Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude par spectroscopie Raman de nanofils de silicium isolés fabriqués par CVD. L'analyse des spectres Raman indique la présence à la fois des phases du silicium cristallin (cSi) -520 cm-l et amorphe (aSi) - 470 cm-l qui forment une structure cœur-coquille (cSi-aSi). La température de Tcsi < Tasi est déterminée en fonction du rapport des intensités Stokes/anti-Stokes, de la position et de la largeur à mi-hauteur des pics Raman, On montre que le cœur des nanofils est en bon contact thermique avec le substrat, favorisant l'évacuation de chaleur. L'asymétrie de type Fano du pic à 520 cm-l permet en outre d'estimer le dopage au bore des nanofils silicium, de l'ordre de 10*19 cm-3. Dans la deuxième partie, une nouvelle approche d'assemblage de nanofils à partir de suspensions liquides est présentée. Elle est basée sur un dispositif de micro-pompe par diélectrophorèse à champ propagatif qui génère la polarisation à quadrature de phase par dispersion structurelle entre l'isolant capacitif de la matrice d'électrodes et le liquide faiblement conducteur. La spectroscopie d'impédance est utilisée, afin de détenniner la fréquence de croisement et de maximiser l'effet de pompage. La propagation et rotation des nanofils sont observées et interprétées en termes d'une compétition entre forces de pompage, de piégage et d'entraînement visqueux. Dans la troisième partie, une procédure de préparation des structures à nanofils suspendus basée sur la diélectrophorèse statique est présentée. Ces structures permettent (1) la réalisation de systèmes nanoélectromécaniques suspendus (e.g. pour biocapteurs) (2) pour tester le comportement de nanofils suspendus en tant que transistors, en couplage directement avec la spectrométrie Raman (variations de l'asymétrie de type Fano du pic 520cm-l en fonction de la tension de grille). / This work is divided into three sections. The fist part deals with the results of Raman scattering of well-separated silicon nanowires (SiNW) grown by CVD method and deposited on an Au surface. The Raman spectra analysis indicates the presence of two silicon phases: crystalline (cSi) - 520 cm-l and amorphous (aSi) - 470 cm-l, forming core (cSi) - shell (aSi) structure. The Raman spectra have been acquired from three points along cone shaped nanowires: base, centre and tip. Based on the Stokes/anti-Stokes intensity ratios, the position and full width at half maximum of the Raman peaks, temperatures of the Tasi > Tcsi was determined. It suggests that the nanowire cSi core is in a good thermal contact with the metallic substrate, thus improving the heat evacuation of the SiNW core, for which the thermal conductivity is known to be low. Additionally a boron doping of SiNW from Fano-like asymmetry of the peak at 520 cm-l was estimated at 10*19 cm-3. ln the second part a new approach to SiNWs manipulation is presented. At the beginning the travelling wave dielectrophoresis (twDEP) micro liquid pump design and work principle is presented. Our device is used to simultaneously pump a weakly ionic NW suspension and to trap and to rotate NWs. The rotation is out-of-plane with respect to the electrodes. To maximize liquid pumping the cross-over frequency of the RC replacement circuit representing the liquid conductivity and the insulating layer covering the electrodes was determined by impedance spectroscopy. The observed propagation and rotation of nanowires is explained by means of a frequency dependent competition between trapping and drag forces. ln the third part a procedure, based on static DEP, to prepare a suspended nanowire structures is presented. They are used for: (1) nanoelectromechanical systems (e.g.for a biosensor); (2) nanowire field effect transistor coupled to Raman spectrometer (to observe a change in asymmetry of Fanolike 520cm-1 peak in function of the gate voltage).

Th. doct.-ing.--Grenoble, I.N.P.G., 1979. N°: DI 85.

Th. doct.-ing.--Électronique--Grenoble--I.N.P., 1980. N°: DI 174.

