thesis

Etude in-situ par ellipsométrie et spectrométrie de masse du transport de l'hydrogène dans a-Si:H : Cinétique de diffusion et modifications de structure

Defense date:

Jan. 1, 2005

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Institution:

Reims

Disciplines:

Materials science and engineering

Authors:

Directors:

Abstract EN:

This thesis is devoted to ellipsometry and mass spectrometry studies of hydrogen transport in a-Si:H. The aim is to clarify the role of hydrogen in the crystallization of a-Si:H as well as on its degradation under illumination, two subjects of great interest for the optimization of photovoltaic devices. The first part is about the role of hydrogen in the Staebler-Wronski effect. Our results show that hydrogen effuses from the film under illumination due to long range diffusion of hydrogen under light soaking. This induces changes that depend on the structure of the material: i) relaxation and densification in the case of a-Si:H, ii) accumulation of hydrogen on the surface of crystallites in the case of a nanostructured material (pm-Si:H). In the second part of this work, we study effects of exposing of a-Si:H film to hydrogen plasma. In the case of a reactor with clean walls, this leads to the diffusion of hydrogen in the film and its etching. In the case of a-Si:H covered walls, besides the initial diffusion of hydrogen, we also observe the deposition of a µc-Si:H layer by chemical transport, and the crystallization of ~10 nm of the a-Si:H substrate. This crystallization is accompanied by the hydrogen outdiffusion from the film back to plasma. This can be explained by the drift of hydrogen due the electric field generated at the interface of the µc-Si:H/ a-Si:H layer.

Abstract FR:

Cette thèse porte sur l'étude par ellipsométrie et spectroscopie de masse du transport de l'hydrogène dans le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). L'objectif est de mettre en lumière le rôle de l'hydrogène dans la cristallisation du a-Si:H et dans sa dégradation sous éclairement, ce qui présente un intérêt primordial pour l'optimisation des dispositifs photovoltaïques. La première partie est consacrée au rôle de l'hydrogène dans l'effet Staebler-Wronski. Nos résultats montrent que l'hydrogène sort de la couche sous illumination et que la diffusion de l'hydrogène sous éclairement est un effet à longue portée. La sortie de l'hydrogène s'accompagne de modifications qui dépendent de la structure du matériau : i) relaxation et densification du a-Si:H, ii) accumulation de l'hydrogène à la surface des cristallites dans le cas d'un matériau nanostructuré (pm-Si:H). Dans la seconde partie, nous avons exposé des couches a-Si:H à un plasma d'hydrogène. Dans le cas d'un réacteur avec des parois propres, ceci conduit à la diffusion de l'hydrogène dans la couche et à sa gravure. Dans le cas de parois couvertes de a-Si:H, nous avons observé, en plus de la diffusion de l'hydrogène dans le a­Si:H, le dépôt d'une couche de µc-Si:H par transport chimique, et la cristallisation du a-Si:H de départ sur une épaisseur de 10 nm. Qui plus est, la cristallisation est accompagnée d'une sortie de l'hydrogène du matériau, malgré son exposition au plasma d'hydrogène. La sortie de l'hydrogène peut s'expliquer par la dérive de l'hydrogène sous l'effet du champ électrique généré à l'interface entre la couche microcristalline et le a-Si:H de départ.