Faculté des sciences

Thin film microcrystalline silicon layers and solar cells : microstructure and electrical performances

Droz, Corinne ; Shah, Arvind (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel : 2003 ; 1757.

Le silicium microcristallin hydrogéné (mc?Si:H), tel que fabriqué par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à très haute fréquence (VHF PE-CVD), est maintenant utilisé avec succès en tant que couche active dans des cellules solaires. Cependant, une question fondamentale concerne le lien entre la microstructure du matériau, d'une part, et les propriétés de... Plus

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    Résumé
    Le silicium microcristallin hydrogéné (mc?Si:H), tel que fabriqué par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à très haute fréquence (VHF PE-CVD), est maintenant utilisé avec succès en tant que couche active dans des cellules solaires. Cependant, une question fondamentale concerne le lien entre la microstructure du matériau, d'une part, et les propriétés de transport électronique des couches intrinsèques ainsi que les performances électriques des cellules solaires, d'autre part. Cette thèse tente de clarifier cette question. Le mc?Si:H est un matériau complexe qui présente une grande variété de microstructures, qui dépendent autant des conditions de dépôt que de la nature du substrat. Actuellement, les meilleurs rendements de conversion sont obtenus pour les cellules solaires en mc?Si:H déposé près de la transition entre le mc?Si:H et le silicium amorphe hydrogéné (a?Si:H). La microstructure du mc?Si:H telle qu'observée sur des micrographies prises dans un microscope électronique à transmission (TEM) varie également au cours de la croissance de la couche: on observe souvent une couche complètement amorphe dans la région initiale de croissance. La phase microcristalline proprement dite apparaît ensuite; elle se compose de conglomérats, en forme de crayons (d'environ un demi-micromètre de diamètre), composés de nanocristaux ayant un diamètre de quelques dizaines de nanomètres. La micro-spectroscopie Raman est une technique non-destructive utilisée ici pour mesurer la cristallinité de couches et cellules solaires complètes en mc?Si:H. En utilisant des longueurs d'onde d'excitation de 514 nm et 633 nm, et en focalisant le faisceau d'excitation sur le dessus et le dessous des échantillons, on obtient des spectres Raman différents. Ils révèlent les inhomogénéités en épaisseur telles qu'évoquées ci-dessus. En évaluant, pour chaque spectre Raman, les intensités des pics Raman diffusées respectivement par les phases amorphe et cristalline, on obtient un facteur de cristallinité Raman (fc) indicatif de la fraction cristalline volumique. De manière à déterminer la fraction cristalline volumique réelle, il est nécessaire de connaître la valeur du rapport (y) des sections efficaces Raman du silicium microcristallin par rapport à l'a?Si:H. En comparant les spectres bifaces obtenus pour les deux longueurs d'onde d'excitation sur un échantillon avec les micrographies TEM correspondantes, nous avons obtenu une valeur de y ˜ 1.7. Cette valeur est plus grande que les valeurs publiées jusqu'ici (y ˜ 0.1 ? 0.9); cependant, elle ne remet pas en cause l'utilisation du facteur fc pour la caractérisation des couches et des cellules solaires. Des mesures de transport électronique coplanaire sous illumination réalisées sur diverses couches minces de silicium montrent que les propriétés de transport du mc?Si:H sont similaires à celles de l'a?Si:H. Pour une série de couches déposées à diverses concentrations de silane, correspondant à du matériau de structure variant de très microcristalline à amorphe, nous avons comparé les propriétés de transport avec les caractéristiques microstructurales. Le produit "mobilité ´ temps de vie" normalisé m0t0 est lié à la taille des conglomérats plutôt qu'à la taille moyenne des nanocristaux individuels. De plus, la longueur de diffusion ambipolaire de ces échantillons est égale, en moyenne, à la moitié du diamètre des conglomérats. Ces observations expérimentales indiquent que le transport électronique coplanaire dans le mc?Si:H est limité par le matériau défectueux présent aux joints des conglomérats. Nous avons réalisé des mesures de micro-spectroscopie Raman bifaces sur des cellules solaires en mc?Si:H, sur lesquelles les performances électriques ont aussi été mesurées. Nous avons identifié la moyenne algébrique