Parmi les technologies photovoltaïques à base de silicium, les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si (HJ) ont montré une attention croissante en ce qui concerne leur fort potentiel d'amélioration du rendement et de la réduction de coûts. Dans cette thèse, des investigations sur les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si de type (n) développées à l'Institut National de l'Énergie Solaire sont présentées. Les aspects technologiques et physiques du dispositif à HJ ont été revus, en mettant l'accent sur la compréhension du rôle joué par la face arrière. À travers le développement et la mise en œuvre des films de a-Si:H intrinsèques et dopés (n) de haute qualité des cellules solaires à HJ, les conditions requises en face arrière des dispositifs ont été établies. Une comparaison entre plusieurs types de champ surface arrière, avec et sans l'introduction d'une couche buffer, est présentée et les caractéristiques des cellules solaires résultants sont discutées. Une discussion autour du contact arrière de cellules solaires à HJ est aussi présentée. Une nouvelle approche d'oxyde transparent conducteur en face arrière basé sur les couches d'oxyde de zinc dopé au bore (ZnO:B) est étudié. Dans le but de développer des couches de ZnO:B de haute qualité bien adaptées à leur utilisation dans des dispositifs à HJ, différents paramètres de dépôt ainsi que des traitements après dépôt comme le post plasma d'hydrogène ou le recuit laser sont étudiés et leur influence sur des cellules solaires est évaluée. Au cours de ce travail il est montré que la face arrière des cellules solaires à HJ joue un rôle important sur l'accomplissement de hauts rendements. Cependant, l'augmentation de la performance globale du dispositif dû à l'optimisation de la face arrière de la cellule est toujours dépendante des phénomènes ayant lieu en face avant des dispositifs. L'utilisation des films optimisés pour la face arrière des HJs développées dans cette thèse, associée à des couches améliorées pour la face avant et une nouvelle approche de métallisation nous a permis d'atteindre un rendement de conversion record de plus de 22%, démontrant ainsi le grand potentiel de cette technologie à HJ de a-Si:H/c-Si.

La croissance de couches minces d'oxydes sur les alliages métalliques et les métaux purs est un phénomène ayant fait l'objet d'un grand nombre d'études expérimentales. Les structures des couches d'oxydes sont bien connues, ainsi que les modèles mathématiques servant à modéliser les aspects macroscopiques de la croissance. Cependant, les détails des mécanismes de germination de la couche d'oxyde dans les premiers stades de la corrosion ainsi que sa croissance ultérieure demeurent peu ou mal connus. La simulation atomistique apparaît comme une alternative pour évaluer les différents mécanismes proposés et appréhender l'influence des différents paramètres physico-chimiques. Le développement d'un tel outil de simulation a démarré au LPCS avec la thèse de M. Legrand. En se basant sur l'exemple de l'alliage FeCr, un modèle informatique tridimensionnel dit "modèle de Legrand", permettant de simuler la dissolution sélective et la passivation des alliages binaires a été réalisé. L'évolution dynamique est basée sur une technique de type Monte Carlo classique. Le logiciel permet de simuler l'évolution d'un alliage quelconque, d'une composition et d'une structure cristallographique donnée. Il prend en compte la diffusion des atomes sur la surface, leur dissolution et le blocage de la dissolution par formation d'une couche de passivation. Cet outil était adapté pour la simulation des premiers stades de la corrosion. L'objectif de ce travail est d'améliorer ce modèle existant, afin de simuler l'évolution de la couche passive sur une échelle de temps plus longue. A l'issue de ce travail, de nombreux apports ont été effectués. Ainsi, l'introduction d'un champ de force MEAM (Modified Embedded Atom Method) pour le calcul des barrières de diffusion et de dissolution, a permis de remplacer les probabilités de diffusion empiriques par des probabilités calculées, et de mettre en évidence la diffusion préférentielle des Cr vers leurs semblables. L'introduction d'une dynamique de simulation Monte Carlo Cinétique (KMC) a permis une prise en compte réaliste de l'évolution cinétique du modèle avec des temps de simulation reliés au temps réel. Enfin Un second réseau cristallographique RVO (réseau virtuel d'oxyde) tridimensionnel, correspondant à celui de la couche passive (Cr2O3) a été implémenté, ainsi qu'une interface graphique pour un meilleur suivi de la simulation. Les résultats obtenus lors des simulations sont en accord avec les observations expérimentales: passivation totale à partir du Fe-16Cr, enrichissement en Cr de la couche passive, allures des courbes cinétiques, influence du champ électrique, mise en évidence l'apparition de cavités sous la couche passive.

