This thesis describes the issue of PN junction of photovoltaic cells, photovoltaic effect physics, basic materials used in photovoltaic and their properties, important for the area of photovoltaic. It deals with the problems of magnetism focused on electromagnetic fields. Experimental facility for measuring the influence of magnetic field on the solar cells through the Helmholtz coils was constructed. This work also dealing with the influence of magnetic radiation on photovoltaic cells and the influence of electromagnetic waves on the volt-ampere characteristics of the photovoltaic cell.

<p>A modified liquid phase epitaxy (LPE) technique, called lateral diffusion LPE (LDLPE), is invented for low cost and high efficiency solar cell applications. Potentially, LDLPE is able to produce single crystalline silicon wafers directly from the raw material, rather than cutting wafers from single crystalline silicon ingots, therefore reducing the cost by avoiding the cutting and polishing processes.</p> <p>By using a traditional LPE method, the silicon is epitaxially grown on the silicon substrate by cooling down the saturated silicon/indium alloy solution from a high temperature. The silicon precipitates on the substrate since its solubility in the indium solvent decreases during the cooling process. A SiO₂ mask is formed on the (111) substrate with 100µm wide opening windows as seedlines. Silicon is epitaxially grown on the seedline and forms thick epitaxial lateral overgrowth (ELO) layers on the oxide mask. The ELO layers are silicon strips with an aspect ratio of 1:1 (width: thickness), approximately. The strip grows both laterally in width and vertically in thickness.</p> <p>The concept of LDLPE is to intentionally block the silicon diffusion path from the top of the seedline, but leave the lateral diffusion path from the bulk indium melt to the seedline. Theoretically, by using the LDLPE method, the silicon strip should have a larger aspect ratio, because the laterally growth in width is allowed but the vertical growth in thickness is limited. In addition, single crystalline silicon wafers can be achieved if the strip grows continuously.</p> <p>A graphite slide boat is designed to place a plate over the seedline to block the diffusion path of silicon atoms from the top of the seedline. After one growth cycle, silicon strips grown by LDLPE are wider than LPE strips but have similar thicknesses. The aspect ratios are increased from 1:1 to a number larger than 2:1. A Monte-Carlo random walk model is used to simulate the change of LDLPE strip aspect ratio caused by placing a plate over the seedline.</p> <p>Wetting seedline by indium melt is very critical for a successful growth. Due to the small space between the plate and seedline and the surface tension of the indium melt, the indium melt cannot flow into the small space. A pre-wetting technique is used to fill the space prior to loading the graphite boat into the tube furnace and solve the wetting problem successfully.</p> <p>The structure of a LDLPE silicon strip is characterized by X-ray diffraction. The electrical properties are characterized by Hall Effect measurement and photoconductive decay measurement. LDLPE silicon strips are (111) orientated single crystal and are the same orientation as the substrate. For the growth temperature of 950°C, the LDLPE strip has an estimated effective minority carrier lifetime of 30.9µs. The experimental results demonstrate that LDLPE is feasible for photovoltaic application if continuous growth and scaling up can be achieved.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

Nous avons étudié in situ et en temps réel la structure de grains du silicium multi-cristallin issue de la solidification dirigée en utilisant l’imagerie X synchrotron. La radiographie X permet de suivre l’évolution de l’interface solide/liquide et de caractériser sa dynamique et sa morphologie. La topographie X nous donne des informations sur la structure de grains formée, les contraintes et les défauts issus de la solidification. Nous avons montré l’importance la préparation de l’état initial de la solidification en particulier pour les expériences de reprise sur germe. L’analyse de la morphologie de l’interface solide/liquide nous a permis de caractériser la surfusion cinétique du front de solidification, de comprendre l’évolution des sillons de joints de grains et d’analyser les mécanismes de compétition de grains ainsi que de révéler l’impact des impuretés sur la structure de grains formée à l’issue de la solidification. Le phénomène de maclage a aussi été observé dans nos expériences et nous avons démontré que les macles dans le silicium multi-cristallin peuvent être des macles de croissance. Deux types de macles ont été identifiés et le phénomène de compétition de grains en présence de macles étudié. / We studied in situ and real-time the grain structure of multi-crystalline silicon from directional solidification using synchrotron X-ray imaging techniques. X-ray