Epitaxial growth of Si(Ge) materials on Si and GaAs by low temperature PECVD: towards tandem devices
Croissance épitaxiale de Si(Ge) sur Si et GaAs à basse température par PECVD, pour cellules solaires tandem
Résumé
This thesis focuses on epitaxial growth of Si and SiGe at low temperature (200°C) by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), and its application in thin film crystalline solar cells. Our goal is to gain insight into this unusual growth process, as well as to investigate the potential of such low temperaturedeposited material for single and multi-junction solar cells.
First, we have proposed a one pump-down plasma process to clean out-of-the-box c-Si wafer surface and grow epitaxial layers of up to 8µm thick, without ultra-high vacuum, in a standard RF-PECVD reactor. By exploring the experimental parameters space, the link between layer quality and important physical variables, such as silane dilution, ion energy, or deposition pressure, has been confirmed. Both material and electrical properties were analyzed, and we found that epitaxial quality improves with film thickness. Furthermore, we could bring evidence of SiGe and Ge epitaxial growth under similar conditions. Then, with the whole process steps <200°C, we have achieved PIN heterojunction solar cells on highly doped substrates with 1-4µm epitaxial absorber, reaching 8.8% efficiency (without light trapping) and 80.5% FF. Replacing Si absorber by epitaxial Si0:73Ge0:27 resulted in 11% boost in Jsc. The use of an engineered wafer/epitaxial layer interface and stress enables easy lift-off: e.g. we successfully bonded 1.5µm thick 10cm^2 epi-Si to glass. Additionally, we have considered the impact of photonic nanostructures on device properties. Together, the control of growth, transfer and advanced light trapping are paving the way toward highly efficient, ultrathin (<10µm) and low cost c-Si cells. Finally, in contrast with general trend of growing III-V semiconductors on Si, we have studied the hetero-epitaxial growth of Si on III-V. Good crystal quality was achieved by direct Si deposition on GaAs, thanks to reduced thermal load and suppressed polarity issues in this approach. Using MOCVD, we could build GaAs cells with 20% efficiency and III-V tunnel junctions reaching 55A/cm^2. Tunneling improvement upon H-plasma exposure was shown. Those results, combined with III-V layer lift-off, validate milestones toward high efficiency tandem AlGaAs(MOVD)/SiGe(PECVD) metamorphic solar cells.
Cette thèse s'intéresse à la croissance épitaxiale de Si et SiGe à basse température (200°C) par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (PECVD), et à l'utilisation de ces matériaux cristallins dans les cellules solaires en couches minces. L'objectif était de mieux comprendre cette croissance inattendue et d'étudier le potentiel de ces matériaux pour les cellules simples et multijonctions. Nous avons d'abord démontré qu'il est possible d'effectuer, avec un réacteur PECVD standard, un nettoyage efficace de la surface du c-Si et de poursuivre par une croissance épitaxiale de couches de Si jusqu'à 8µm d'épaisseur. L'impact des paramètres du procédé tels que la dilution du SiH4 dans l'H2, l'énergie des ions ou encore la pression totale, sur la qualité des couches a été mis en évidence. Les propriétés électriques et structurelles des couches ont été analysées, et nous avons démontré une amélioration de la qualité cristalline avec l'épaisseur de la couche. La croissance épitaxiale de Ge et SiGe sur c-Si dans des conditions similaires a également été établie. Ensuite, par une séquence d'étapes à moins de 200°C, des hétérojonctions PIN sur substrats très dopés, avec une couche absorbante épitaxiée de 1-4µm ont été réalisées, atteignant 8.8% de rendement (sans piégeage optique) et 80% de FF. Le remplacement du Si par du Si0:73Ge0:27 a permis un gain de 11% sur le Jsc. Le contrôle de l'interface wafer/épi et des contraintes permet de favoriser le décollement : des couches epi-Si de 1.5µm/10cm^2 ont été reportées sur verre avec succés. Nous avons également analysé l'influence de nanostructures photoniques sur les propriétés des dispositifs. L'étude conjointe de la croissance, du transfert et du piégeage optique ouvre la voie aux cellules c-Si ultra-minces (<10µm) bas côut. Enffin, contrairement au scénario classique de dépôt des matériaux III-V sur Si, nous avons étudié l'hétéroépitaxie de Si sur III-V. Avec cette approche, une bonne qualité cristalline de Si déposé directement sur GaAs est obtenue grâce aux faibles contraintes thermiques et à l'absence de problèmes de polarité à l'interface. Nous avons fabriqué des cellules GaAs avec 20% d'efficacité et des jonctions tunnel atteignant 55A/cm^2 par dépôt MOVPE. Une augmentation du courant tunnel par exposition au plasma d'hydrogène a aussi été démontrée. Ces résultats de croissance, cellule et jonction tunnel, couplés aux techniques de report, valident les briques élémentaires pour atteindre une cellule tandem AlGaAs(MOVPE)/SiGe(PECVD) à haut rendement.