The objective of the proposed research is to develop low-cost, screen-printed 20% efficient silicon solar cells. In the first part of this thesis, a ~19% efficient, screen-printed cell was fabricated using the commercially-dominant aluminum back surface field (Al-BSF) cell structure. Device modeling was then used to determine that increasing the efficiency to 20% required improvements in both back surface passivation and rear reflectance. In the second part of this thesis, a passivated, transparent boron BSF (B-BSF) structure was proposed as a high-throughput method for realizing these improvements. The first step in fabricating the proposed B-BSF cell involved the successful development of a water-based, spin-on solution of boric acid as a low-cost, non-toxic and non-pyrophoric alternative to common boron diffusion sources such as boron tribromide. A review of the literature shows that a common problem with boron diffusion is severe bulk lifetime degradation, with Fe contamination being commonly speculated as the cause. An experimental study was therefore devised in which the impact of boron diffusion and subsequent cell process steps on the bulk lifetime and bulk iron contamination was tracked. From this study, a model for boron diffusion-induced Fe contamination was developed along with methods for gettering Fe from the substrate. A key achievement of this thesis was the discovery of a novel, negatively charged, aluminum-doped spin-on glass (SOG) which can, in a short thermal step, simultaneously getter Fe and provide stable, high-quality passivation of planar, boron-diffused Si surfaces. Since past attempts at achieving low-cost, high-efficiency, boron-diffused cells have suffered from bulk lifetime degradation and difficulties with passivating a boron-diffused Si surface, the Al-doped SOG provides a solution to both challenges. Since a high rear reflectance is important for achieving high-efficiencies, an experimental study of various reflectors was undertaken and a silver colloid material was found which exhibits both high electrical conductivity and Lambertian reflectance >95%. The work on boric acid diffusion, iron gettering, surface passivation and rear reflectors was successfully integrated into a 20.2% efficient, screen-printed, B-BSF cell fabricated on 300 µm thick, p-type float-zone (FZ) Si wafers. Both device theory and modeling was used to show that, due to its well-passivated surfaces, this cell would suffer a large loss in efficiency due to light-induced degradation (LID) if it were fabricated on commercial p-type Czochralski (Cz) Si substrates. Since n-type Si substrates do not suffer from LID, the p-type process was slightly tweaked and applied to n-type FZ wafers, resulting in 20.3% efficient cells on 190 µm thick wafers. Computer modeling shows that both the p-type and n-type cells can maintain efficiencies of 20% for wafers as thin as 100 µm.

La forte croissance du marché des peintures en poudre nécessite le développement de nouvelles matières de charges compatibles, et notamment de grades de pigments aluminium spécifiques pour obtenir des effets métallisés intéressants. Pour ce faire, l'enrobage des pigments dans une couche polymère est une stratégie éprouvée. Cette étude a permis de montrer qu'un nouveau type de traitement simple et propre, en milieu aqueux, est possible grâce à l'utilisation d'un réactif qui joue un double rôle : les ions persulfate permettent, en effet, dans un premier temps d'inhiber la corrosion de l'aluminium par passivation, puis d'amorcer la réaction de polymérisation de monomères acryliques. La mise en oeuvre de conditions de réaction spécifiques permet alors de limiter l'agglomération des particules et de former une couche polymère homogène et uniforme garantissant des effets otiques optimaux. En ce qui concerne l'interaction entre persulfate et aluminium, nous avons mis en évidence une réaction d'oxydation par le persulfate. Son effet est croissant avec le rapport massique ions persulfates / aluminium et des conditions optimales ont été déterminées sur le grade de pigments étudié. Enfin un mécanisme a été proposé pour rendre compte des résultats obtenus lors des tests de dégazage (gassing), du suivi du ph et des observations en microscopie électronique à balayage (MEB).

