Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

abstract: A primary motivation of research in photovoltaic technology is to obtain higher efficiency photovoltaic devices at reduced cost of production so that solar electricity can be cost competitive. The majority of photovoltaic technologies are based on p-n junction, with efficiency potential being much lower than the thermodynamic limits of individual technologies and thereby providing substantial scope for further improvements in efficiency. The thesis explores photovoltaic devices using new physical processes that rely on thin layers and are capable of attaining the thermodynamic limit of photovoltaic technology. Silicon heterostructure is one of the candidate technologies in which thin films induce a minority carrier collecting junction in silicon and the devices can achieve efficiency close to the thermodynamic limits of silicon technology. The thesis proposes and experimentally establishes a new theory explaining the operation of silicon heterostructure solar cells. The theory will assist in identifying the optimum properties of thin film materials for silicon heterostructure and help in design and characterization of the devices, along with aiding in developing new devices based on this technology. The efficiency potential of silicon heterostructure is constrained by the thermodynamic limit (31%) of single junction solar cell and is considerably lower than the limit of photovoltaic conversion (~ 80 %). A further improvement in photovoltaic conversion efficiency is possible by implementing a multiple quasi-fermi level system (MQFL). A MQFL allows the absorption of sub band gap photons with current being extracted at a higher band-gap, thereby allowing to overcome the efficiency limit of single junction devices. A MQFL can be realized either by thin epitaxial layers of alternating higher and lower band gap material with nearly lattice matched (quantum well) or highly lattice mismatched (quantum dot) structure. The thesis identifies the material combination for quantum well structure and calculates the absorption coefficient of a MQFl based on quantum well. GaAsSb (barrier)/InAs(dot) was identified as a candidate material for MQFL using quantum dot. The thesis explains the growth mechanism of GaAsSb and the optimization of GaAsSb and GaAs heterointerface. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2011

Les siliciures métalliques constituent un élément crucial des contacts électriques des transistors que l'on retrouve au coeur des circuits intégrés modernes. À mesure qu'on réduit les dimensions de ces derniers apparaissent de graves problèmes de formation, liés par exemple à la limitation des processus par la faible densité de sites de germination. L'objectif de ce projet est d'étudier les mécanismes de synthèse de siliciures métalliques à très petite échelle, en particulier le NiSi, et de déterminer l’effet de l’endommagement du Si par implantation ionique sur la séquence de phase. Nous avons déterminé la séquence de formation des différentes phases du système Ni-Si d’échantillons possédant une couche de Si amorphe sur lesquels étaient déposés 10 nm de Ni. Celle-ci a été obtenue à partir de mesures de diffraction des rayons X résolue en temps et, pour des échantillons trempés à des températures critiques du processus, l’identité des phases et la composition et la microstructure ont été déterminées par mesures de figures de pôle, spectrométrie par rétrodiffusion Rutherford et microscopie électronique en transmission (TEM). Nous avons constaté que pour environ la moitié des échantillons, une réaction survenait spontanément avant le début du recuit thermique, le produit de la réaction étant du Ni2Si hexagonal, une phase instable à température de la pièce, mélangée à du NiSi. Dans de tels échantillons, la température de formation du NiSi, la phase d’intérêt pour la microélectronique, était significativement abaissée. / Currently metal silicide constitutes a crucial component in the formation of electrical contacts for transistors that forms the heart of modern day integrated circuits. As we reduce the dimensions of the latter, we are faced with serious problems of formation, related for example to the process limitation due to the weak density of germination sites. The objective of this project is to study at small scale the synthesis mechanisms of metal silicide, in particular NiSi, and to determine the effect of Si implantation damage on the phase sequence. We have determined the different phase sequences of the Ni-Si system for samples composed of a 10 nm Ni surface layer deposited on a-Si. These were obtained by time resolved x-ray diffraction (TR-XRD) measurements. As for samples quenched at critical temperatures we identified the different phases, their composition and their microstructure were determined by pole figures, Rutherford back scattering (RBS) spectrometry and transmission electron microscopy (TEM). We noted that for approximately half the samples, a spontaneous reaction happened before annealing. The result of the reaction was hexagonal Ni2Si, a phase unstable at room temperature, mixed with NiSi. In theses samples, the temperature of formation for the phase of interest, the NiSi, was lower.

La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d’énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l’ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu’une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l’industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d’électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu’ils profitent en particulier d’une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l’absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l’absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L’intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L’objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d’élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant. / Photovoltaic energy is a very attractive way to produce renewable energy. The current increase in the photovoltaic energy production mainly takes advantage of the continuous decrease in the solar cell cost as well as to incentive policy. However, installed photovoltaic panels only contribute to a very small part of the global electricity production. Therefore, important technological developments are dedicated to the second generation of solar cells (i.e. thin film solar cells) in order to reduce more their manufacturing cost despite the resulting lower conversion efficiency owing to a weaker structural and optical material quality. One alternative way to increase the solar cell efficiency is to fabricate nanowire-based solar cells since they may benefit from a higher light absorption and carrier collection efficiency. The light absorption is actually increased thanks to the high surface/volume ratio of nanowires but also to light trapping related to the nanowire length. Furthermore, the collection of minority charge carriers is more efficient in radial structures (i.e. core-shell structures) since the nanowire diameter is very small. This PhD thesis aims at investigating the optoelectronic properties of silicon and ZnO/CdTe nanowires (absorption, lifetime of minority charge carriers, bulk and surface recombination…) in order to design an optimised nanowire-based solar cell structure. Electromagnetic simulations will be first performed to define the best nanowire geometry for the absorbance, and then compared to experimental measurements of the absorption coefficient. Electrical characterisations (lifetime measurements, surface recombination…) will be also achieved to analyse the structural quality and to simulate the solar cell electrical properties. Some prototypes of optimised solar cells will eventually be fabricated.