Radiography gives information on the evolution, dynamics and morphology of the solid/liquid interface. X- ray Topography gives more information on the grain structure, strains and defects that occur during solidification step. We showed the importance of the preparation of the initial stage of solidification in particular in the experiments where solidification is initiated from seed. The analysis of the solid/liquid interface morphology allowed us to characterize the kinetic undercooling of the solidification front, to understand the evolution of the grains boundary grooves and to analyze the mechanisms of grain competition and also to reveal the impurities impact on the grain structure formed at the end of the solidification. We also observed twinning phenomenon in our experiments and we demonstrated that twins in multi-crystalline silicon can be growth twins. Two kinds of silicon twins have been identified and the grain competition phenomenon with twins studied.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Ätzprozessen von alkalischen und insbesondere HF/HNO3-basierten Ätzmedien an Silicium (Si). Es wurden Ätzprozesse an kristallinen (c-Si) und besonders an amorph/kristallinen (a-Si:H/c-Si) Silicium-Strukturen mit Hilfe von in situ Photolumineszenz(PL)-Messungen untersucht. Diese ermöglichen eine Verfolgung der Veränderung der Grenzflächendefektdichte an der c-Si-Grenzfläche während der Ätzprozesse. Es wurde erstmals beobachtet, dass der über Ladungsträgerinjektion von Löchern in das Si ablaufende Ätzprozess in HNO3-reichen, HF/HNO3-basierten Ätzmedien eine temporäre Feldeffektpassivierung an der geätzten Grenzfläche verursacht, welche zu einer Verzögerung des eigentlichen Auflöseprozesses des Si führt. Die Anwendung dieser Ätzmedien erfolgte im Rahmen der Strukturierung von a-Si:H-Schichten auf c-Si zur Realisierung von interdigitierenden Kontaktstrukturen rückseitenkontaktierter a-Si:H/c-Si-Heterosolarzellen. Für diese Ätzprozesse konnte mit Hilfe von in situ PL-Messungen erstmalig eine in situ Prozesskontrolle etabliert werden. Der Ätzprozess kann exakt bei Erreichen der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche gestoppt werden, wodurch die ätzbedingte Defektbildung an der resultierenden c-Si-Oberfläche minimiert wird. Als weiterer Themenschwerpunkt wurde eine Photolithographie-freie Nanostrukturierung von a-Si:H/c-Si-Strukturen durch metallkatalysiertes Ätzen (MAE) vorgestellt, wobei MAE erstmals auf a-Si:H angewandt wurde. Anhand von in situ PL-Messungen konnte ebenfalls eine, wenn auch geringere, Feldeffektpassivierung an der geätzten Grenzfläche im Zuge der Injektion von Löchern in das Si durch die katalytisch aktiven Ag Nanopartikel (AgNP) beobachtet werden. Mit den so steuerbaren MAE-Prozessen können a-Si:H-Schichten exakt bis zur a-Si:H/c-Si-Grenzfläche punktuell geöffnet werden. Auf diese Weise wurden p-Typ a-Si:H/c-Si-Heterosolarzellen mit einem punktförmigen Absorberkontakt erfolgreich realisiert. / This dissertation is concerned with wet chemical etching processes of silicon (Si) by alkaline and especially HF/HNO3 based etchants. The etching processes are applied to crystalline (c-Si) and amorphous/crystalline (a-Si:H/c-Si) samples and analyzed by in situ photoluminescence (PL) measurements. These measurements enable a monitoring of changes in the defect density at the c-Si interface during the etching processes. By etching of Si in HNO3-rich HF/HNO3 based etchants, a temporary field effect passivation at the etched c-Si surface by hole injection was established. It was detected by in situ PL measurements for the first time. This effect causes a delay of the actual dissolution of the Si. These etching processes were applied to structure a-Si:H layers on c-Si in order to establish interdigitated contacts for back contacted a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells. A process control for that kind of etch back processes was developed for the first time by in situ PL measurements. This method enables an exact termination of the etching processes with the arrival of the etching front at the a-Si:H/c-Si interface. Thus, etching induced defects at the resulting c-Si surface can be reduced. Finally this thesis focuses on the development of a photolithography-free approach for nanostructuring of a-Si:H/c-Si samples using metal assisted etching (MAE). In this context, MAE was applied to a-Si:H for the first time. In situ PL measurements also showed a temporary field effect passivation during MAE due to hole injection by the catalytically active Ag nanoparticles (AgNP). Here, this effect was less distinct because of only punctual etching by the AgNP. These designed MAE processes are used to selectively etch a-Si:H layers exactly down to the a-Si:H/c-Si interface. This process opens new doors to a novel fabrication technique for point contacted heterojunction solar cells. P-type a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells with point contacted back surface field are presented.