Ce mémoire porte sur les propriétés anti-réflectives et de passivation électrique du nitrure de silicium déposé sur du silicium type n et p. Le nitrure de silicium est utilisé dans l'optique de la fabrication de cellules solaires à hétéro contacte a-Si : H/c-Si en tant que couche frontal. Des études comparatives seront faites avec l'oxyde de silicium et le silicium amorphe. Le nitrure de silicium est déposé par déposition chimique en phase gazeuse assistée par plasma (Plasma Enhanced Chemical Vapour Déposition, PECVD). Les modifications apportées par la variation de la quantité de gaz précurseurs (silane, ammoniac, di-azote) sur la composition ont été mesurées par analyses ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis). Les relations entre la composition de la couche et les propriétés optiques et de passivations électrique ont été mesurées (Spectroscopie Infra Rouge (FTIR), Spectrométrie Photoélectronique X (SPX), …) et simulées. L’évolution de l'épaisseur et de l'indice de réfraction fut mesurée par ellipsométrie, la réflexion, l'absorption et la transmission par spectroscopie. La passivation électrique induite par les couches de nitrure de silicium a été mesurée par TRMC (Time Resolved Microwaves Conductivity). Les meilleurs paramètres de dépositions ont été définis pour une passivation électrique optimal (vitesse de recombinaison de surface < 20 cm.s-1) et une réflexion minimal (0.03% pour l = 560 nm). La reproductibilité des dépositions ainsi que celle des propriétés des couches pour plusieurs paramètres de déposition a également été étudiée / This work studies Silicon nitride and its electrical passivation and anti-reflection properties on n-type and p-type mono crystalline silicon for its use as light entrance window of an inverted a-Si:H/c-Si heterocontact solar cell in the frame of the development of low cost, high efficiency solar cells. Comparative investigation on silicon dioxide and amorphous silicon coatings were performed. Silicon nitride is deposited by plasma enhanced chemical vapour deposition and was investigated by various measurement methods. The modifications induced by variation of the precursor gas mixture (silane, ammoniac and nitrogen) on the composition were measured by Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA). Correlation between the composition and the optical and electrical properties were studied (Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectroscopy, XPS, …) and simulated. Evolution of the thickness and refractive indices were measured by ellipsometry.Measurements of the reflection, absorption and transmission were performed with spectroscopy. Time Resolved Microwaves Conductivity (TRMC) was used as a non-destructive method to determine the electrical passivation effect due to silicon nitride. Optimum deposition parameters were found in order to obtain the best electrical passivation (surface recombination velocity <20 cm.s-1) and the minimum reflection (0.03% of reflection for l = 560 nm). Reproducibility of the deposition method and behaviour of the layers for different pre-treatment and under annealing were also investigated

Cette thèse a initié en France la thématique des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Cette technologie consiste à déposer des couches de silicium amorphe sur des substrats de silicium cristallin ce qui présente l'avantage (par rapport aux homojonctions) de fabriquer des cellules solaires à haut rendement entièrement à basse température (< 200 °C). Elle permet aussi de réaliser plus aisément des cellules sur substrats c-Si très minces (< 150 μm). Les substrats utilisés sont ici essentiellement des c-Si de type p. Les couches a-Si:H, pm-Si:H ou μc-Si sont déposées par RF-PECVD. Une attention particulière est portée au dépôt d'ITO, aux étapes de nettoyage et à la reproductibilité. Les cellules solaires ont été développées dans un souci constant d'industrialisation : grande surface (25 cm2) et métallisations bas coût sérigraphiées. Malgré cela, les rendements ont progressé de 9 % à 17 % avec les meilleurs Vco compris entre 660 mV et 677 mV (à l'époque un record). Une excellente passivation a été obtenue avec une vitesse de recombinaison de 16 cm/s moyennée sur 25 cm2.<br /><br />Un travail plus théorique associant mesures ellipsométriques in situ, mesures HR-TEM et mesures de capacité, SIMS et simulations a permis d'obtenir plusieurs résultats originaux et de montrer que la physique des cellules à hétérojonctions a-Si:H/c-Si était encore mal comprise. Des paradoxes ont été découverts et élucidés concernant le rôle du « bombardement ionique »,<br />de la croissance épitaxiale et des discontinuités de bande. Une conclusion essentielle est que les discontinuités de bande du système a-Si:H/c-Si ne sont pas constantes et que leur valeur dépend (notamment) du contenu en hydrogène. Cela ouvre la voie à une ingénierie des discontinuités de bande des cellules solaires à hétérojonctions.