In the crystalline Si solar cell industry, there is a push to reduce module cost through a combination of thinner substrates and increased cell efficiency. Achieving solar cells with sub-100 µm substrates cost-effectively is a formidable task because such thin substrates impose stringent handling requirements and thermal budget due to their flexibility, ease of breakage, and low yield. Moreover, as the substrate thickness decreases the surface passivation quality dictates the performance of the cells. Crystalline Si heterojunction (HJ) solar cells based on hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) have attracted significant interest in recent years due to their excellent surface passivation properties, potential for high efficiency, low thermal budget and low cost. HJ cells with ultra-passivated surfaces showing > 700 mV open-circuit voltages (Voc) and > 20% conversion efficiency have been demonstrated. In these cells, it has been identified that high-quality a-Si:H films deposited by a low-damage plasma process is key to achieving such high cell performance. However, the options for low-damage plasma deposition process are limited. The main objectives of this work are to develop a low-plasma damage a-Si:H thin film deposition process based on remote plasma chemical vapor deposition (RPCVD) and to demonstrate high efficiency HJ solar cells on bulk substrates as well as on ultra-thin silicon and germanium substrates obtained by a novel, low-cost semiconductor-on-metal (SOM) technology. This manuscript presents a detailed description of the RPCVD system and the process leading to the realization of high quality a-Si:H thin films and high efficiency HJ solar cells. First, p-type a-Si:H thin films are developed and optimized, then HJ solar cells are subsequently fabricated on bulk and ultra-thin Si and Ge SOM substrates without intrinsic a-Si:H passivation. Single HJ cells on ~ 500 µm bulk Si and ~25 µm ultra-thin substrates exhibited conversion efficiencies of η = 16% (Voc = 615 mV, Jsc = 34 mA/cm2, and FF = 77%) and η = 11.2% (Voc = 605 mV, Jsc = 29.6 mA/cm2, and FF = 62.8%), respectively. The performance of the ~25 µm cell was further improved to η = 13.4% (Voc = 645 mV, Jsc = 31.4 mA/cm2, and FF = 66.2%) by implementing the dual HJ architecture without front side i-layer passivation. For single HJ cells based on Ge substrates, the results were η = 1.78 % (Voc = 148 mV, Jsc = 35.1 mA/cm2, and FF = 1.78%) on ~500 µm bulk Ge, compared to η =5.3% (Voc = 203 mV, Jsc = 44.7 mA/cm2, and FF = 5.28%) on ~ 50 µm Ge SOM substrates. Respectively, the results obtained on ultra-thin SOM substrates are among the highest reported in literature for based on comparable architecture and substrate thickness. In order to achieve improved cell performance, dual HJ cells with i-layer passivation of both surfaces were fabricated. First, optimized RPCVD-based i-layer films were developed by varying the deposition temperature and H2 dilution ratio (R). It was found that excellent surface passivation on planar substrates with as-deposited minority carrier lifetimes > 1 ms is achievable by using deposition temperature of 200 ºC and moderate dilution ratio 0.5 ≤ R ≤ 1, even without the more rigorous RCA pre-cleaning process typically used in literature for achieving comparable results. Subsequently, dual HJ solar cells with i-layer films were demonstrated on planar and textured bulk Si substrates showing improved conversion efficiencies of η = 17.3% (Voc = 664 mV, Jsc = 34.34 mA/cm2 and FF = 76%) and η = 19.4% (Voc = 643 mV, Jsc = 38.99 mA/cm2, and FF = 77.5%), respectively. / text

