Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de microtechnique, Institut de production et robotique IPR

L'oxyde de zinc par dépôt chimique en phase vapeur comme contact électrique transparent et diffuseur de lumière pour les cellules solaires

Faÿ, Sylvie ; Shah, Arvind V. (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2899.

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    Summary
    Zinc oxide (ZnO) is a material that belongs to the family of Transparent Conductives Oxides (TCO). Its non-toxicity and the abundant availability in the Earth’s crust of its components make it an ideal candidate as electrical transparent contact for thin-film amorphous and/or microcrystalline silicon solar cells. The Low-Pressure Chemical Vapour Deposition (LP-CVD) method allows one to obtain rough ZnO layers, which can effectively scatter the light that passes through them. This high scattering capacity increases the path of the light within the solar cell and therefore enhances its probability to be absorbed by the solar cell, and consequently the photogenerated current. This thesis work studies in detail the LP-CVD technology used for deposition of ZnO layers, which are employed as TCO layers for amorphous, microcrystalline and "micromorph" (microcrystalline/amorphous tandem) solar cells developped at the Institute of Microtechnology of the University of Neuchâtel. The chapter 3 is a detailed study of the growth of ZnO layers on a glass substrate. This study reveals a columnar microstructure of the ZnO layers, which are composed of large conical monocrystals. The tops of these monocrystals emerge at the surface of the ZnO layers as pyramids, which give to such layers their rough aspect and therefore their capacity of scattering the light. The two following chapters represent a study of the effect of variations in deposition parameters on the optical properties (transparency and scattering power), electrical properties (conductivity), and structural properties of ZnO layers. The deposition parameters varied thereby are the various gas flows, the substrate temperature, and the process pressure. In particular, a strong influence of the substrate temperature on the microstructure of the ZnO layers is observed. A variation of ten degrees of this deposition temperature leads to abrupt variations of the optical and electrical properties of the layers. From these various studies, a strong correlation is established, between the scattering power, the electrical properties, and the microstructure of the ZnO layers deposited by LP-CVD: The higher the pyramidal grains at the surface of the layers, the higher the scattering capacity of these layers. The larger the monocrystals within the bulk of the layers, the higher the mobility of the free electrons. This enhanced mobility leads to an increase of the conductivity of the layers. Finally, the chapter 6 of this thesis work describes the various situations where LP-CVD ZnO layers are used as transparent electrical contacts and light scattering layers in thin-film silicon solar cells. It is schown that, by incorporating ZnO layers developped in this work in the photovoltaic devices, an increase of 8% in the photogenerated current is obtained, compared to the performances of solar cells using standard commercially available TCO.
    Résumé
    L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau faisant partie de la famille des oxydes transparents conducteurs (TCO). La non-toxicité et l'abondance sur la Terre de ses composants font de lui un candidat idéal comme contact électrique transparent pour les cellules solaires en couches minces de silicium amorphe et/ou microcristallin. La technique de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LP-CVD) permet d'obtenir des couches de ZnO rugueuses et donc diffusant de façon efficace la lumière qui les traverse. Ce haut pouvoir diffusant des couches de ZnO permet de rallonger le chemin que la lumière parcourt dans la cellule solaire, et donc d'augmenter l'absorption optique et le courant photogénéré dans la cellule. Ce travail de thèse étudie en détails la technique de dépôt par LP-CVD des couches de ZnO, en vue de l'utilisation de celles-ci dans les cellules solaires amorphes, microcristallines et "micromorphes" (tandem amorphe/microcristalline) développées à l'Institut de Microtechnique de l'Université de Neuchâtel. Le chapitre 3 étudie en détail la croissance des couches de ZnO sur un substrat de verre. Cette étude révèle une microstructure colonnaire de ces couches, qui sont composées de larges monocristaux de forme conique. Les extrêmités de ces monocristaux émergent à la surface des couches de ZnO sous la forme de pyramides, qui donnent à ces couches leur aspect rugueux et donc leur capacité à diffuser la lumière. Les deux chapitres suivants étudient l'impact des variations des divers paramètres de dépôt sur les propriétés optiques (transparence et pouvoir diffusant), électriques (conductivité), et structurelles des couches de ZnO. Les paramètres de dépôt qui sont variés sont les différents flux de gaz, la température du substrat et la pression de travail. En particulier, une forte influence de la température de dépôt sur la structure cristalline des couches de ZnO est observée. La variation de quelques dizaines de degrés de cette température induit de brusques variations des propriétés opto-électroniques de ces couches. A partir des différentes études menées lors de ce travail de thèse, une relation est établie entre le pouvoir diffusant, les propriétés électriques, et la microstructure des couches de ZnO: Plus la taille des grains pyramidaux présents à la surface des couches de ZnO est grande, plus le pouvoir diffusant de ces couches est important. Plus les monocristaux qui composent les couches de ZnO sont larges, plus la mobilité des électrons est élevée. Ceci induit une augmentation de la conductivité des couches de ZnO. Finalement, le chapitre 6 de ce travail de thèse aborde les différents cas d'utilisation des couches de ZnO déposées par LP-CVD comme contacts électriques transparents et diffuseurs de lumière dans les cellules solaires en couches minces de silicium. Il démontre que les couches de ZnO développées dans ce travail et incorporées dans ces dispositifs permettent un gain en courant photogénéré d'au moins 8% par rapport aux performances des cellules solaires utilisant des couches de TCO standards.