Epitaxie en phase vapeur de silicium sur silicium mésoporeux pour report sur substrats économiques et application photovoltaïque bas coût PDF Download
Are you looking for read ebook online? Search for your book and save it on your Kindle device, PC, phones or tablets. Download Epitaxie en phase vapeur de silicium sur silicium mésoporeux pour report sur substrats économiques et application photovoltaïque bas coût PDF full book. Access full book title Epitaxie en phase vapeur de silicium sur silicium mésoporeux pour report sur substrats économiques et application photovoltaïque bas coût by Sébastien Quoizola. Download full books in PDF and EPUB format.
Book Description
La croissance de l'industrie photovoltaïque est aujourd'hui estimée à 15% par an, atteignant 530 MWc en 2002. L'essentiel de la production se base sur l'utilisation du silicium cristallin mais la croissance se heurte au problème du prix de revient de la cellule photovoltaïque. Ainsi, pour répondre aux objectifs qui fixent à 3000 MWc la production mondiale en 2010, une diminution du prix de revient du watt crête de 2,5 à 1 Euro/Wc s'avère nécessaire. Pour cela, réduire la consommation de matériau silicium (40% du coût du produit fini) par watt crête produit représente une solution très intéressante. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SUCCES (SUbstrats bas Coûts, report de Couches monocristallines et Epitaxie pour une filière Silicium photovoltaïque en couches) qui vise à transférer des films minces de silicium monocristallin (50 æm) sur des substrats économiques. Ces derniers assurent le maintien mécanique de la cellule photovoltaïque et l'emploi de silicium monocristallin permet de conserver un bon rendement avec une épaisseur réduite de la couche active. Cette technologie s'appuie sur l'utilisation d'une couche sacrificielle en silicium mésoporeux sur laquelle est épitaxiée la couche mince de silicium monocristallin. On réalise la cellule photovoltaïque, avant de détacher le dispositif qui est ensuite transféré sur un substrat faible coût. Le substrat silicium de départ peut alors être réutilisé. L'élaboration de la couche mince de silicium monocristallin est réalisée par épitaxie en phase vapeur (VPE) à 1100ʿC sous pression atmosphérique. La croissance cristalline s'effectue dans un bâti d'épitaxie que nous avons installé, modifié et qualifié afin d'en optimiser les paramètres comme la concentration en gaz précurseur dichlorosilane SiH2Cl2 ou l'ajout de gaz dopant diborane B2H6. L'étude des propriétés structurales et électriques des épitaxies sur silicium massif a permis de valider la qualité de nos couches. La zone sacrificielle, élaborée par anodisation électrochimique, est constituée d'une bi-couche de silicium mésoporeux : une couche de faible porosité (20%) surmontant une couche de forte porosité (60%). Les caractéristiques du silicium poreux sont déterminées par la densité de courant et la concentration en acide fluorhydrique utilisées au cours de l'anodisation. Le recuit haute température sous hydrogène de la bi-couche provoque sa modification structurale qui se traduit par une coalescence des pores de la couche de faible porosité alors que les pores de la couche de forte porosité voient leur taille augmentée. Cette modification structurale autorise l'épitaxie d'une couche de silicium monocristallin puis le décrochage de la couche épitaxiée. Les caractéristiques satisfaisantes des couches monocristallines épitaxiées sur silicium poreux nous ont alors permis la réalisation de cellules photovoltaïques en couche mince, dont l'architecture est une structure monoface à contacts interdigités.
