Passivation des surfaces des tranches

Comme nous l’avons introduit dans le Chapitre I, l’étape de passivation de surface permet de réduire la vitesse de recombinaison de surface S. En effet, pour pouvoir accéder à la durée de vie des porteurs de charges minoritaires du volume, il convient de passiver la surface en amont. Il existe deux catégories de passivation :

‒ Passivation chimique : elle consiste à saturer les liaisons pendantes par des liaisons

« hydrogène » (Figure 59). On note que ces liaisons pendantes sont dues à la rupture de symétrie du réseau du silicium à la surface. La passivation chimique doit diminuer la densité des défauts d’interface Dit.

‒ Passivation physique (ou par effet de champs) : la recombinaison de surface est diminuée en

créant, à l’aide de charges fixes piégées dans l’oxyde, une courbure de bande [34]. L’impact

d’une passivation physique est donc évalué via la densité des charges fixes Qf (exprimée en

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Figure 59 : Représentation schématique de la passivation chimique.

Les méthodes de passivation se basent sur le dépôt d’une couche dont le matériau et l’épaisseur diffèrent selon le procédé de dépôt et l’application. Dans le domaine du PV, historiquement, la

première couche étudiée a été l’oxyde naturel du silicium SiO2. Aujourd’hui, les couches de nitrure de

silicium hydrogéné, SiNx:H, et d’alumine, Al2O3, sont de plus en plus utilisées [84]. Ces deux dernières sont celles que nous avons utilisées. Il a été montré que le dépôt de SiNx:H conduit à une passivation chimique efficace, et le dépôt Al2O3 est plus efficace comme passivation par effet de champs ([84], [85]). Les deux couches peuvent être déposées à l’échelle de la tranche entière de

silicium et peuvent limiter la vitesse de recombinaison jusqu’à des valeurs aussi faibles que 10 cm.s-1

([84], [85]). Nous décrivons par la suite les procédés de dépôt associés à ces deux méthodes de passivation.

a. Dépôt des couches de SiNx:H par PECVD

Pour déposer des couches minces de nitrure sur du silicium, le procédé PECVD « Plasma

Enhanced Chemical Vapor Deposition » est le plus répandu dans le domaine du PV. Son avantage est d’abord de pouvoir réaliser des dépôts à basses températures (<500 °C), donc de limiter le budget thermique tout en ayant des vitesses de dépôt importantes (haute cadence de production). Le principe de dépôt consiste à faire adsorber des couches de nitrure à la surface du substrat de silicium à partir des espèces gazeuses réactives décomposées par l’assistance d’un plasma (Figure 60). Les gaz

précurseurs utilisés sont le silane SiH4 et l’ammoniac NH3 dilués dans un gaz neutre N2 de manière à

stabiliser et augmenter la densité du plasma. Ces gaz précurseurs sont excités par un champ électromagnétique de fréquence 40 kHz. La surface supérieure des tranches est en contact avec le plasma qui se développe entre deux électrodes parallèles. L’une des électrodes en graphite supporte

l’échantillon et sert à son échauffement (Figure 60).

Figure 60 : Schéma de principe du dépôt de nitrure de silicium hydrogéné par PECVD, d’après

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L’équipement utilisé dans ce travail est de type « PECVD-CT » commercialisé par « Centrotherm ». Il est équipé d’une chambre de dépôt de type « batch » pour traiter simultanément un grand nombre de tranches de silicium (deux nacelles de 60 et de 200 tranches adaptées pour les tailles 156×156 mm² et 125×125 mm² sont disponibles). Les tranches sont placées sur des électrodes connectées en parallèle comme cela est montré sur la Figure 61.

Figure 61 : Nacelle de dépôt de nitrure de silicium hydrogéné par PECVD.

Dans notre étude, nous avons appliqué un dépôt couramment utilisé dans la fabrication des cellules (recette R1,7). La variation du taux d’azote et d’hydrogène permet de contrôler efficacement son indice et d’en faire, conjointement à l’effet de passivation, une couche anti-réfléchissante (indice optique 2,3 et coefficient d’extinction ~0,6 à 630 nm d’après des caractérisations du dépôt faites au laboratoire). Des couches d’épaisseur 5 nm sont déposées sur les deux faces des tranches, les

paramètres de dépôt sont résumés dans le Tableau 17. Avec ce dépôt, des charges fixes sont également

induites consolidant la passivation par effet de champ.

Tableau 17 : Paramètres de dépôt des couches SiNx:H par PECVD (recette R1,7).

