Etude du silicium polymorphe hydrogéné en couches minces pour applications photovoltai͏̈ques
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The work presented in this thesis is devoted to the study of the metastability in the hydrogenated polymorphous silicon (pm-Si:H). The pm-Si:H films deposited in a plasma regime close to the powder formation, which promoted the incorporation of nanocrystallites and/or clusters in amorphous matrix of the layers. Previous results have shown the promising potentiality of the pm-Si:H for photovoltaic conversion. The aim of this study is to bring a better comprehension between the structural and optoelectronic properties of pm-Si:H films prepared under different deposition conditions. We used various methods of characterizations, and in particular some electrical techniques of characterizations: measurements of conductivity and photoconductivity (constant photocourant method, modulated photocurrent, steady state photocarrier gratings)), which we coupled with methods of structural characterizations (Fourier transform infrared spectroscopy and hydrogen effusion experiments). We particularly studied the metastability of the pm-Si:H. After a systematic study of a large number of pm-Si:H films, we highlighted the deposition conditions which lead to films with good properties transport (high deposition rate, high and excellent stability of the ambipolar diffusion length of the minority carriers, better efficiency of the solar cells). A link between hydrogen bonding and transport properties is made that shows that to exhibit good transport properties the material has to present a peculiar microstructure revealed by the hydrogen bonding. However, the hydrogen bonding and/or content in this structure has to be adjusted via the deposition conditions to reach an optimum hydrogen incorporation leading to the best layers and the best solar cell devices.
Abstract FR:
Le travail présenté dans ce mémoire porte sur l'étude de la métastabilité dans le silicium polymorphe hydrogéné (pm-Si:H). Le pm-Si:H est déposé dans un régime de plasma proche de la formation de poudres, ce qui entraîne l'incorporation d'agrégats et des cristallites dans la couche. Des résultats antérieurs ont démontré le caractère prometteur du pm-Si:H pour la conversion photovoltai͏̈que. Cette étude a pour objectif d'apporter une meilleure compréhension entre la microstructure du pm-Si:H et ses propriétés de transport en fonction des conditions de dépôt. Nous avons utilisé différentes méthodes de caractérisations, et en particulier des techniques de caractérisations électriques: mesures de conductivité et de photoconductivité (méthode de photocourant constant, photocourant modulé et photoconductivité par interférométrie laser), que nous avons couplées avec des méthodes de caractérisations structurales (spectroscopie infrarouge par transformé de Fourier et exodiffusion thermique). Nous avons particulièrement étudié la métastabilité du pm-Si:H. Après une étude systématique des films de pm-Si:H, nous avons mis en évidence les conditions de dépôt qui conduisent à des films aux propriétés de transport optimisées (grande vitesse de dépôt, longueur de diffusion des porteurs minoritaires élevée et stable, meilleur efficacité de rendement des dispositifs). Grâce à la corrélation entre les propriétés électriques et structurales des films de pm-Si:H, nous avons conclu que les bonnes propriétés électriques du pm-Si:H sont reliées directement à la présence d'agrégats et de cristallites dans la matrice amorphe du matériau. Pour éviter l'évolution au cours des cycles vieillissement/recuit des propriétés de transport de ces films et de leur densité d'états, il semble qu'il faille choisir des conditions de dépôt qui conduisent à une hydrogénation optimale de ces agrégats ou cristallites. Nous avons également développé un modèle qui explique la métastabilité des films pm-Si:H.