Book Description
La croissance de l'industrie photovoltaïque est aujourd'hui estimée à 15% par an, atteignant 530 MWc en 2002. L'essentiel de la production se base sur l'utilisation du silicium cristallin mais la croissance se heurte au problème du prix de revient de la cellule photovoltaïque. Ainsi, pour répondre aux objectifs qui fixent à 3000 MWc la production mondiale en 2010, une diminution du prix de revient du watt crête de 2,5 à 1 Euro/Wc s'avère nécessaire. Pour cela, réduire la consommation de matériau silicium (40% du coût du produit fini) par watt crête produit représente une solution très intéressante. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SUCCES (SUbstrats bas Coûts, report de Couches monocristallines et Epitaxie pour une filière Silicium photovoltaïque en couches) qui vise à transférer des films minces de silicium monocristallin (50 æm) sur des substrats économiques. Ces derniers assurent le maintien mécanique de la cellule photovoltaïque et l'emploi de silicium monocristallin permet de conserver un bon rendement avec une épaisseur réduite de la couche active. Cette technologie s'appuie sur l'utilisation d'une couche sacrificielle en silicium mésoporeux sur laquelle est épitaxiée la couche mince de silicium monocristallin. On réalise la cellule photovoltaïque, avant de détacher le dispositif qui est ensuite transféré sur un substrat faible coût. Le substrat silicium de départ peut alors être réutilisé. L'élaboration de la couche mince de silicium monocristallin est réalisée par épitaxie en phase vapeur (VPE) à 1100ʿC sous pression atmosphérique. La croissance cristalline s'effectue dans un bâti d'épitaxie que nous avons installé, modifié et qualifié afin d'en optimiser les paramètres comme la concentration en gaz précurseur dichlorosilane SiH2Cl2 ou l'ajout de gaz dopant diborane B2H6. L'étude des propriétés structurales et électriques des épitaxies sur silicium massif a permis de valider la qualité de nos couches. La zone sacrificielle, élaborée par anodisation électrochimique, est constituée d'une bi-couche de silicium mésoporeux : une couche de faible porosité (20%) surmontant une couche de forte porosité (60%). Les caractéristiques du silicium poreux sont déterminées par la densité de courant et la concentration en acide fluorhydrique utilisées au cours de l'anodisation. Le recuit haute température sous hydrogène de la bi-couche provoque sa modification structurale qui se traduit par une coalescence des pores de la couche de faible porosité alors que les pores de la couche de forte porosité voient leur taille augmentée. Cette modification structurale autorise l'épitaxie d'une couche de silicium monocristallin puis le décrochage de la couche épitaxiée. Les caractéristiques satisfaisantes des couches monocristallines épitaxiées sur silicium poreux nous ont alors permis la réalisation de cellules photovoltaïques en couche mince, dont l'architecture est une structure monoface à contacts interdigités.
Book Description
Dans le cadre de cette thèse, nous présentons une voie économique, propre et innovante de réalisation de substrat de silicium en couche mince pour applications photovoltaïques. Elle est basée sur la croissance de couche par épitaxie en phase liquide à basse température sur substrats de silicium fragilisé par implantation ionique pour le détachement et le report sur substrats bas coûts. L’objectif de ce travail est de trouver les conditions expérimentales pour baisser la température d’épitaxie (
Book Description
L'OBJECTIF DE CE MEMOIRE EST DE DEMONTRER QUE DES CELLULES SOLAIRES BASEES SUR DES COUCHES MINCES DE SILICIUM PEUVENT ETRE PRODUITES SUR DES SUBSTRATS CERAMIQUES A FAIBLE COUT. L'EPITAXIE LIQUIDE PERMET DE REALISER DES COUCHES DE BONNES QUALITE DE FACON RAPIDE ET ECONOMIQUE. DANS LES DEUX PREMIERES PARTIES DU TRAVAIL CETTE METHODE EST DECRITE ET ADAPTEE A LA REALISATION DE COUCHES SILICIUM D'EPAISSEUR DE QUELQUES DIZAINES DE MICRONS. LES SOLVANTS (GA#0#,#9AL#0#,#1 ET SN) SONT SELECTIONNES AVEC UNE TEMPERATURE DE CROISSANCE INFERIEURE A 900C. AFIN DE VALIDER LA METHODE POUR LES APPLICATIONS PHOTOVOLTAIQUES LES PREMIERS SUBSTRATS CHOISIS SONT DES PLAQUETTES DE SILICIUM MONOCRISTALLIN. LES COUCHES SONT CARACTERISEES ELECTRIQUEMENT (RESISTIVITE, LONGUEUR DE DIFFUSION DES PORTEURS MINORITAIRES ET MOBILITE DE CONDUCTION) ET IL MONTRE QUE LEUR PROPRIETES SONT SUFFISANTES POUR DES APPLICATIONS PHOTOVOLTAIQUES. APRES NOTRE ETUDE EST ETENDU AU CAS DE CERAMIQUE : (I) SIALON (FABRIQUE PAR ECN), ET (II) CERAMIQUE D'ALUMINE (FABRIQUE PAR GEMPPM). DANS CE TRAVAIL, IL APPARAIT QU'IL EST NECESSAIRE DE REVETIR LES SUBSTRATS D'UNE COUCHE MINCE DE SILICIUM PAR CVD AFIN DE RESOUDRE LES PROBLEMES DE NUCLEATION.
Book Description
Le travail fait appel à l'utilisation de couches sacrificielles servant de support à une croissance par épitaxie en phase liquide pour obtenir des cellules solaires. Trois sorte de couches sacrificielles sont étudiées : le silicium macroporeux ou grilles, le silicium nanoporeux et les couches fragilisées par implantation ionique. Le silicium macroporeux permet de contrôler la porosité et donc la fragilité de la couche. Elle est facilement détachable et transférable. Le substrat utilisé est recyclable. Le transfert s'effectue avant la croissance. Un travail sur le matériau silicium pour permettre une attaque électrochimique a été mené. Il a fallu définir les caractéristiques de la grille souhaitée pour pouvoir réaliser par dessus une croissance. Le transfert, suivi d'une croissance, a été réalisé. Le support étant d'orientation (100), la morphologie de la couche est un ensemble de pyramides. L'ajustement des paramètres permet d'améliorer la coalescence entre les pyramides. Au cours de ce travail, un phénomène a été observé : la consommation du silicium du substrat de croissance. Une étude a été mené sur des supports SOI afin d'ajuster les paramètres liés à la croissance. Pour réduire les coûts, il a été envisagé de réaliser l'épitaxie avant le transfert. Les couches de silicium nanoporeux sont alors apparues comme la continuité de l'étude. Les caractéristiques de ce poreux ont été étudiées afin de permettre le détachement de la couche épitaxiée. Les couches obtenues sur le substrat (100) sont formées de pyramides dont la coalescence est fonction des paramètres de l'épitaxie. Sur substrat (111), les couches obtenues sont continues et homogènes et le détachement est réalisé. Une autre voie consiste à adapter la technique d'implantation ionique du SMART-CUT au domaine photovoltaïque. Cette fragilisation évolue avec le traitement thermique de la croissance. Le travail d'épitaxie sur ces fragilisations a permis d'obtenir des couches continues.
Author: Stephen Giraud Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
Book Description
Une solution pour réduire la consommation de Si de haute pureté dans les cellules solaires à base de Si cristallin est de faire croître une couche active mince de haute qualité sur un substrat à faible coût. L'Epitaxie en Phase Liquide (EPL) est l'une des techniques les plus appropriées, car la croissance est réalisée dans des conditions proches de l'équilibre. On s'intéresse plus particulièrement au développement et l'optimisation d'une technique de croissance stationnaire et isotherme basée sur l'évaporation du solvant : l'Epitaxie en Phase Liquide par Evaporation d'un Solvant métallique (EPLES). Les principaux critères concernant le choix du solvant, de l'atmosphère de croissance et du creuset sont d'abord présentés et permettent de concevoir une première configuration d'étude. Un modèle analytique est ensuite développé pour comprendre les mécanismes mis en œuvre et étudier la cinétique d'évaporation du solvant et de croissance. Les différentes étapes du procédé de croissance dans le cas de l'EPLES de Si sont examinées et mettent en évidence un certain nombre de difficultés technologiques liées à cette technique : contrôle de la convection dans le bain, réactivité du bain Si-M avec le creuset, transport par différence de température et dépôt pendant la phase de refroidissement. Des solutions techniques sont proposées et mise en place pour contourner les difficultés rencontrées. Des couches épitaxiées de Si uniformes comprises entre 20 et 40 μm sont alors obtenues par EPLES avec des bains Sn-Si et In-Si sur substrat Si monocristallin entre 900 et 1200°C sous vide secondaire. Les vitesses de croissance expérimentales atteintes sont comprises entre 10 et 20 μm/h et sont conformes aux prédictions du modèle cinétique. La qualité structurale obtenue est comparable à celle des couches obtenues par EPL. Des couches de type P, avec un bain dopé In et In(Ga) sont obtenues avec une concentration en dopants proches de 1017 at.cm3 compatible avec une application PV. Enfin le potentiel de l'application de cette technique est évalué en basant la discussion sur la réalisation d'une couche de Si obtenue par EPLES sur substrat multicristallin avec un bain In-Si.
Book Description
Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour réduire le prix du watt-crête de l'énergie photovoltaïque, grâce à une très faible utilisation de silicium de haute pureté. Dans notre cas, les couches actives de silicium sont supportées par des substrats, de bas coût et compatibles avec les conditions de haute température nécessaires à une croissance cristalline rapide et de bonne qualité des couches. La société S'TILE développe ces substrats, par frittage à partir de poudres de silicium, et en recristallisant les plaquettes ainsi obtenues. Le but de cette thèse est de valoriser ce substrat pour l'industrie photovoltaïque et de démontrer qu'il est adapté à la fabrication de cellules solaires à bas coût et rendement élevé. Ces travaux utilisent le procédé d'épitaxie de silicium, qui est central pour fabriquer des cellules minces. Ils s'articulent autour de deux axes principaux. Le premier est la fabrication de cellules solaires et leur optimisation sur des substrats de référence monocristallins. Dans ce cadre, de nombreuses voies ont été explorées : l'utilisation de réflecteurs de Bragg en silicium poreux, l'optimisation du dopage de l'émetteur, la formation de gradients de dopage dans la base et l'utilisation de structures à émetteur en face arrière. Ces études ont permis d'évaluer le potentiel de ces différentes voies ; des résultats prometteurs pour l'amélioration du rendement de conversion des cellules sur couches minces ont été obtenus. Le second axe de la thèse est la fabrication de cellules sur les substrats frittés préparés par S'TILE et l'application des moyens développés dans le cadre du premier axe pour améliorer ces cellules. Les rendements encoura-geants obtenus ont ainsi démontré la faisabilité de cellules solaires sur les substrats réalisés par le procédé de frittage à bas coût développé par la société S'TILE.
Book Description
Les dispositifs microélectroniques réalisés en technologie silicium possèdent des limitations intrinsèques liées à ce matériau et ses dérivés (Si, SiO2, SiGe...). Une des solutions pour proposer à l'avenir des performances accrues passe par l'introduction de nouveaux matériaux en technologie silicium. De bons candidats pour le remplacement du silicium en tant que canal de conduction sont les semi-conducteurs III-V à base d'arséniures (III-As) pour bénéficier de leurs propriétés de transport électronique exceptionnelles. Cependant, en préliminaire à la réalisation de tels dispositifs, il faut obtenir des couches de III-As de bonne qualité cristalline sur des substrats de silicium. Ces deux matériaux montrent en effet des différences de propriétés que l'on se propose de surmonter au cours de ces travaux par des stratégies de croissance cristalline.Ces travaux de thèse portent sur l'étude en détail des croissances de couches de matériaux GaAs et InGaAs, sur des substrats de silicium de 300 mm de diamètres et par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques. Dans un premier temps, des efforts seront menés afin d'éliminer un des défauts cristallins les plus rédhibitoires pour l'utilisation de ces matériaux, à savoir les parois d'antiphase. Puis, la réalisation d'hétérostructures quantiques III-As permettra, via des analyses d'émissions optiques (photo- et cathodoluminescence), de rendre compte de la qualité globale ainsi que locale des couches ainsi épitaxiées. Enfin, des croissances localisées dans des motifs décananométriques préalablement réalisés sur les substrats de silicium seront conduites dans le but de comprendre les mécanismes de réduction des défauts pour ces géométries.