La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d’énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l’ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu’une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l’industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d’électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu’ils profitent en particulier d’une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l’absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l’absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L’intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L’objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d’élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant. / Photovoltaic energy is a very attractive way to produce renewable energy. The current increase in the photovoltaic energy production mainly takes advantage of the continuous decrease in the solar cell cost as well as to incentive policy. However, installed photovoltaic panels only contribute to a very small part of the global electricity production. Therefore, important technological developments are dedicated to the second generation of solar cells (i.e. thin film solar cells) in order to reduce more their manufacturing cost despite the resulting lower conversion efficiency owing to a weaker structural and optical material quality. One alternative way to increase the solar cell efficiency is to fabricate nanowire-based solar cells since they may benefit from a higher light absorption and carrier collection efficiency. The light absorption is actually increased thanks to the high surface/volume ratio of nanowires but also to light trapping related to the nanowire length. Furthermore, the collection of minority charge carriers is more efficient in radial structures (i.e. core-shell structures) since the nanowire diameter is very small. This PhD thesis aims at investigating the optoelectronic properties of silicon and ZnO/CdTe nanowires (absorption, lifetime of minority charge carriers, bulk and surface recombination…) in order to design an optimised nanowire-based solar cell structure. Electromagnetic simulations will be first performed to define the best nanowire geometry for the absorbance, and then compared to experimental measurements of the absorption coefficient. Electrical characterisations (lifetime measurements, surface recombination…) will be also achieved to analyse the structural quality and to simulate the solar cell electrical properties. Some prototypes of optimised solar cells will eventually be fabricated.

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En este trabajo se ha fabricado un equipo de medida que combina la alta temperatura con transmisión óptica, utilizando el espectro de emisión de un LED comercial de bajo coste de adquisición.A partir de las medidas de transmisión óptica se ha obtenido el coeficiente de absorción y a través de este conocer la temperatura del substrato de c-Si:Así como para conocer los mecanismos fundamentales que intervienen en el proceso de la absorción óptica (Banda a banda y Cargas libres). Se ha ampliado el modelo teórico de calculo del coeficiente de absorción para ajustar las medidas echas con el espectro de emisión de un LED.El equipo construido se ha empleado para monitorizar in-situ la fase de cristalización de las capas de a-SiCx:H intrínsecas y dopadas con fósforo depositadas sobre substrato de c-Si. Los resultados obtenidos se han comparando con otras medidas ópticas que involucran técnicas diferentes: SEM, X-RD, FTIR, Monocromador, que confirman los resultados encontrados.

The solar cells market has an annual growth of more than 30 percent over the past 15 years. At the same time, the cost of the solar modules diminished to meet both of the rapid global demand and the technological improvements. In particular for the crystalline silicon solar cells, the workhorse of this technology. The objective of this doctoral thesis is enhancing the efficiency of c-Si solar cells while exploring the cost reduction via innovative techniques. Contact metallization and ultra-flexible wafer based c-Si solar cells are the main areas under investigation. First, Silicon-based solar cells typically utilize screen printed Silver (Ag) metal contacts which affect the optimal electrical performance. To date, metal silicide-based ohmic contacts are occasionally used for the front contact grid lines. In this work, investigation of the microstructure and the electrical characteristics of nickel monosilicide (NiSi) ohmic contacts on the rear side of c-Si solar cells has been carried out. Significant enhancement in the fill factor leading to increasing the total power conversion efficiency is observed. Second, advanced classes of modern application require a new generation of versatile solar cells showcasing extreme mechanical resilience. However, silicon is a brittle material with a fracture strains <1%. Highly flexible Si-based solar cells are available in the form thin films which seem to be disadvantageous over thick Si solar cells due to the reduction of the optical absorption with less active Si material. Here, a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology based integration strategy is designed where corrugation architecture to enable an ultra-flexible solar cell module from bulk mono-crystalline silicon solar wafer with 17% efficiency. This periodic corrugated array benefits from an interchangeable solar cell segmentation scheme which preserves the active silicon thickness and achieves flexibility via interdigitated back contacts. These cells can reversibly withstand high mechanical stress as the screen-printed metals have fracture strain >15%. Furthermore, the integration of the cells is demonstrated on curved surfaces for a fully functional system. Finally, the developed flexing approach is used to fabricate three-dimensional dome-shaped cells to reduce the optical coupling losses without the use of the expensive solar tracking/tilting systems.

Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l'interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques.