Author: Paul Lecouvreur Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 206
Book Description
L’objectif de cette thèse est d’étudier et de développer une nouvelle méthode de dépôt de couche mince assistée par plasma à Pression Atmosphérique (PA) pour des applications photovoltaïques. Aujourd’hui le dépôt de la couche antireflet est réalisé sous vide. L’innovation qui consiste à réaliser à PA l’étape de dépôt de SiNx:Hy sur cellule silicium répond à une problématique de réduction des coûts de fabrication des cellules photovoltaïques. Des conditions permettant d’obtenir une décharge homogène en Ar/NH3/SiH4 sur un substrat silicium à 500°C ont été trouvées. Le plasma est généré par une décharge contrôlée par barrière diélectrique dont le courant est limité par l’ajout d’une résistance en série. La vitesse de dépôt dépend fortement de la quantité des gaz précurseurs et de l’amplitude de la tension appliquée. La valeur maximale atteinte est de 40 nm.min-1. Le rapport NH3/SiH4 permet en priorité de contrôler l’indice de réfraction de 1,7 à 3,2. Les autres paramètres d’entrée ont une influence moindre sur l’indice de réfraction.La comparaison des propriétés optiques et physico chimiques de couches de même indice optique réalisées à basse pression et à PA montre que les couches PA sont plus absorbantes. Cette absorption est expliquée par la présence de nanopores liés aux passages successifs dans les zones plasmas et par un gradient de chimie du plasma en fonction du temps de résidence du gaz. Des solutions pour y remédier sont proposées. La comparaison des propriétés des cellules a montré une passivation de volume adéquate et une passivation de surface qui se dégrade trop fortement après recuit. Un rendement de 13.5% a été obtenu sur cellules silicium multicristallin
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L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances des cellules photovoltaïques en silicium multicristallin en réalisant en une seule opération une couche antireflet efficace, la passivation de la surface et celle en volume du matériau. Le matériau étudié est le silicium multicristallin EMIX élaboré par tirage continu en creuset froid électromagnétique. Il est développé par EPM - Madylam, et présente un potentiel photovoltaïque intéressant (bonne uniformité et faible pollution du matériau par les impuretés métalliques, vitesse de production assez rapide). Des études précédentes ont montré que les techniques usuelles de "Gettering" (passivation par diffusion du phosphore) utilisées pour améliorer les propriétés de transport du silicium multicristallin sont inopérantes dans le cas du silicium élaboré en creuset froid électromagnétique, alors que la passivation par l'hydrogène reste efficace. La formation du nitrure de silicium (SiNx:H) en surface du matériau fait intervenir des réactifs hydrogénés (SiH4, NH3), et un des produits de la réaction est l'hydrogène (sous forme atomique ou moléculaire). Son coefficient de diffusion élevé lui permet de diffuser en profondeur dans le silicium multicristallin et de jouer un rôle passivant. A l'effet passivant de l'hydrogène contenu dans la couche de nitrure SiNx:H s'ajoute les propriétés optiques de cette couche. L'indice de réfraction des couches peut varier dans une gamme allant de 1.9 à 2.4, et son ajustement permet d'optimiser la réflectivité du matériau afin de maximiser l'absorption du rayonnement solaire incident. Le but de cette thèse est donc d'optimiser les paramètres des couches de nitrure déposées afin de maximiser les performances des cellules photovoltaïques, et d'étudier les mécanismes d'amélioration dus au dépôt de nitrure. Pour les dépôts, les méthodes UCVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté par UV) et PECVD (CVD assisté par plasma) sont utilisées. Pour mener à bien les dépôts par PECVD, un réacteur a été conçu et développé, utilisant un plasma micro-ondes.
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L’objectif de cette thèse est de proposer une rupture technologique pour augmenter la vitesse de production des cellules photovoltaïques en remplaçant les procédés plasma sous vide par des procédés à la pression atmosphérique adaptés pour un traitement, au défilé, des cellules solaires. Pour montrer la faisabilité de couches minces de qualité pour des applications solaires en continu par AP-PECVD, nous avons opté pour le dépôt de SiNx:H, antireflet et passivant des cellules photovoltaïques silicium de type P. Cette couche doit avoir une composition chimique bien définie pour ne pas absorber la lumière pour un indice de réfraction de 2,1, valeur requise pour la fonction antireflet tout en contenant suffisamment d’hydrogène pour passiver les défauts électroniques de surface et de volume du silicium suite au recuit des contacts. Le réacteur a tout d'abord dû être optimisé pour obtenir des couches denses. Il a été montré qu’il fallait éviter toutes les recirculations de gaz contenant des résidus de précurseurs dans la zone où passe le substrat pendant le dépôt pour éliminer toutes les nanoporosités. L’élargissement des électrodes a permis d’obtenir un indice moyen de 2,1 avec un coefficient d’extinction nul. Néanmoins, la composition chimique des couches n’étant pas homogène selon l’axe de croissance, une méthode de mesure de la composition chimique du plasma a été mise en place. La décroissance de la concentration en SiH4 a été mesurée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier avec une résolution spatiale de 2 mm. Ces résultats obtenus ont été corrélés à l’absorption IR des couches de SiNx:H.La comparaison des profils de composition chimique et de durée de vie des porteurs minoritaires a montré que dans l’état après le dépôt, la durée de vie est maximum dans les zones où la couche est riche en SiH. Le recuit des échantillons à 800°C augmente la durée de vie dont le profil se superpose à la quantité de liaisons SiN. La modulation de l’excitation électrique a permis d’obtenir (après recuit) des valeurs de durée de vie tout à fait remarquables (≈ 1 ms) sur des wafers de silicium cristallin de type N.
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L’objectif de ce travail est de développer une nouvelle source plasma, fonctionnant à la pression atmosphérique, pour réaliser des dépôts de couches minces sur des cellules photovoltaïques silicium. Pour définir son régime, comprendre sa physique et cerner ses conditions d’obtention, cette nouvelle décharge, obtenue dans un mélange SiH4/NH3/Ar, est caractérisée électriquement et optiquement. La densité des métastables de l’argon est également mesurée par spectroscopie d’absorption optique. Les résultats, par mesures de courant et tension corrélées aux photographies rapides, montrent que la décharge s’amorce par un claquage de Townsend et, qu’au maximum de courant, la décharge transite en régime sub-luminescent entravée par la distance inter-électrode. L’obtention d’une décharge homogène pour réaliser des dépôts homogènes nécessite par ailleurs l’introduction d’une résistance en série avec la décharge pour faire diminuer rapidement la tension appliquée sur le gaz dès que le courant devient trop important. Les effets du wafer de silicium, de la température sont étudiés, comparés et discutés séparément puis ensemble.Le mélange de gaz a été choisi pour réaliser une couche mince de nitrure de silicium hydrogéné (SiNx:H) antireflet et passivante sur cellule silicium cristallin. Les propriétés chimiques, structurales et optiques de ces dépôts sont déterminées et corrélées aux paramètres du procédé. Le rapport des gaz précurseurs, NH3/SiH4, permet de choisir l’indice de réfraction de la couche antireflet entre 1,8 et 2,2, indice caractérisé par le rapport N-H/Si-H. L’étude de la croissance de la couche a été réalisée par des mesures d’ellipsométrie spectroscopique en fonction du temps de dépôt. Les résultats ont montré que le nitrure croissait premièrement par îlots puis que la couche tendait à se densifier en fonction du temps.
Author: Paul Lecouvreur
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Author: Julien Vallade
Author: Sylvain Pouliquen