Book Description
Avec l'avènement de l'internet des objets, la diversification des moyens de communication et l'augmentation de la puissance de calcul des processeurs, les besoins en termes d'échange de données n'ont cessé d'augmenter. Ces technologies nécessitent de combiner notamment sur un circuit intégré des fonctions optiques et RF réalisées à partir de matériaux III-V avec des fonctions logiques en silicium. Cependant en pré requis à la réalisation de ces dispositifs, il faut obtenir des couches de III-V sur des substrats de silicium avec une bonne qualité structurale et savoir former des contacts de type n et p avec une faible résistivité. L'objectif de cette thèse est d'intégrer sur silicium du GaAs car ce matériau est couramment employé dans fabrication d'émetteurs et de récepteurs pour les communications sans fils ainsi que dans la conception de LEDs et de lasers. Dans cette optique, ces travaux de thèse proposent donc d'étudier la croissance de GaAs sur des substrats de silicium de 300 mm par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques et sur la formation de contacts n et p avec une faible résistivité sur ce même GaAs. En premier lieu, des études seront menées pour pouvoir s'affranchir des défauts générés durant la croissance du GaAs sur silicium (parois d'antiphase et dislocations émergentes). Par la suite, des caractérisations structurales (diffraction par rayons X, FIB STEM), morphologiques (AFM), électriques (effet hall) et optiques (photoluminescence) permettront de rendre compte de la qualité du matériau et de l'impact de ces défauts. Enfin, l'évolution des propriétés (optiques et de transport) du GaAs ainsi que la formation de contacts de type n et p avec une faible résistivité sera abordée.
Book Description
Les nanofils (NFs) semiconducteurs sont sujets d'un intérêt croissant depuis une vingtaine d'années pour de nombreuses applications potentielles liées à leurs propriétés optoélectroniques spécifiques. Ils présentent ainsi un intérêt particulier pour l'application photovoltaïque. En effet, l'association du fort coefficient d'absorption des semiconducteurs III-V et du bas coût des substrats de silicium permettrait de réaliser des cellules photovoltaïques à bas coût et à haut rendement. C'est dans ce contexte que s'est déroulée cette thèse qui visait deux objectifs : d'une part, la simulation RCWA (Rigorous CoupledWave Analysis) de l'absorption de la lumière dans un réseau ordonné de NFs de GaAs sur un substrat de silicium et d'autre part, la croissance auto-catalysée de NFs de GaAs par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) en mode Vapeur- Liquide-Solide (VLS). La simulation RCWA a permis de déterminer les paramètres optimaux en termes de diamètre et hauteur des NFs ainsi que de la période du réseau de NFs pour avoir une absorption optimale de la lumière, en prenant en compte les couches de passivation de GaAlAs et d'ITO. L'étude de la croissance auto-catalysée des NFs de GaAs a permis de déterminer les paramètres de croissance (température, flux de Ga, flux d'As, rapport V/III, ...) optimaux pour avoir une densité, un diamètre et une hauteur de NFs verticaux corrélés aux résultats de simulation. Il a aussi été mis en évidence un rapport V/III critique à ne pas dépasser pour conduire à des NFs de structure cristalline pure Zinc-Blende. Des NFs de GaAs à jonction p-n cœur-coquille ont été produits et caractérisés par EBIC et SSRM. Enfin, nous avons démontré la faisabilité de la croissance auto-catalysée de NFs de GaAlAs sur substrat Si par EJM-VLS.
Author: Sébastien Quoizola
Author: Sébastien Quoizola
Author: Fatima Abdo
Author: Nurlaela Rauf
Author: Nurlaela Rauf
Author: Sébastien Berger
Author: Stephen Giraud
Author: Maïlys Grau
Author: Romain Cipro
Author: Reynald Alcotte
Author: Abdennacer Benali