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Dans les semiconducteurs amorphes, les propriétés macroscopiques sont déterminées par les états localisés. La spectroscopie IR photomodulée nous a permis de faire une étude originale des états localisés dans ce matériau. Nous avons étudié l'absorption IR photomodulée de a-Si1-xCx:H. L'analyse des résultats nous a permis de déterminer la largeur de la queue de bande de valence et celle de la queue de bande de conduction séparément. a-Si1-xCx:H dopé au bore peut être rendu microporeux par anodisation dans un électrolyte à base de HF. Sa luminescence est décalée vers le bleu par rapport à celle du massif pour une même concentration en carbone. La caractérisation par spectroscopie IR a révélé un taux de carbone plus élevé dans les couches poreuses que dans le matériau massif correspondant. Cet enrichissement en carbone, dû à la dissolution sélective du silicium lors de l'anodisation a été confirmé quantitativement par SIMS. La variation de la photoluminescence de a-Si1-xCx:H a été mesurée entre 77 et 400K. En utilisant nos résultats de mesures d'absorption IR photomodulée, nous avons pu comprendre la dépendance de la PL avec la température grâce à un modèle.

Ce travail a pour but d'implémenter des procédés d’implantation ionique pour des cellules solaires à hétérojonctions de silicium (SHJ) afin d'en simplifier le procédé de fabrication ou d’en augmenter les performances.Nous avons d'abord étudié le procédé pour réaliser le dopage des couches de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Par ce nouveau procédé, il est possible de réaliser des dopages localisés de manière simple, à travers des masques, ce qui peut permettre une diminution des coûts de fabrication de certains types de cellules SHJ comme les cellules à contacts interdigités à l'arrière. Les implantations de phosphore et de bore ont été étudiées, pour la réalisation de dopage respectivement de type n et p. Les comportements et les conclusions sont très différents pour ces deux types de dopage. Le phosphore étant plus lourd que le bore, il est possible de l'implanter dans des couches très minces sans endommager fortement l'interface avec le silicium cristallin, mais la création très importante de défauts dans le a-Si:H, résistant à des recuits post-implantation, conduit à de fortes dégradations des propriétés électriques du a-Si:H, et il n'a pas été possible d'atteindre des niveaux de conductivité suffisants. Au contraire, pour le bore, conformément à des résultats de la littérature, les atomes sont activés plus facilement par un recuit post-implantation grâce à la forte diminution de la concentration de défauts localisés. Cependant, le bore, implanté plus profondément, atteint e plus facilement l'interface, ce qui nécessite des recuits à plus haute température pour guérir les défauts d'interface. Néanmoins, pour des couches de a-Si:H de l'ordre de 25 nm, nous avons pu trouver des conditions technologiques permettant d'obtenir des propriétés comparables à celles obtenues par le procédé classique de dépôt de (p) a Si:H assisté par plasma, à savoir des valeurs élevées de conductivités du a-Si:H (10-4 Ω-1cm-1) et de passivation d’interface (i VOC > 700 mV).Une deuxième partie de ce travail est consacrée à l’étude d’une nouvelle cellule, dite à homo hétérojonction de silicium (HHJ) comprenant un homo-émetteur additionnel (p+) c-Si à l’hétéro-interface côté émetteur. Le but est d’améliorer la passivation de l’interface afin d’augmenter le rendement de la cellule. Des simulations numériques ont mis en évidence une augmentation de FF de la cellule HHJ, que nous avons pu attribuer à une meilleure passivation par effet de champ et à une diminution de la résistance globale du a-Si:H due à des modifications des courbures de bandes. Elles ont aussi montré la nécessité d’un homo-émetteur suffisamment mince et fortement dopé (5×1018 cm-3). De ce fait, nous avons utilisé le procédé d’implantation ionique pour développer des profils de bore adéquats et avons pu vérifier expérimentalement que l'incorporation de la couche de (p+) c-Si permet la diminution de la résistance de contact et l'amélioration de la passivation de l'interface (i) a-Si:H/(p+) c-Si par effet de champ lorsque la concentration de bore en surface n'est pas trop importante. Ces deux améliorations ont pu être concrétisées dans la réalisation de cellules présentant une amélioration du facteur de forme et de meilleurs rendements de conversion par rapport à des cellules SHJ de référence. Cette réalisation constitue la première preuve de concept pour les cellules de type HHJ. / This work aims at investigating the use of ion implantation to process silicon heterojunction solar cells (SHJ) in order to improve the ratio of cost to produced power (€/Wp) of the cells either by cost reduction due to manufacturing simplification or by increase of the cell performance.A first part of the work consists in doping hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) layers by ion implantation. Using hard masks, doping of localized regions required in cell architectures like interdigitated back contact cells can thus be easily achieved at lower cost. Both boron and phosphorus implantation have been studied for p- and n-type doping, respectively. These two types behave very differently. Phosphorous being heavier than boron, very shallow implantation can be achieved on thin a-Si:H layers onto crystalline wafers without damaging the interface. However very high defect densities are created in a-Si:H which cannot be annealed out by post-implantation annealing treatments. Therefore it was not possible to reach conductivity values suitable for solar cell applications. For B implantation, consistently with previous work, the activation of B atoms has been achieved upon annealing thanks to a decrease of localized bandgap states. Also, boron can penetrate deeper and reach high concentration at the a-Si:H/c-Si interface, which requires higher temperature annealing compared to P implantation to recover a good interface passivation quality. Nevertheless, for a-Si:H layers of about 25 nm process conditions allowing similar properties to PECVD-doped (p) a-Si:H deposition (i.e. conductivity of 10-4 Ω-1cm-1 and interface passivation allowing i-VOC > 700 mV) have been obtained.A second study is dedicated to the study of a new cell concept, named silicon homo-heterojunction (HHJ) which comprise an additional homo-emitter (p+) c-Si at the emitter interface. The goal is to improve the interface passivation in order to increase the cell efficiency. Numerical simulations have evidenced an improved fill factor in this cell that is attributed to a field effect passivation improvement and a decrease in series resistance related to band bending changes in the a-Si:H layers. The need of sufficiently shallow and strongly doped (> 5×1018 cm-3) emitter has also been evidenced. Therefore, ion implantation has been used to develop suitable boron profiles and both the increase in fill factor and the decrease in contact resistances have been obtained when the boron surface concentration is not too high. These improvements have been validated by processing HHJ solar cells that exhibit a fill factor improvement and an improved efficiency compared to SHJ cells. This achievement is a first proof of concept of the HHJ architecture.

Les cellules à hétérojonctions de silicium (HET-Si) sont basées sur un substrat de silicium cristallin (c-Si) dopé n (p), une couche très fine de passivation (en général du silicium amorphe (a-Si:H) non dopé), et une couche d’une dizaine de nanomètres de silicium amorphe dopé p (n). Ces cellules atteignent aujourd’hui des rendements de l’ordre de 26% (record de 26,6% par l’entreprise Kaneka en 2017). Un des axes importants de recherche sur les cellules HET-Si porte sur l’étude de l’interface c-Si/a-Si:H qui est un élément clé dans le rendement des cellules. Ce rendement dépend en particulier de la présence d’états recombinants à l’interface c-Si/a-Si:H. Nous nous sommes donc tout particulièrement intéressés aux défauts d’interface en développant un calcul basé sur le modèle du réservoir de défauts (Defect-Pool Model ou DPM) dans le silicium amorphe et en corrélant nos résultats de modélisation avec des résultats expérimentaux de mesure de durée de vie. Afin de déterminer les caractéristiques de l’interface c-Si/a-Si:H, nous avons procédé comme suit : (1) Calcul de la densité d’états (DOS) volumique dans les couches de a-Si:H (dopé et non dopé), en nous appuyant sur le DPM. Dans ce modèle, la DOS varie en fonction notamment de la position du niveau de Fermi par rapport au bord de bande. La courbure des bandes de la jonction a-Si:H/c-Si implique ainsi une variation spatiale de la DOS dans le a-Si:H. (2) Calcul de la DOS surfacique à l'interface par projection des états volumiques présents à l’interface dans le a-Si:H. (3) Calcul des taux de recombinaison puis de la durée de vie effective sur des structures symétriques a-Si:H/c-Si/a-Si:H et comparaison avec des résultats expérimentaux. Nous avons ainsi pu étudier l’impact des paramètres matériaux du a-Si:H sur la durée de vie effective des porteurs minoritaires. L’évolution de la durée de vie avec les paramètres du a-Si:H est parfois contre-intuitive car deux phénomènes de passivation liés à la position du niveau de Fermi à l’interface s’opposent : passivation par la diminution de la densité d’états à l’interface et passivation par effet de champ. Le seul calcul de la DOS à l’interface ne suffit pas toujours à expliquer les variations de durées de vie, un calcul complet sous lumière est nécessaire. Nous avons montré que l’impact de certains paramètres du DPM peut-être grand sur la DOS mais faible sur la durée de vie effective à cause de cette compensation entre les phénomènes de passivation. Nous avons également étudié des structures correspondant