Configuration du réacteur Nacelle à 60 tranches

Fréquence du plasma 40 kHz

Cycle d’application du plasma Ratio t_on/t_off = 8 %

Puissance 2,5 KW

Température 450 °C

Pression 2,133 mbar

Ratio des gaz précurseurs R ^NH3

SiH₄ ^1,

Vitesse de dépôt ^{10,7 nm/min sur tranche de Si polie}

10,1 nm/min sur tranche de Si texturée par KOH

b. Dépôt de couches d’Al2O3 par ALD

La première utilisation de l’Al2O3 en tant que couche de passivation date des travaux de Hezel et

Jaeger en 1989 [86]. Ces travaux montrent la forte densité de charges fixes négatives de l’alumine sur du silicium (Q_f   3 10 cm12 ^2). Les passivations avec de l’alumine sont utilisées dans le domaine du

PV depuis 2006[87]. En parallèle, différents procédés de dépôt ont été étudiés, différents paramètres

de dépôt ont été également analysés et optimisés (voir par exemple l’article de Dingemans et al. [88]).

Aujourd’hui, toutes les études s’accordent sur le fait que l’efficacité de la passivation Al2O3 par ALD

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à l’efficacité de la passivation physique grâce à la forte densité de charges négatives induites (~ 2 à 12×10¹² cm^-2 sur du silicium de type p) [88], [89], [90].

Dans notre cas, les dépôts d’Al2O3 utilisent deux précurseurs pour la formation de la couche : le

tri-méthyl-aluminium ou TMA, de formule Al(CH3)3 source d’aluminium et l’oxydant H2O. Ces

précurseurs sont introduits séquentiellement comme cela est décrit dans la Figure 62. Les étapes de

purge par un gaz inerte (l’azote N2) permettent d’évacuer les résidus de réaction et donc une

croissance monocouche moléculaire par monocouche moléculaire. Chaque séquence d’injection des deux précurseurs constitue un cycle de dépôt qui se répète jusqu’à avoir l’épaisseur voulue de la couche.

Figure 62- Schéma de principe du dépôt d’alumine par ALD, d’après [88].

Un réacteur de dépôt de type « TFS 500 » commercialisé par « Beneq » est exploité pour déposer

des couches fines d’Al2O3 avec des épaisseurs variables en jouant sur le nombre de cycles appliqués.

Des nacelles métalliques acceptant jusqu’à 50 tranches sont disponibles (Figure 63.a). Elles sont adaptées à des tailles de tranches de 156 mm×156 mm et de 125 mm×125 mm. Les tranches positionnées dans la nacelle sont traitées dans une chambre de dépôt à basse température (< 300 °C) (Figure 63.b).

Figure 63 : Photographies du système de dépôt d’alumine par ALD avec (a) la nacelle contenant les tranches à passiver, (b) la position de cette nacelle dans la chambre de dépôt.

L’efficacité de la passivation Al2O3 par ALD est conditionnée non seulement par l’épaisseur de la

couche mais aussi par son activation. Sans un recuit d’activation, la capacité de passivation de l’Al2O3

est réputée comme étant quasiment nulle. Outre le recuit post-dépôt, une encapsulation de la couche Al2O3 par une couche de SiNx:H est également utile. La littérature rapporte différentes conditions

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d’activation. Ainsi, l’épaisseur de la couche d’Al2O3, l’épaisseur de la couche d’encapsulation par

SiNx, la température ainsi que le temps de recuit sont des paramètres prépondérants [88], [91].

L’utilisation de cette méthode de passivation nous a conduits à mettre en œuvre une recette dont

les paramètres sont présentés sur le Tableau 18. Des travaux dans le laboratoire ont montré que deux

configurations de passivation donnent de bons résultats ; elles consistent en:

‒ l’encapsulation d’une couche d’Al2O3 d’épaisseur de 10 nm et une couche de SiNx de 75 nm pour l’activation

‒ une couche d’Al2O3 d’épaisseur de 20 nm suivi d’un recuit pendant 30 min à 450°C

Tableau 18 : Paramètres de dépôt des couches Al₂O₃ par ALD pour la passivation des tranches de silicium avant la mesure de durée de vie des porteurs de charge minoritaires.

Configuration du réacteur Nacelle de 50 tranches

Température 200 °C

Pression 4,63 mbar

Débit des gaz précurseurs [Al(CH₃)₃] = [H₂O] = [N₂]

Vitesse de dépôt 1 Å/cycle

II.2.3.5. Mesure de la durée de vie des porteurs de charge minoritaires