fcA des deux facteurs de cristallinité Raman mesuré avec une longueur d'onde d'excitation de 514 nm et qui sont sensibles aux régions près des interfaces n?i et p?i, i.e. fcA = [fcni + fcpi]/2, comme étant un paramètre microstructural fondamental pour la caractérisation des cellules solaires. En effet, la tension en circuit ouvert (Voc) diminue linéairement quand fcA augmente. Ceci a été observé pour diverses cellules solaires de type p?i?n et n?i?p déposées avec différentes condition de dépôt. Cette relation est une des premières observations du lien direct entre la microstructure du matériau aux jonctions (interfaces n?i et p?i) et le fonctionnement du dispositif.
    Summary
    Hydrogenated microcrystalline silicon (mc?Si:H), as grown by the Very High Frequency Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (VHF PE-CVD) technique, has now been successfully introduced as active layer in complete mc?Si:H solar cells of p?i?n and n?i?p structure. A fundamental question yet to be answered regards the link between the material microstructure, on one hand, and the transport properties of the intrinsic photogenerator layers as well as solar cell electrical performances, on the other hand. This thesis attempts to clarify this link. mc?Si:H is a complex material that exhibits a wide range of microstructures, depending both on the deposition conditions and on the substrate material. At present, best conversion efficiencies are achieved for mc?Si:H solar cells deposited near the transition between mc?Si:H and a?Si:H (hydrogenated amorphous silicon). The microstructure of mc?Si:H varies while growth of the film proceeds: a fully amorphous incubation layer is frequently observed as the initial grown region. Thereafter, the microcrystalline phase itself follows, consisting of pencil-like conglomerates (of roughly half a micrometer diameter) made of nanocrystals with a diameter of a few tens of nanometres. Micro-Raman spectroscopy is a non-destructive technique used here for monitoring the crystallinity of mc?Si:H layers and complete solar cells. By applying 514 nm and 633 nm laser excitation light on both top- and bottom-sides of the samples (single layers or complete solar cells), one obtains bifacial depth-dependent Raman spectra that reveal inhomogeneities in thickness, as observed also on Transmission Electron Microscopy (TEM) micrographs. A Raman crystallinity factor (fc) indicative of the crystalline volume fraction (i.e. crystallinity) is obtained from each Raman spectrum by evaluating the respective scattered intensities assigned to the amorphous and crystalline phases. In order to determine the actual crystalline volume fraction, the value of the Raman cross-section ratio (y) of mc?Si:H over a?Si:H is needed. By comparing the bifacial depth-dependent spectra of a sample with its TEM micrographs, we have found a value of y ˜ 1.7, larger than the values published sofar (y ˜ 0.1 ? 0.9). This value does not contest, however, the use of the factor fc for the characterisation of mc?Si:H layers and solar cells. Coplanar electronic transport measured under illumination on various silicon thin-film layers reveals that transport properties in mc?Si:H are similar to those in a?Si:H. Transport properties and microstructural features are compared for a series of layers deposited at various silane concentrations. The normalized mobility ´ lifetime product m0t0 relates to the size of the conglomerates, rather than to the average size of the individual nanocrystals. Moreover, the ambipolar diffusion length measured in these samples equals, in average, half of the diameter of the conglomerates. These experimental observations indicate that coplanar electronic transport in mc?Si:H is limited by the defective material present at the conglomerate boundaries. Bifacial micro-Raman spectroscopy has been carried out on entire single-junction mc?Si:H solar cells, on which electrical performances were also measured. We have identified the algebraic average fcA of the two Raman crystallinity factors measured with 514 nm excitation light beam (that probes the regions close to the n?i and p?i interfaces), i.e. fcA = [fcni + fcpi]/2, as constituting a fundamental microstructural parameter for solar cell characterisation. Indeed, the open-circuit voltage (Voc) linearly decreases when fcA increases. This has been observed for a large set of n?i?p and p?i?n type solar cells deposited at various deposition conditions.