Faculté des sciences

Mycrocrystalline silicon solar cells : growth and defects

Python, Martin ; Ballif, Chiristophe (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2009 ; Th. 2081.

Dans cette thèse, l’effet de la structure du silicium microcristallin est étudie. Ce matériau est utilise pour la fabrication de cellules solaires dites “en couche mince”. Ce travail s’est déroule sous trois approches : 1) L’étude des cellules solaires par des méthodes de caractérisation 2) La modélisation de la croissance du silicium grâce a un programme 3D 3)... Plus

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    Résumé
    Dans cette thèse, l’effet de la structure du silicium microcristallin est étudie. Ce matériau est utilise pour la fabrication de cellules solaires dites “en couche mince”. Ce travail s’est déroule sous trois approches :
    1) L’étude des cellules solaires par des méthodes de caractérisation
    2) La modélisation de la croissance du silicium grâce a un programme 3D
    3) L’observation des cellules solaires via la microscopie électronique
    Le fil rouge de ce manuscrit est l’étude des "cracks". Les cracks sont des zones de faible densité de silicium (zones poreuses) qui apparaissent lorsque l’on dépose la couche de silicium. Par analogie, on peut assimiler que le dépôt de silicium a la neige qui tombe et qui forme une couche sur le sol. La première partie du travail est basée sur l’étude de ces zones afin de déterminer leur origine et leur influence sur les performances des cellules solaires. Il s’avère que ces zones sont constituées de micro-vides et sont responsables du phénomène de post-oxydation (l’oxygène s’infiltre dans le silicium par ces zones poreuses après le dépôt de la couche). Ce phénomène peut réduire l’efficacité des cellules solaires. Deux études ont été menées afin de permettre la croissance du silicium sans ces zones poreuses (cracks):
    La première approche a été de modifier la morphologie de la surface du substrat. En effet, le substrat est volontairement rugueux (structures pyramidales) pour diffuser la lumière dans les couches de silicium. Il a été observe que ces cracks se trouvent au dessus de la partie en V entre les pyramides. Un traitement plasma permet de modifier la partie en V pour la transformer en U. En d’autres termes, on arrondi la partie entre les pyramides. La deuxième approche a été d’augmenter la température du substrat lors du dépôt du silicium afin de donner plus d’énergie aux atomes de silicium qui forment la couche. Grace a ce procède, le silicium peut se déplacer plus facilement en surface et ainsi, la croissance de la couche se fait de manière plus dense (moins de cracks) Ces 2 procèdes ont démontre une diminution du nombre de cracks grâce au programme de simulation. Divers substrats ont pu être compares (pyramides avec des parties en V, pyramides avec des parties en U, …). La simulation permet de quantifier le nombre de cracks. Ainsi, l’influence du substrat sur le nombre de cracks a pu être observée. L’augmentation de la température a été modélisée par une augmentation de la diffusion de surface, représentée dans le programme par le nombre d’étapes de diffusion que la particule peut faire avant de se fixer a un endroit. Les mesures expérimentales ont pu confirmer l’amélioration des performances électriques des cellules sans les cracks. La microscopie électronique a permit d’évaluer le nombre de ces cracks, et la caractérisation (notamment mesures électriques des cellules) a donne les paramètres électriques des cellules solaires. Durant cette these, une nouvelle méthode de comptage de cracks a été développée. Finalement, un nouveau circuit électrique équivalent a été propose pour prendre en compte l’effet des cracks. En physique, les circuits électrique équivalents (compose de résistances, diodes, …) permettent de modéliser de façon simple le fonctionnement d’un appareil et dans notre cas, le fonctionnement des cellules solaires. Les principaux résultats de cette étude sont :
    - Une meilleure compréhension des performances des cellules solaires microcristallines.
    - Une nouvelle méthode, plus simple et plus rapide, pour le comptage des cracks a l’aide de la microscopie électronique.
    - La confirmation de la post-oxydation des cellules due aux cracks.
    - 2 méthodes pour diminuer le nombre de cracks dans les cellules :
    - Par arrondissement des pyramides.
    - Par augmentation de la température de dépôt.
    - Un nouveau circuit électrique équivalent pour les cellules solaires microcristallines.