aux faces avant : (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(PIn) et arrière : (n)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(NIn) des cellules HET-Si. Nos simulations permettent de montrer que les interfaces NIn sont moins critiques en terme de recombinaisons que les interfaces de type PIn. Nous montrons que la recombinaison aux interfaces PIn est dominée par la capture des électrons par les liaisons brisées de silicium chargées positivement. Nous montrons également que l’énergie d’Urbach est un paramètre qui joue de manière importante dans le calcul de la durée de vie effective et que l’utilisation de valeurs fixes de cette énergie d’Urbach dans la couche de passivation ne permet pas de reproduire les tendances expérimentales dans les structures avec des interfaces PIn. Nous proposons un modèle de variation de l’énergie d’Urbach avec l’épaisseur de la couche de passivation, qui permet de reproduire les tendances expérimentales pour les faibles épaisseurs de la couche de passivation mais qui demande à être complété pour de plus grandes épaisseurs. / Silicon heterojunction (Si- HET) solar cells are based on an n-doped (p-doped) crystalline silicon (c-Si) substrate, a very thin (a few nanometers) passivation layer of undoped hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and a layer of p-doped (n-doped) a-Si:H, approximately 10 nanometer- thick. These cells currently lead the performance of silicon solar cells with conversion efficiencies in the order of 26% (with a record of 26.6% being achieved by the Kaneka company in 2017). One of the major focal points of research in Si- HET cells is the study of the c-Si/a-Si:H interface, which is a key factor in the cells' efficiency. In particular, this efficiency is strongly dependent on the recombination states at the interface between c-Si and a-Si:H. We therefore focused on developing a model of recombination through interface defects, which were evaluated based on the Defect-Pool Model (DPM) in a-Si:H. We calculated the effective lifetime vs excess carrier density curves and their dependence on the undoped a-Si:H passivation layer thickness and compared them to experimental results.In order to determine the characteristics of the c-Si/a-Si:H interface, we proceeded as follows: (1) Calculation of the volumic density of states (DOS) in a-Si:H layers (doped and undoped) using the DPM. In this model, the DOS varies as a function of the position of the Fermi level in relation to the band edge. The band bending at the a-Si:H/c-Si interface thus implies a spatial variation of the DOS in a-Si:H. (2) Calculation of the surface DOS at the interface by projection from the volumic states present in a-Si:H at the interface. (3) Calculation of the recombination rates and of the effective lifetime curves for symmetrical a-Si:H/c-Si/a-Si:H structures and comparison with experimental results. Thus we were able to study the impact of material parameters of a-Si:H on the effective lifetime curves. The change in lifetime as a function of a-Si:H parameters is sometimes counter-intuitive because two passivation mechanisms, namely passivation by field-effect or by the reduction of the DOS at the a-Si:H/c-Si interface, have opposed behavior in relation to the position of the Fermi level at the interface. A simple calculation of the DOS at the interface is not, therefore, sufficient to explain variations in lifetime, and a complete calculation of effective lifetime under illumination is required and has been performed. We demonstrate that the impact of certain DPM parameters may have a significant effect on the DOS but only a minor effect on the effective lifetime due to the compensation by the field-effect passivation. Moreover we have studied both types of silicon heterojunctions, (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(PIn), and (n)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(NIn) that are used as front emitter and back surface field junctions, respectively, in double-side contacted silicon Si-HET solar cells. Our simulations allowed us to emphasize that NIn interfaces are less critical in terms of recombination than PIn interfaces. We demonstrate that recombination at PIn interfaces is dominated by the capture of electrons by positively charged silicon dangling bonds. We further show that the Urbach energy is the major a-Si:H parameter that determines the effective lifetime in Si-HET solar cells and that the use of fixed values for this Urbach energy in the passivation layer whatever the layer thickness does not permit the experimental trends of PIn interfaces to be reproduced. Instead, we propose a model featuring that the Urbach energy decreases with the thickness of the passivation layer, which does allow experimental trends to be reproduced for very thin passivation layers (< 10 nm), but which requires further elaboration for larger thicknesses, for instance with a combined bandgap variation.