIR, XRD, electrical characterizations etc.). Finally, p-i-n cells have been processed with the selected interesting materials. The successive successful improvements in the material quality (e.g. diffusion lengths of holes parallel to the substrate as high as 250 nm) did unfortunately not result in high efficiency solar cells. Their limited performance is in particular due to a very poor response in the red part of the spectrum resulting in low current densities. Consequently, the potential sources of limitation of the reactor, the material and the device have been studied : e.g. the presence of “cracks” prone to post-oxidation in the highly crystallized materials and the risk of deterioration of the ZnO substrate or of the p-doped layer by a too high process temperature or by hydrogen diffusing from the plasma.

Le diagnostic de l'occlusion dentaire reste actuellement un défi majeur pour les chirurgiens-dentistes. Des outils dédiés existent, comme le papier à articuler et le T-Scan®, mais sont limités pour diverses raisons. L'objectif de cette thèse est alors de développer un nouvel outil sous forme de matrice de capteurs de pression sur substrat flexible alliant les avantages des outils nommés précédemment, à savoir un produit électronique, informatisé et de faible épaisseur pour ne pas être intrusif. Nous avons choisi une technologie piézorésistive et l'utilisation de jauges de contrainte en silicium microcristallin. Ce matériau est déposé à basse température (< 200°C) directement sur substrat Kapton® par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) dans une perspective de faible coût. Ces jauges ont d'abord été caractérisées mécaniquement et électriquement lors de tests de courbure. Les facteurs de jauge longitudinaux et transversaux du silicium microcristallin ont été étudiés afin de maîtriser son comportement sous déformation. Les dispositifs restent fonctionnels jusqu'à des contraintes de 0,6 %, à partir de laquelle des dégradations apparaissent. Ces valeurs de contraintes permettent d'atteindre des rayons de courbure de l'ordre du millimètre pour des substrats de 25 µm d'épaisseur. Deux types de matrices ont ensuite été développées : une première de 800 jauges pour l'étude de la surface occlusale d'une dent puis une seconde de 6400 jauges pour l'étude d'une moitié de mâchoire. Dans les deux cas, des corrélations intéressantes entre le papier à articuler et nos réponses électriques ont été observées lors de caractérisations en conditions « semi-réelles » à l'aide d'un articulateur dentaire. Ces deux prototypes ont ainsi permis une preuve de concept fonctionnelle de l'objectif visé en utilisant des jauges en silicium microcristallin. / Dental occlusion diagnosis is still a major challenge for dentists. A couple of tools are dedicated to occlusal analysis, such as articulating papers and the T-Scan® system, but they are limited for various reasons. That's why, the goal of this thesis is to develop a novel system consisting in pressure sensor arrays on flexible substrates combining the positive aspects of both previously cited tools: an electronic and computerized system, on a very thin non-invasive flexible substrate. We chose a piezoresistive technology based on microcrystalline silicon strain gauges and 25-µm- or 50-µm-thick Kapton® substrates. Microcrystalline silicon is deposited directly on plastic at low temperature (< 200°C) using PECVD technique (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in a cost-effective solution perspective. Strain gauges have firstly been characterized using bending tests. Longitudinal and transversal gauge factors have been studied in order to understand the behavior of our deposited materials under bending. Those gauges remained functional until strains up to 0.6 % and degradations appeared for higher values. These values correspond to bending radius on the order of 1 mm for 25-µm-thick substrates. Then, those gauges have been integrated in arrays with two different designs: one was an 800-element array to study the occlusal surface of one tooth, and the second was a 6400-element array to study the occlusal surface of a hemiarcade. Those prototypes have showed interesting correlations between articulating paper marks and our electrical responses during characterizations using a dental articulator to simulate a human jaw. Thus, we have developed in this work a proof-of-concept of a flexible strain sensor using microcrystalline silicon dedicated to dental occlusion diagnosis.

