Certaines plaquettes Cz-Si dopées au bore ont été volontairement compensées par activation des donneurs thermiques à base d’oxygène (DT). La méthode employée est détaillée ici.
Les DT sont de petits agglomérats d’oxygène qui se comportent en donneurs d’électrons dans le silicium. Ainsi, lorsqu’ils sont générés dans le silicium de type p, ils entraînent une compensation du matériau. Ces DT ont été amplement étudiés depuis leur découverte en 1955 [FULLER55]. Ils se forment lors de recuits entre 300 et 500°C, jusqu’à des teneurs de l’ordre de 1016 cm-3 [FULLER55]. La température de 450°C est souvent utilisée, puisqu’elle constitue un bon
compromis entre cinétique et amplitude de formation. Dans toute l’étude qui suit, les DT sont doubles donneurs (chaque DT fournit deux électrons libres). Nous verrons au chapitre VI que dans le silicium de type n modérément et fortement dopé, certains donneurs peuvent être simples donneurs, voire même neutres.
La Figure 70 est un exemple de compensation progressive d’un échantillon Cz-Si de type p par activation des DT. L’échantillon utilisé comportait [B]=7,2×1014 cm-3, soit initialement ρ~20
Ω.cm. Les valeurs expérimentales de [DT] sont obtenues à l’aide de mesures par effet Hall de la densité de porteurs de charge majoritaires p0 (type p) ou n0 (type n), via l’expression suivante :
H r DT B n ou p [ ] 2 [ ] 0 0 × − = IV-1
Le facteur 2 provient du caractère double donneur des DT. rH est pris égal à 0,74, en accord avec les résultats de la littérature [SZMULOWICZ86] [ROUGIEUX10].
Figure 70 : Ajustement précis du degré de compensation K par activation des donneurs thermiques (DT).
Cette figure montre que K peut être varié sur une très large gamme, allant ici de 1 à environ 2000 (p0<1012 cm-3 !). L’activation prolongée de ces DT conduisant à une inversion du type de conductivité, il est également possible d’obtenir du silicium compensé de type n, et ainsi d’étudier l’influence de K sur les propriétés électriques de ce silicium1.
1 Le dépôt de SiN:H utilisé dans le procédé de fabrication de la cellule est généralement conduit autour de 450 °C pendant 15 minutes. Dans les plaquettes de Cz-Si de type p particulèrement résistives, ce temps peut être suffisant pour inverser le type de conductivité de la plaquette à l’issue de cette étape !
IV.2. Effet de la compensation sur la
mobilité des porteurs de charge
majoritaires
Nous avons déjà eu l’occasion de rappeler l’importance de la connaissance de la mobilité des porteurs majoritaires (µmaj) dans le silicium compensé. Elle est nécessaire pour la simulation des dispositifs photovoltaïques sur substrats en silicium compensé, pour l’utilisation de technique de caractérisation comme l’IC-QssPC, ou encore pour la conversion de ρ en p0. D’un point de vue plus fondamental, la connaissance de µmaj permet d’estimer l’effet de la compensation sur les propriétés de transport électrique.
L’influence du degré de compensation (K) sur µmaj est généralement étudié à l’échelle d’un lingot, le long duquel nous avons vu que K peut varier de manière conséquente. Ainsi, si des mesures de µmaj sont conduites sur des plaquettes issues de diverses hauteurs du lingot, µmaj peut être étudiée en fonction de K. Cette méthode a été utilisée pour la première fois par J. Libal et al. en 2008 [LIBAL08]. Les auteurs ont mesuré µmaj par effet Hall (µHall) le long d’un lingot Cz-Si compensé bore-phosphore, cristallisé à partir d’une charge 10% SoGM-Si/90% EG-Si. Ils ont ensuite comparé les résultats avec des simulations numériques prenant en compte les principaux mécanismes de diffusion (phonons, impuretés ionisées). Les résultats expérimentaux montrent une réduction inattendue de µmaj, bien plus importante que la légère réduction prédite théoriquement.
Néanmoins cette réduction ne pouvait pas être attribuée sans ambigüité à un effet de la compensation. En effet, la chute de µmaj est observée dans la dernière partie solidifiée, qui contient de fortes teneurs en impuretés non dopantes. Ces impuretés étant susceptibles de réduire µmaj, la méthode employée est incertaine et les résultats expérimentaux obtenus nécessitent d’être vérifiés.
En remplacement de ce protocole expérimental, nous décrivons dans un premier temps une méthode alternative permettant de s’affranchir des incertitudes liées aux impuretés métalliques. Ensuite, les résultats de µmaj sont présentés et discutés. Enfin, nous étudions à l’aide de simulations l’influence des µ sur le rendement de conversion de la cellule, dans le but d’estimer la criticité d’une modification des µ dans le silicium compensé sur l’efficacité des dispositifs fabriqués.
IV.2.1.Protocole expérimental
Le but de la méthode qui suit était d’étudier µHall en fonction du degré de compensation (K), en évitant les incertitudes liées à la présence d’impuretés métalliques dont nous venons de parler. Pour cela, nous avons progressivement compensé des échantillons d’EG (Cz)-Si dopé au bore, à l’aide de l’activation contrôlée des Donneurs Thermiques (DT). Cette méthode a été présentée au paragraphe IV.1.2.2.
La compensation pas-à-pas par les DT a été utilisée sur trois séries de cinq échantillons chacune, formées à partir des trois plaquettes Cz-Si de type p décrites au IV.1.2 (plaquettes 01, 02 et 03). Les teneurs en bore étaient respectivement [B]=7,2×1014 cm-3 (plaquette 01), 2,2×1015 cm-3 (plaquette 02) et 1,5×1016 cm-3(plaquette 03). Au-delà de [B]=1,5×1016 cm-3, le matériau ne peut théoriquement plus être amené à la transition de type grâce à l’activation des DT. Aussi, nous n’avons pas inclus d’échantillons avec [B] >1,5×1016 cm-3.
A l’issue de chaque recuit à 450°C, des contacts ohmiques ont été formés à l’aide d’InGa (voir chapitre II) puis pHall, ρ et µHall ont été mesurés par effet Hall. Sur le silicium de type n, l’utilisation d’InGa pour la réalisation des contacts peut sembler inappropriée (In et Ga sont des accepteurs et pourraient former une jonction pn sous chaque contact). Néanmoins, au vu de la validité des résultats obtenus sur le type n (voir ci-dessous), nous avons conservé cette méthode. Il se peut que l’indium et le gallium soient introduits à des teneurs telles qu’un contact ohmique se forme, à travers lequel les porteurs passeraient par effet tunnel.
Par ailleurs, comme la compensation conduit à une nette hausse de ρ, nous avons vérifié au préalable la validité des mesures de Hall sur des échantillons très résistifs. Pour cette vérification, un échantillon Cz-Si de résistivité ρ=20 kΩ.cm a été utilisé. La valeur de µHall obtenue était proche de 340 cm².V-1.s-1, ce qui est en accord avec les prédictions du modèle d’Arora (avec rH=0,74). Les erreurs de mesure liées à la forte valeur de ρ sont donc écartées.
En parallèle des mesures Hall, des mesures C-V ont été utilisées pour déterminer p0. Ces mesures, couplées à des mesures de ρ selon la technique 4 pointes, permettent de déterminer directement µmaj, sans connaître rH. Les capacités nécessaires à la mesure C-V ont été formées par
dépôt de 200 nm d’Al en face avant. De l’InGa a été utilisé en face arrière pour former un contact ohmique avec le socle.