Thin dielectric passivation layer is one of the basic construction elements in semiconductor device technology. There are few materials, from which the layers may be manufactured. They are oxides mainly, with Si02 as the most popular of them, although, the phosphor- and boron-silicon glasses are used as passivation layers, too. In choosing a passivant of power thyristors and diodes, there are two important considerations in addition to the usual requirement for providing uniform high breakdown voltage via substrate. One consideration is the thermal stability of the passivant to subsequent high-temperature processes. The other consideration is the bias-temperature stability of the passivation layers affecting the operation life expectancy of a device. In the technology of thyristors and diodes on silicon substrates the bias-breakdown voltage is not uniform over substrate due to non-homogeneity of passivated surface of the p-n junction. In this work, passivation of moat surface by means of electrochemical etching, formation of hydrogen-rich porous silicon layers and glass in-melting steps has been investigated. Passivation quality was controlled by the measurements of surface recombination characteristics after each technological step using a non-invasive technique, which employed microwave probed photoconductivity transients (MW-PCT). It has been shown that electrochemical etching - glass melting steps involved in passivation technological procedures resulted in a decrease of... [to full text] / Puslaidininkinių prietaisų pramušimo įtampos valdymas formuojant griovelį periferiniame perimetre yra viena iš labiausiai paplitusių technologinių operacijų, gaminant galios diodus bei tiristorius Si pagrindu. Aukštavolčių didelės galios puslaidininkinių prietaisų, kurie dirba kelių tūkstančių amperų diapazone, o uždarymo įtampa iki kelių tūkstančių voltų, didelė problema elektrinio lauko pasiskirstymas ties kristalo briauna, kur p-n sandūra išeina į paviršių ir kur vyksta griūtinis krūvininkų skaičiaus didėjimas. Darbo stabilumui užtikrinti būtina pasyvuoti paviršių kristalo periferijoje, ant profiliuoto krašto. Šiame darbe išanalizuota galingų puslaidininkinių struktūrų konstrukcija, pagrindinės charakteristikos, parametrų tarpusavio ryšis, taip pat technologinis procesas ir jo ypatumai. Išanalizuotos technologinio gamybos maršruto silpniausios pozicijos. Nustatyta izoliacinių griovelių ėsdinimo charakteristikų priklausomybė nuo ėsdiklio sudėties, nuo ėsdinimo įrenginio struktūros ir nuo ėsdiklio temperatūros kitimo. Sukurta stiklo pasyvacijos difuzinės krosnies monitoringo sistema, kuri skirta aukštų temperaturų ir dujų srautų matavimui proceso metu. Rekombinacijų charakteristikų kitimo pagalba, matuojant be kontakte MW-PCT technika, įvertinama izoliacinių griovelių pasyvacijos kokybė. Technologiniame gamybos maršrute, po izoliacinio griovelio ėsdinimo operacijos, prieš stiklo pasyvaciją sudarinėjamas porėtojo silicio sluoksnis, taip pat siūloma įvesti homogeniškumo... [toliau žr. visą tekstą]

Puslaidininkinių prietaisų pramušimo įtampos valdymas formuojant griovelį periferiniame perimetre yra viena iš labiausiai paplitusių technologinių operacijų, gaminant galios diodus bei tiristorius Si pagrindu. Aukštavolčių didelės galios puslaidininkinių prietaisų, kurie dirba kelių tūkstančių amperų diapazone, o uždarymo įtampa iki kelių tūkstančių voltų, didelė problema elektrinio lauko pasiskirstymas ties kristalo briauna, kur p-n sandūra išeina į paviršių ir kur vyksta griūtinis krūvininkų skaičiaus didėjimas. Darbo stabilumui užtikrinti būtina pasyvuoti paviršių kristalo periferijoje, ant profiliuoto krašto. Šiame darbe išanalizuota galingų puslaidininkinių struktūrų konstrukcija, pagrindinės charakteristikos, parametrų tarpusavio ryšis, taip pat technologinis procesas ir jo ypatumai. Išanalizuotos technologinio gamybos maršruto silpniausios pozicijos. Nustatyta izoliacinių griovelių ėsdinimo charakteristikų priklausomybė nuo ėsdiklio sudėties, nuo ėsdinimo įrenginio struktūros ir nuo ėsdiklio temperatūros