Le travail de cette thèse porte sur le développement de transistors en couche mince (Thin Film Transistors, TFTs) à base de silicium microcristallin fabriqués sur un substrat flexible à très basse température (T< 180 °C). La première partie de ce travail a consisté à étudier la stabilité électrique de ces TFTs. L'étude de la stabilité électrique des TFTs de type N fabriqués sur verre a montré que ces TFTs sont assez stables, la tension de seuil VTH ne se décale que de 1.2 V au bout de 4 heures de stress sous une tension de grille VGSstress= +50V et à une température T=50 °C. L'instabilité électrique de ces TFTs est principalement causée par le piégeage des porteurs dans l'isolant de grille. La deuxième étape de ce travail s'est concentrée sur l'étude du comportement de ces TFTs sous déformation mécanique. Ces TFTs sont soumis à un stress mécanique en tension et en compression. Le rayon de courbure minimum que les TFTs pouvaient supporter est r=1.5 mm en tension et en compression. La limitation de la déformation mécanique de ces TFTs est principalement due à la contrainte mécanique du nitrure de silicium utilisé comme isolant de grille des TFTs. Autrement dit, ces TFTs sont mécaniquement fiables et présentes une faible variation du courant ION, de l'ordre de 1%, même après 200 cycles de déformation mécanique. Ces résultats obtenus laissent entrevoir la possibilité de concevoir une électronique flexible pouvant être pliée en 2. Enfin, les TFTs sont fabriqués avec différents isolants de grille afin d'augmenter la mobilité d'effet de champ. Malheureusement, aucun isolant de grille utilisé dans ces études n'a permis d'augmenter la mobilité d'effet de champ sans dégrader la stabilité électrique des TFTs. Des études plus détaillées et des optimisations complémentaires sur ces isolants de grille sont nécessaires. / This work deals with the development of microcrystalline silicon thin film transistors (TFTs) fabricated on flexible substrate at low temperature (T=180 °C). The first step of this work consists in studying the electrical stability of TFTs. The N-type TFTs fabricated on glass substrate are electrically stable under gate bias stress VGStress= +50V at T=50 °C. The threshold voltage shift (ΔVTH) was only 1.2 V during 4 hours. This electrical instability of TFTs is mainly due to carrier trapping inside the silicon nitride gate insulator. The second step of this work lies in the study of the mechanical behavior of the TFTs. Both tensile and compressive strains were applied on TFTs. The minimum curvature radius is r=1.5 mm for both tension and compression. The main limitation of TFTs comes from the mechanical strain εlimit of silicon nitride used as gate insulator of TFTs. Also, these TFTs are mechanically reliable: the variation of ION current was only 1% after 200 cycles mechanical bending. These results obtained open the way to the development of flexible electronics that can be folded in half.Finally, TFTs have been fabricated using different gate insulators in order to improve the mobility. Unfortunately, all the gate insulators used couldn’t improve mobility without sacrificing electrical stability of TFT. More detailed studies and complementary optimization of these gate insulators are necessary.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den wesentlichen Aspekten der Hochrateabscheidung von amorphen (a-Si:H) und mikrokristallinen (μc-Si:H) Silizium-Schichten und Solarzellen. Die neuartige plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung unter Anwendung von den sehr hohen Anregungsfrequenzen bis 140 MHz (VHF-PECVD) wurde demonstriert. Die durchgeführten Untersuchungen befassten sich hauptsächlich mit der Anpassung der Anlagentechnik für den VHF Bereich und der Entwicklung des hochproduktiven Herstellungsverfahrens ohne Einbußen bei den Schichteigenschaften und dem Solarzellenwirkungsgrad. Durch Frequenzerhöhung bis 140 MHz wurde eine Steigerung der i-Schicht-Abscheiderate von 70 % sowohl für a-Si:H als auch für μc-Si:H realisiert. Die Weiteroptimierung des Solarzellenaufbaus zeigt die hervorragende Eignung des Herstellungsprozesses für die Abscheidung von hocheffizienten Solarzellen (ca. 10,7 % für a-Si:H- und 9,5 % für μc-Si:H-Zellen). Der neuartige VHF-PECVD-Prozess wurde außerdem für die Abscheidung von den Passivierungsschichten für die Silizium-Heteroübergangs-Solarzellen (HIT) getestet. Die Arbeit im VHF-Bereich ermöglicht einen Einsatz von hohen Depositionsraten bis 1 nm/s ohne Einbußen bei den Passivierungseigenschaften (2 ms Lebensdauer) im Vergleich zum 13,56-MHz-Prozess (0,5 ms Lebensdauer). Zuletzt wurde eine Analyse der Zusammenhänge zwischen Anregungsfrequenz, Plasmaleistung, Ionenenergie, Ioneneindringtiefe und Defektbildung in den intrinsischen Dünnschichtsiliziumschichten durchgeführt.