Microcrystalline silicon deposited from SiF4/H2/Ar plasmas and its application to photovoltaics - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2014

Microcrystalline silicon deposited from SiF4/H2/Ar plasmas and its application to photovoltaics

Silicium microcristallin déposé par plasmas de SiF4/H2/Ar et ses applications au photovoltaïque

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Abstract

Silicon tetrafluoride is a good candidate to replace silane as silicon precursor in plasmas used to deposit thin films. It has been demonstrated by previous Ph.D. thesis at LPICM that microcrystalline silicon, grown from SiF4/H2/Ar gas mixtures, leads to excellent thin film transistors. This thesis is dedicated to another application: photovoltaic devices. A new challenge arises because several micron thick layers are required in microcrystalline silicon thin film PIN solar cells. Therefore a better and deeper understanding of SiF4/H2/Ar plasmas is necessary to optimize the deposition rate of microcrystalline silicon. SiF4/H2/Ar plasmas have been studied thanks to mass spectrometry and the specificity of such gas mixtures is demonstrated to be the formation HF molecules via the recombination of atomic F and molecular H2. We found that a H2-limited process is associated to amorphous growth and all H2 is used to form HF. On the contrary, an excess of H2 leads to microcrystalline growth. A simple yet accurate model, strongly based on experimental data, has been developed to explain the amorphous-to-microcrystalline transition and enables a controlled tuning of plasma parameters leading to an increase of deposition rate. Moreover, the contribution of plasma generated nanoparticles has been clarified, in particular their crystallization in the plasma phase. The microcrystalline silicon, fabricated from SiF4/H2/Ar, is a high quality material: a density of defects as low as 3x10-3cm-1 has been deduced from absorption below the bandgap (at 0.8eV). By using the fluorinated chemistry for the deposition of the intrinsic absorber layers in thin film PIN solar cells, open-circuit voltage as high as 536mV has been obtained for highly crystallized layers, leading to an efficiency of 9.2%.
Le tétrafluorure de silicum est une excellente alternative pour remplacer le silane comme précurseur dans les plasmas de dépôt de couches minces. Il a été montré dans les précédentes thèses du LPICM que le silicium microcristallin, crû par des mélanges de SiF4/H2/Ar, conduit à d’excellents transistors en couches minces. Cette thèse est consacrée à une autre application : les dispositifs photovoltaïques. Un nouveau défi apparait du fait que l’épaisseur nécessaire des couches est de plusieurs microns. C’est pourquoi une compréhension des plasmas de SiF4/H2/Ar meilleure et plus approfondie est requise pour optimiser la vitesse de dépôt du silicium microcristallin. Les plasmas de SiF4/H2/Ar ont été étudiés par spectroscopie de masse et il a été démontré que la spécificité de tels mélanges est la formation de molécules de HF par la recombinaison de fluor atomique avec l’hydrogène moléculaire. Nous avons montré que dans des conditions où le H2 est limitant, la couche obtenue est amorphe et l’hydrogène est principalement utilisé pour former du HF. Inversement, un excès de H2 mène à des couches microcristallines. Un modèle simple mais fidèle, basé sur nos données expérimentales, a été développé pour expliquer la transition amorphe vers microcristallin. Ce modèle nous permet d’augmenter la vitesse de croissance de nos couches par un ajustement raisonné des paramètres du plasma. De plus, la contribution des nanoparticules générées en phase plasma a été clarifiée comme par exemple les conditions de leur cristallisation en phase plasma. Le silicium microcristallin fabriqué à partir de SiF4/H2/Ar est de haute qualité : une densité de défauts aussi basse que 3x10-3cm-1 a été déduite par absorption sous la bande interdite (précisément à 0.8eV). En utilisant une chimie fluorée pour le dépôt de la couche intrinsèque absorbante dans des cellules PIN en couches minces, une tension en circuit ouvert aussi élevée que 536mV a été obtenue avec des couches bien cristallisées, aboutissant à des rendements de 9.2%.
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tel-01111141 , version 1 (29-01-2015)

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  • HAL Id : tel-01111141 , version 1

Cite

Jean-Christophe Dornstetter. Microcrystalline silicon deposited from SiF4/H2/Ar plasmas and its application to photovoltaics. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Ecole Polytechnique, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01111141⟩
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