kitimo. Sukurta stiklo pasyvacijos difuzinės krosnies monitoringo sistema, kuri skirta aukštų temperaturų ir dujų srautų matavimui proceso metu. Rekombinacijų charakteristikų kitimo pagalba, matuojant be kontakte MW-PCT technika, įvertinama izoliacinių griovelių pasyvacijos kokybė. Technologiniame gamybos maršrute, po izoliacinio griovelio ėsdinimo operacijos, prieš stiklo pasyvaciją sudarinėjamas porėtojo silicio sluoksnis, taip pat siūloma įvesti homogeniškumo... [toliau žr. visą tekstą] / Thin dielectric passivation layer is one of the basic construction elements in semiconductor device technology. There are few materials, from which the layers may be manufactured. They are oxides mainly, with Si02 as the most popular of them, although, the phosphor- and boron-silicon glasses are used as passivation layers, too. In choosing a passivant of power thyristors and diodes, there are two important considerations in addition to the usual requirement for providing uniform high breakdown voltage via substrate. One consideration is the thermal stability of the passivant to subsequent high-temperature processes. The other consideration is the bias-temperature stability of the passivation layers affecting the operation life expectancy of a device. In the technology of thyristors and diodes on silicon substrates the bias-breakdown voltage is not uniform over substrate due to non-homogeneity of passivated surface of the p-n junction. In this work, passivation of moat surface by means of electrochemical etching, formation of hydrogen-rich porous silicon layers and glass in-melting steps has been investigated. Passivation quality was controlled by the measurements of surface recombination characteristics after each technological step using a non-invasive technique, which employed microwave probed photoconductivity transients (MW-PCT). It has been shown that electrochemical etching - glass melting steps involved in passivation technological procedures resulted in a decrease of... [to full text]

La recherche sur les sources d'électrons modulées en temps connaît actuellement un vif intérêt, notamment dans le domaine des sciences fondamentales ou pour certaines applications exigeantes. C'est dans ce contexte que ce travail exploratoire sur l'émission de champ (EC) photo-assistée de nanofils de silicium s'inscrit. Nous explorons dans un premier temps les caractéristiques émissives de ces nanofils semi-conducteurs présentant un régime de saturation très prononcé, très sensible à la température et à la lumière, et encore jamais observé pour de telles structures à température ambiante. Le rôle important joué par la surface dans la saturation est prouvé par des traitements in-situ ayant des conséquences radicales sur les caractéristiques courant-tension de l'EC. Grâce à des cycles de passivation à l'hydrogène nous avons pu montrer le rôle des liaisons pendantes à l'interface matériau/oxyde dans la saturation et basculer de façon réversible entre un comportement quasi-métallique et semiconducteur. Nous étudions ensuite la réponse de ces émetteurs à une excitation optique modulée en temps. Leur réponse est attribuée à la photoconduction due à l'absorption directe : les effets thermiques peuvent être exclus à ces puissances laser. Nous avons alors mis en évidence la présence de deux constantes de temps associées à l'éclairement et la relaxation de l'échantillon. Le rôle des états pièges en surface prend là encore une part importante dans le temps de réponse de l'échantillon en limitant celui-ci à quelques dizaines de microsecondes seulement. Enfin nous avons mis en évidence un effet complètement nouveau en EC sous éclairage laser : une double résistance différentielle négative. Dans les dispositifs à semiconducteurs, cet effet est généralement associé à des oscillations de courant à haute fréquence et ouvre la perspective vers des sources EC compactes et auto-oscillantes à très hautes fréquences