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133 / The following thesis deals with the main aspects of the high-rate deposition of amorphous (a-Si:H) and microcrystalline (μc-Si:H) silicon layers and solar cells. The very high frequency plasma enhanced chemical vapor deposition technique with excitation frequencies up to 140 MHz (VHF-PECVD) has been introduced. These study deals mainly with the adaptation of the deposition system for the VHF-range and the development of the highly productive manufacturing process without deterioration of the layer properties and the solar cell efficiency. An increase of the excitation frequency up to 140 MHz ensured a 70 % enhancement of the a-Si:H and μc-Si:H deposition rate. A further optimization of the solar cells shows the excellent suitability of these manufacturing process for the deposition of the highly efficient solar cells (about 10.7% for a-Si:H and 9.5% for μc-Si:H cells). The novel VHF-PECVD process has also been analyzed for the deposition of the passivation layers for the silicon heterojunction solar cells (HIT). Working in the VHF-range allows the use of very high deposition rates up to 1 nm/s, without deterioration of the passivation properties (2 ms lifetime) compared to the 13.56 MHz process (0.5 ms lifetime). Finally, an analysis of the correlations between excitation frequency, plasma power, ion energy, ion penetration depth and defect formation in the intrinsic thin film silicon layers was performed.:I. Abkürzungs- und Symbolverzeichnis vii 1 Einleitung 1 2 Physikalische und technologische Grundlagen 7 2.1 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung 7 2.1.1 Prozessparameter 9 2.1.2 Frequenzeinfluss 10 2.2 Amorphes und mikrokristallines Silizium 14 2.2.1 Eigenschaften von Dünnschichtsilizium 15 2.2.2 Siliziumbasierte Dünnschichtsolarzellen 20 2.2.3 Siliziumbasierte Solarzellen mit Heteroübergang 21 3 Entwicklung des Abscheidungsprozesses bis 140 MHz 23 3.1 Herstellung von dünnen Siliziumschichten 23 3.1.1 VHF-PECVD-Durchlaufanlage mit linearen Elektroden 24 3.1.2 F&E-Testanlage 25 3.2 Anpassung des Abscheidungssystems für sehr hohe Frequenzen 26 3.2.1 Temperaturregelung der HF Elektrode 26 3.2.2 Kompensation des Tiefpassverhaltens 28 3.2.3 Leistungseinkopplung 31 3.3 Homogenität der VHF-Abscheidung 32 3.4 Charakterisierung von dünnen Siliziumschichten und Solarzellen 34 3.4.1 Leitfähigkeitsmessung 34 3.4.2 Transmissionsmessungen im UV-VIS-NIR-Bereich 35 3.4.3 Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie 37 3.4.4 Raman-Spektroskopie 38 3.4.5 Solarzellencharakterisierung 39 3.4.6 Messungen der effektiven Lebensdauer 42 3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse 43 4 Hydrogeniertes amorphes Silizium im VHF-Bereich 45 4.1 Intrinsische a-Si:H Einzelschichten bis 140 MHz 45 4.1.1 Optische Eigenschaften 47 4.1.2 Strukturelle Eigenschaften 48 4.1.3 Elektrische Eigenschaften 51 4.2 a-Si:H-Solarzellen bis 140 MHz 52 4.2.1 Variation der Silankonzentration 53 4.2.2 Abscheiderateerhöhung durch Prozessleistung 56 4.3 Weitere Entwicklung der amorphen Silizium-Solarzellen 61 4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 62 5 Hydrogeniertes mikrokristallines Silizium im VHF-Bereich 65 5.1 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – HPD-Regime 68 5.1.1 Einfluss des Prozessdruckes und der Silankonzentration bei hohen Gasflusswerten 69 5.1.2 Einfluss der Leistung bei hohen Gasflusswerten 72 5.2 μc-Si:H Schichten und Solarzellen – Frequenzerhöhung 74 5.2.1 μc-Si:H Schichteigenschaften – Vergleich 120 und 140 MHz 74 5.2.2 μc-Si:H Solarzellen – Vergleich 120 und 140 MHz 76 5.3 Weitere Entwicklung der μc-Si:H Solarzellen 78 5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 79 6 Passivierungsschichten für HIT-Solarzellen 81 6.1 Schichteigenschaften – Vergleich zwischen 13,56 und 140 MHz 81 6.2 H2-Plasma-Vorreinigung 84 6.3 Passivierungsschichten – Frequenzeinfluss 87 6.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 88 7 Simulationsstudie 89 7.1 Ionenbeschussenergie 89 7.1.1 Modellübersicht – Ar-Plasma 90 7.1.2 Einfluss der Leistung und Betriebsfrequenz 91 7.2 Simulation des Ionenbeschusses 92 7.2.1 TRIM–Simulationssoftware 92 7.2.2 Ionenbeschuss auf die a-Si:H-Oberfläche 93 7.3 Solarzellen – Defekte in der i- Schicht 94 7.3.1 ASA–Simulationssoftware 95 7.3.2 Parameterset 99 7.3.3 Einfluss der Defektdichte auf Solarzelleneigenschaften 101 7.4 Zusammenfassung der Ergebnisse 102 8 Zusammenfassung und Ausblick 105 II. Abbildungsverzeichnis 111 III. Tabellenverzeichnis 117 IV. Literaturverzeichnis 119 V. Veröffentlichungen 129 VI. Lebenslauf 131 VII. Danksagung 133