La rentabilité des cellules à base de silicium est un point essentiel pour le marché photovoltaïque et cela passe notamment par l'amélioration du rendement électrique, la baisse des coûts de production ainsi que le renforcement de la fiabilité/durabilité des wafers. Des procédés innovants émergent, qui permettent d'obtenir des wafers ultra minces avec moins de perte de matière première. Cependant il est nécessaire de mettre en place des méthodes de caractérisation afin d’analyser la rigidité et la tenue mécanique de ces matériaux. Dans ce travail, des essais de flexion ont été effectués pour caractériser à la fois la rigidité et la rupture. Afin d’étudier la rupture fragile, une caméra rapide a été utilisée, des analyses fractographiques ont été menées. La diffraction d'électrons rétrodiffusés et la diffraction par rayon X de Laue ont été utilisées afin d'explorer le lien entre les orientations cristallographiques et les comportements observés. Conjointement, des simulations numériques EF ont été mise en place. Grâce à ce couplage expériences-simulations numériques, une caractérisation fiable de la rigidité des wafers a été effectuée. Une stratégie d'identification de l'origine de la rupture est également proposée. L'étude de la rupture du silicium monocristallin a mis en évidence la stabilité du clivage (110), la grande vitesse d'amorçage de la fissure, la dépendance de la forme du front de fissure à la vitesse de propagation ainsi que l'apparition de "Front Waves" pour les fissures à très grande vitesse. L'étude de la rupture des wafers multi-cristallins démontre une fissuration intra-granulaire. Des éprouvettes jumelles ont permis d’étudier la répétabilité du chemin de fissuration : une attention particulière a été portée à la nature des plans de clivage ainsi que l'effet des joints de grains. Enfin, une modélisation par la méthode des éléments finis étendus est proposée. Elle permet de reproduire le chemin de fissuration expérimentalement observé. / The profitability of silicon solar cells is a critical point for the PV market and it requires improved electrical performance, lower wafer production costs and enhancing reliability and durability of the cells. Innovative processes are emerging that provide thinner wafers with less raw material loss. But the induced crystallinity and distribution of defects compared to the classical wafers are unclear. It is therefore necessary to develop methods of microstructural and mechanical characterization to assess the rigidity and mechanical strength of these materials. In this work, 4-point bending tests were performed under quasi-static loading. This allowed to conduct both the stiffness estimation and the rupture study. A high speed camera was set up in order to track the fracture process thanks to a 45° tilted mirror. Fractographic analysis were performed using confocal optical microscope, scanning electron microscope and atomic force microscope. Electron Back-Scatter Diffraction and Laue X-Ray diffraction were used to explore the relationship between the microstructural grains orientations/textures of our material and the observed mechanical behavior. Jointly, finite element modeling and simulations were carried out to provide auxiliary characterization tools and help to understand the involved fracture mechanism. Thanks to the experiment-simulation coupled method, we have assessed accurately the rigidity of silicon wafers stemming from different manufacturing processes. A fracture origin identification strategy has been proposed combining high speed imaging and post-mortem fractography. Fracture investigations on silicon single crystals have highlighted the deflection free (110) cleavage path, the high initial crack velocity, the velocity dependent crack front shape and the onset of front waves in high velocity crack propagation. The investigations on the fracture of multi-crystalline wafers demonstrate a systematic transgranular cracking. Furthermore, thanks to twin multi-crystalline silicon plates, we have addressed the crack path reproducibility. A special attention has been paid to the nature of the cleavage planes and the grain boundaries barrier effect. Finally, based on these observations, an extended finite element model (XFEM) has been carried out which fairly reproduces the experimental crack path.