Les aciers inoxydables sont de plus en plus utilisés comme renfort du béton dans lesconstructions marines et côtières, afin de prévenir la corrosion induite par les ions chloruresqui pénètrent dans le béton poreux. L'ajout de molybdène dans les aciers inox contribue àaugmenter leur résistance à la corrosion par piqure lorsqu'ils sont utilisés dans desenvironnements acides et neutres. Cependant, le rôle du Mo sur la corrosion par piqûre desaciers en milieu alcalin chloruré reste à ce jour flou et peu étudié. Par conséquence, lacompréhension de l'action du Mo dans la résistance à la corrosion en milieu alcalin est doncd'une importance majeure. Cela permettra l'optimisation de la composition finale des alliagesinoxydables en vue des applications potentiels comme renfort dans le béton. Ainsi, cette thèsevise à étudier l'effet de l'addition du Mo sur les propriétés de corrosion par piqûre des aciersinoxydables austénitiques, ferritiques et surtout lean duplex en milieu alcalin. Finalement, lerôle du Mo sur les aciers inoxydables a été discuté en termes de leur résistance à la corrosionlocalisée, cinétique de repassivation et propriétés de passivation dans plusieurs milieuxagressifs, mais surtout dans une solution chlorurée synthétique qui simule les environnementsporeux du béton (solution de pH10 avec des ions carbonates et chlorures).

As estruturas metal-óxido-semicondutor (MOS) são o coração dos transistores de efeito de campo. O estudo e caracterização físico-química desses dispositivos foram a chave para o avanço da tecnologia do Si na indústria microeletrônica. Hoje, a ciência busca novos materiais para a produção de dispositivos de alta mobilidade. Um dos materiais visados é o Ge, pois apresenta mobilidade de cargas superior ao Si (duas vezes para elétrons e quatro vezes para lacunas). Porém, a interface Ge/GeO2 é de natureza reativa, limitando seu uso na construção de tais dispositivos. Muitos esforços têm sido feitos para superar as limitações. Entre eles, encontram-se a passivação da superfície do Ge a partir de solução aquosa de (NH4)2S, previamente a deposição do dielétrico. Outra etapa do processamento desse material na indústria a ser investigada são os tratamentos térmicos posteriores à deposição: a caracterização de estruturas MOS de Pt/HfO2/Ge submetidas a tratamentos térmicos levaram a melhoria das propriedades elétricas. Nesse sentido, o trabalho tem como objetivos investigar o papel da passivação sulfídrica em estruturas dielétrico/Ge e a influência do eletrodo de Pt nas estruturas Pt/HfO2/Ge quando submetidas a tratamentos térmicos. / The heart of field effect transistors is the metal-oxide-semiconductor (MOS) structure. Physico-chemical characterization of the materials employed in such structures enabled the development of Si technology. Nowadays, in order to build high mobility devices, new material are needed. Ge is an alternative material, since its carrier mobilities are higher than those of Si (almost two times for electrons and four times higher for holes). However, the GeO2/Ge interface is not thermally stable, which is a problem for its use on electronic devices. Many attempts to enhance this stability were already investigated. Among them, sulfur passivation of the Ge surface was employed using (NH4)2S aqueous solution prior to the deposition of dielectric layers. Another important step in the fabrication of MOS structures is post-deposition annealing. Pt/HfO2/Ge MOS structures presented improved electrical characteristics following post deposition annealing. The main objectives of this work are to investigate the role of sulfur passivation on dielectric/Ge structures and the influence of Pt electrode in Pt/HfO2/Ge structures submitted to post deposition annealing.