Cette thèse porte sur la modélisation de TFTs à base de silicium microcristallin fabriqués à basse température. L'enjeu est de produire un modèle de TFT valide qui nous permettra d'apporter des explications sur les phénomènes observés expérimentalement et qui pourrait servir de base à un modèle compact. Tout d'abord, une étude expérimentale, dans laquelle il est montré l'effet bénéfique de l'utilisation de fines couches actives pour les TFTs, a été effectuée. En effet, plus la couche active des TFTs est fine, plus les TFTs sont stables, et meilleures sont leurs caractéristiques électriques. La croissance colonnaire de la structure du silicium microcristallin et le mauvais état de surface pour les grandes épaisseurs de couche active jouent un rôle important sur la détérioration de la qualité des TFTs. Par la suite, une simulation (sous SILVACO) du comportement des TFTs ayant des couches actives de différentes épaisseurs a été effectuée, pour essayer d'apporter des explications d'ordre électrostatique. Les mêmes effets observés sont surtout causés par une augmentation du champ électrique latéral lorsque l'épaisseur de la couche active diminue pour un matériau défectueux, favorisant ainsi la formation rapide du canal. La mauvaise qualité des interfaces avant et arrière a aussi une forte influence sur la détérioration des caractéristiques électriques de TFTs. Cette influence est réduite en utilisant une très fine couche active. / This thesis focuses on the modeling of TFTs based on microcrystalline silicon fabricated at low temperature. The challenge is to produce a valid model of TFT which enable us to provide an explanation of the phenomena observed experimentally and that could be the basis for a compact model. Firstly, an experimental study, in which it is shown the beneficial effect for the use of thin active layers for TFTs, has been performed. Indeed, the TFTs performances are better, when their active layers are more thin. The columnar growth of microcrystalline silicon structure and the bad interfaces state for thick active layer have an important part in the deterioration of the quality of TFTs. Thereafter , a simulation (on SILVACO ) of the behavior of TFTs with active layers of different thicknesses were made to try to provide electrostatic explanations. The same effects are caused mainly by an increase of the lateral electric field when the thickness of the active layer decreases for a defective material, promoting thereby the rapid formation of the channel. The bad quality of the front and rear interfaces has also a strong influence on the deterioration of electrical characteristics of TFTs. This influence is reduced by using a very thin active layer.

V této diplomové práci je nejprve ve zkratce uvedena teorie fyziky solárních článků, kde jsou zmíněny klíčové procesy ovlivňující účinnost konverze slunečního záření na elektrickou energii. Dále je předložena rešerše o fotovoltaických nanostrukturách (nanodráty, nanokrystaly), jejichž implementací je možné účinnost solárních článků zvýšit. V přehledu experimentálních technik ke zkoumání fotovoltaických nanostruktur je důraz kladen zejména na korelativní měření pomocí SEM a AFM, vodivostního AFM, měření EBIC a mikroskopické měření elektroluminiscence. V experimentální části jsou předloženy výsledky měření struktur mikrokrystalického křemíku, vzorku hetero-přechodového Si solárního článku s kontakty na zadní straně (IBC-SHJ z projektu NextBase) a V-pitů vzorku InGaN/GaN kvantových jam. Měření elektroluminiscence bylo provedeno na vzorcích III-V polovodičů (InGaP, GaAs). Byly vypočítány jinak těžko dostupné charakteristiky III-V tandemových solárních článků pomocí elektroluminiscence a srovnání vlastností IBC-SHJ zjištěných pomocí mikroskopického měření elektroluminiscence a EBIC. Provedením experimentů bylo zjištěno, jakým způsobem se dělí proud vybuzený svazkem elektronů mezi hrot AFM a vzorek mikrokrystalického křemíku.