Les cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin représentent plus de 90% du marché photovoltaïque mondial. Des architectures de cellules à haut rendement de conversion sont actuellement développées. Pour atteindre leurs performances maximales, ces architectures nécessitent néanmoins une amélioration des propriétés électriques des substrats de silicium cristallin. Les objectifs de cette thèse sont d’identifier les défauts limitant les propriétés électriques de ces substrats, de comprendre les mécanismes menant à leur formation et de proposer des moyens permettant leur neutralisation. Les matériaux étudiés sont des plaquettes de silicium Czochralski de type n, généralement utilisé pour les applications à haut rendement. Le four de tirage Czochralski a d’abord été modélisé afin de comprendre comment le passé thermique subi par le lingot de silicium lors de la cristallisation affecte la génération des défauts. Ces travaux ont été confirmés via des confrontations avec des données expérimentales, en utilisant une méthode originale développée dans le cadre de ce travail. Nous avons ensuite étudié l’influence du budget thermique lié aux procédés de fabrication des cellules sur la population de défauts. Nous avons ainsi pu montrer que la nature des défauts limitant les propriétés électriques du silicium était grandement modifiée selon le procédé de fabrication de cellules utilisé. Nous avons en outre mis en évidence une dégradation inattendue des propriétés électriques du silicium Czochralski de type n sous illumination, liée à la formation d’un défaut volumique inconnu. Les conditions de formation et de suppression de ce défaut ont été étudiées en profondeur. Enfin, les principaux défauts limitant les propriétés électriques du silicium ayant été identifiés et les mécanismes menant à leur formation compris, nous proposons dans un dernier chapitre des nouvelles techniques de caractérisation permettant de détecter les plaquettes défectueuses en début de ligne de production de cellules photovoltaïques, et ce à une cadence industrielle. / Photovoltaic solar cells based on crystalline silicon represent more than 90% of the worldwide photovoltaic market. High efficiency solar cell architectures are currently being developed. In order to allow their maximal performances to be reached, the electronic properties of their crystalline silicon substrate must however be enhanced. The goals of the present work are to identify the defects limiting the electronic properties of the substrate, to understand the mechanisms leading to their formation and to propose routes for their neutralization. The studied materials are n-type Czochralski silicon wafers, usually used as substrates for high efficiency photovoltaic applications. The Czochralski puller was first modeled in order to understand how the thermal history experienced by the silicon ingot during crystallization affects the defects generation. This study were validated through the comparison with experimental data using an original method developed in the frame of this work. We then studied the influence of the thermal budget associated to solar cell fabrication processes on the defects population. We thus showed that the nature of lifetime-limiting defects was completely changed depending on the solar cell fabrication process. Besides, we evidenced an unexpected degradation of the electronic properties of n-type Czochralski silicon under illumination, related to the formation of an unknown bulk defect. The formation and deactivation features of this defect were extensively studied. Finally, the main limiting defects being identified and the mechanisms resulting in their formation understood, we propose in a last chapter new characterization techniques for the detection of defective wafers at the beginning of production lines at an industrial throughput.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.

La plupart des modules photovolta¨ıques produits sont `a base de silicium.L’efficacit´e de ces modules d´epend fortement de la qualit´e cristalline du siliciumutilis´ee ainsi que de la quantit´e d’impuret´es pr´esente dans le lingotd’origine d’o`u sont issus les modules. Les lingots de silicium sont obtenus aucours d’un proc´ed´e de solidification, durant lequel les impuret´es sont extraitespar ph´enom`ene de s´egr´egation. Le processus de s´egr´egation est influenc´e parl’´ecoulement dans le liquide durant l’´etape de solidification. L’utilisation d’unchamp magn´etique externe permet le contrˆole de l’´ecoulement dans le bainliquide. Dans cette ´etude, l’effet d’un ´ecoulement forc´e sur le processus des´egr´egation est ´etudi´e. Pour cela un dispositif exp´erimental (VB2) et unmod`ele num´erique ont ´et´e d´evelopp´es dans le but de comprendre le rˆole del’´ecoulement sur la forme de l’interface et sur la s´egr´egation des impuret´es. / The photovoltaic modules are generally produced using silicon wafers. Theirelectrical efficiency is related to the crystal quality, which is influenced bythe presence of pollutants in the ingots from which the wafers are cut. Siliconingots are obtained as a result of solidification processes, which implygrowing a crystal from melt. During this solidification process, impurities areseparated from the silicon. The segregation process is greatly influenced bythe melt velocity during the solidification process. The control of the meltflow during the crystallization process can be achieved using external magneticfields. This thesis presents the results of the study on the influence ofthe forced convection induced by a travelling magnetic field (TMF) duringthe solidification process, using both an experimental set-up (VB2) and anumerical model.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm. / The objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. The influence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion efficiency of 5% is measured on a solar cell with 1.5µm high silicon nanowires.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der grundlegenden Untersuchung von Reaktionsmustern kristalliner Si-Oberflächen in HF-basierten Lösungen. Ausgehend von den industriell genutzten HF-HNO3-H2O-Gemischen wurden wisher wenig untersuchte HF/HNO3-Konzentrationsverhältnisse, die durch gelöste Stickoxide bedingten Folgereaktionen sowie der PH-Wert als Steuerparameter zur Aufarbeitung feinkörniger Si-Rohstoffe (Korngröße ≤ 0,5 mm) identifiziert. Die in diesem Kontext zentrale Rolle der NO+-Ionen wurde durch Untersuchung der spezifischen Reaktionsmuster an kristallinen as-cut und hydrophobierten Si-Oberflächen sowie bei Umsetzungen mit Oligosilanen als Modellverbindungen bestätigt. Die aus den umfassenden analytischen Daten (FT-IR-, Raman-, NMR-Spektroskopie, IC, REM-EDX, AFM) gewonnenen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis nasschemischer Halbleiterätzprozesse und erschließen neue Anwendungsfelder.