Dans le contexte des cellules photovoltaïques (PV) à base de silicium cristallin (c-Si), le développement de structures de contacts dits « passivants », qui permettent de limiter les pertes par recombinaisons des porteurs de charge à l’interface entre le métal et le c-Si, est un des principaux leviers vers l’obtention de plus hauts rendements. Une approche de contacts passivés consiste à intégrer entre le métal et le c-Si une jonction composée d’une couche de silicium poly-cristallin (poly-Si) fortement dopée sur une mince couche d’oxyde de silicium (SiOx < 2 nm).Les objectifs de ce travail sont d’une part de développer une jonction poly-Si/SiOx compatible avec la fabrication industrielle des cellules PV, et d’autre part d’améliorer la compréhension des mécanismes de passivation et de transport des charges au niveau de la fine couche de SiOx située à l’interface entre le poly-Si et le c-Si.Dans ce travail, une jonction de poly-Si/SiOx dopée au bore a été développée, le dopage de la couche étant dans un premier temps réalisé in-situ pendant l’étape de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) de la couche poly-Si. La méthode de dépôt PECVD est répandue dans l’industrie PV et permet la fabrication de la couche poly-Si d’un seul côté du substrat c-Si. Cependant, elle induit une forte concentration d’hydrogène dans la couche déposée, ce qui entraine la formation de cloques à l’interface avec le c-Si et tend à dégrader les propriétés de passivation de surface de la jonction après recuit de cristallisation. L’optimisation des conditions de dépôt (température de dépôt et ratio de gaz H2/SiH4) a permis d’obtenir des couches de poly-Si dopées in-situ intègres. Par la suite, une méthode de dopage alternative, par le biais du dépôt d’une couche diélectrique riche en bore sur le poly-Si, a été appliquée afin de réduire l’apport en hydrogène pendant le dépôt et d’obtenir des couches de poly-Si intègres plus épaisses. L’ajout d’une étape d’hydrogénation a permis d’obtenir des propriétés de passivation de surface au niveau de l’état de l’art pour les deux types de jonctions poly-Si/SiOx développées.A la suite du développement de la jonction poly-Si/SiOx, la caractérisation physico-chimique de la couche SiOx a été réalisée et a démontré une possible amélioration de la stœchiométrie de la couche vers SiO2 ainsi qu’une dégradation de son homogénéité en épaisseur sous l’effet du recuit de cristallisation à haute température. Ces phénomènes pourraient s’expliquer par une diffusion des atomes d’oxygène à l’interface. D’autre part, l’étude du transport des charges à travers le SiOx par C-AFM a mis en évidence les limites de cette technique quant à la détermination de nano-ouvertures au sein de la couche SiOx (qui favoriseraient le transport des charges). Enfin, une méthode de caractérisation des défauts recombinants à l’interface entre une jonction de poly-Si intrinsèque et le c-Si a été mise en œuvre. Cette méthode a permis de modéliser les recombinaisons à l’interface poly-Si/c-Si via deux défauts discrets apparents dont les niveaux d’énergie dans la bande interdite et les ratios de sections efficaces de capture des électrons et des trous ont été déterminés. / In the context of high efficiency solar cells (SCs) based on crystalline silicon (c-Si), the development of "passivating" contact structures to limit the recombination of charge carriers at the interface between the metal electrode and the c-Si has been identified as the next step to further improve the photovoltaic (PV) conversion efficiency. Passivating contacts consisting of a highly doped poly-crystalline silicon layer (poly-Si) on top of a thin layer of silicon oxide (SiOx ≤ 2 nm) are particularly sparking interest as they already demonstrated promising conversion efficiency when integrated in SCs.The objectives of this work are to develop a poly-Si/SiOx passivating contact compatible with the industrial production of c-Si SCs, and to investigate the passivation and charge transport mechanisms in the region of the thin SiOx layer located at the interface between the poly-Si and the c-Si.In this work, a boron-doped poly-Si/SiOx contact was fabricated. The doping of the layer was first performed in-situ during the deposition of a hydrogen-rich amorphous silicon (a-Si:H) layer by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The PECVD step was followed by an annealing step for crystallization of the poly-Si layer. The PECVD presents the advantages of being widespread in the PV industry and enabling the fabrication of the poly-Si contact on a single side of the c-Si substrate. However, it induces a high concentration of hydrogen in the deposited layer, which causes the formation of blisters at the interface with the c-Si and tends to degrade the surface passivation properties of the contact after annealing for crystallization. The optimization of the deposition conditions (temperature and H2/SiH4 gas ratio) enabled to obtain blister-free in-situ doped poly Si layers. An alternative doping method consisting of the deposition of a boron-rich dielectric layer on top of the poly-Si layer was applied to reduce the hydrogen content of the deposited layer. This approach enabled to obtain thicker blister-free poly-Si layers. The diffusion of hydrogen in the contact after annealing is known to provide a further chemical passivation of the poly-Si/c-Si interface. In this work, the addition of a hydrogenation step enabled to obtain state-of-the-art surface passivation properties for the two types of poly Si/SiOx contact fabricated.After developing the poly-Si/SiOx contact, a study of the effect of the annealing step on the chemical and structural properties of the SiOx layer was performed. Results indicated a possible improvement of the stoichiometry of the layer towards SiO2 as well as a degradation of its homogeneity at the poly-Si/c-Si interface after annealing at high temperature. These phenomena could be explained by a diffusion of the oxygen atoms content in the interfacial SiOx layer. The transport mechanism of charge carriers through the SiOx layer was conducted by C-AFM. This study revealed the limits of this technique to determine the presence of pinholes within the SiOx layer (that would help the transport of charge carriers). Finally, a method for characterizing recombinant defects at the interface between an intrinsic poly-Si junction and the c-Si has been developed. This method enabled to model the recombination phenomena at the poly-Si/c-Si interface via two apparent discrete defects. Their associated energy levels in the bandgap and ratios of electron and hole capture cross sections were estimated.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2019SACLS443 |
| Date | 11 December 2019 |
| Creators | Morisset, Audrey |
| Contributors | Paris Saclay, Kleider, Jean-Paul |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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