Réalisation de Cellules PV à nanoparticules Si sur substrat silicium

Les substrats silicium utilisés pour cette partie sont d’orientation (100) et de résistivité de respectivement 0,5 – 1 Ω cm pour le Si de type P et 10 – 42 Ω cm pour le silicium de type N. Sur ces substrats, un film d’oxynitrure de silicium riche en silicium (ONRS) d’environ 200 nm a été déposés dans des conditions de flux de 20, 10 et 40 sccm pour respectivement le silane, le protoxyde d’azote et l’argon. Ces échantillons ont ensuite été divisés en différents lots pour produire différentes cellules photovoltaïques. La structure de chacune des cellules (A-D) est donnée dans la Figure 5.21.

Figure 5.21 : Schémas des différentes structures réalisées.

Pour la cellule A, nous avons implanté des ions bore avec les énergies 30, 45 et 70 keV afin de réaliser un dopage uniforme de type p de la couche nanostructurée. Le profil simulé du Bore par TRIM en considérant les conditions d’implantation est donné en Figure 5.22a. Les doses sont respectivement de 5x 10¹⁵, 7x 10¹⁵ et 2x 10¹⁶ at./cm² et le recuit qui a suivi a été effectué à 1100°C pendant 1h. Dans ce cas les nanostructures devraient être des nanocolonnes de silicium d’une dizaine de nanomètre de diamètre.

Pour la cellule B, les couches ONRS ont été implantées par des ions arsenic avec les énergies 30, 70 et 100 keV afin de réaliser une couche nanostructurée de type N. Le profil simulé d’Arsenic par TRIM en considérant les conditions d’implantation est donné en Figure 5.22b. Les doses sont respectivement de 5x 10¹⁵, 7x 10¹⁵ et 7x 10¹⁵ at./cm². Les mêmes conditions de recuit ont été utilisées que dans le cas du bore.

Pour les cellules C et D, une double implantation a été réalisée. D’abord, des ions bore ont été implantée aux mêmes conditions que la cellule A afin de réaliser une couche nanostructure de type p. Ensuite des ions arsenic on été implantés aux mêmes conditions que la cellule B afin de réaliser une couche nanostructure de type n. Les profils simulés des ions par TRIM en considérant les conditions d’implantation sont donnés en Figure 5.22c. Les mêmes conditions de recuit ont été appliquées à ces échantillons.

Figure 5.22 : Profils TRIM dans les 3 cas de dopage : (a) uniquement B; (b) uniquement As ; (c) As + B. Pour toutes les cellules, nous avons procédé à la même méthode de réalisation des contacts que pour les diodes. Un dépôt d’aluminium a été déposé par canon d’électron en pleine face arrière alors qu’un masque photolithographique a été utilisé pour définir la grille sur la face avant. Le masque de photolithographie est le même que celui exposé en Figure 5.23. Un recuit de contact 450°C pendant 30 minutes a été appliqué après dépôt des contacts.

Les paramètres photovoltaïques de ces différentes cellules ont été extraits à partir de mesures de courant-tension (J(V)-ill.) sous éclairement AM1.5 issu d’un simulateur solaire. La Figure 5.24a présente les caractéristiques J(V) pour la cellule A. La cellule A présente une structure PN avec la couche nanostructurée dopée de type P sur un substrat de silicium de type N. Les profils TRIM montrent clairement la présence de dopant de type P au sein du silicium. Une tension de circuit

ouvert de 400 mV et une densité de courant de court circuit de 10 mA/cm² sont mesurées pour ces films de 200 nm d’épaisseur. Le facteur de forme FF est cependant faible, autour de 25%, certainement causé par un très faible niveau de dopage en surface en dessous des contacts. Le faible FF est également indicatif d’une résistance assez grande du matériau absorbeur. On ne peut pas exclure que ce soit la jonction PN dans le silicium qui soit responsable de la photogénération.

Figure 5.23 : Masque de photolithographie utilisé.

La Figure 5.24b présente les résultats J(V) sous éclairement pour la cellule B. Une tension de circuit ouvert plus importante autour de 470 mV et une densité de courant de court circuit légèrement supérieure de 12 mA/cm² sont mesurées. Le résultat le plus important est que le facteur de forme est vraiment meilleur autour de 43%. Cette structure NP réalisée avec une couche nanostructurée de type N sur un substrat P présente de « bonnes » caractéristiques photovoltaïques avec un rendement de l’ordre de 2,4%.

Figure 5.24 : Caractéristiques I(V) sous éclairement pour Cell A (a), Cell B (b), Cell C (c) et Cell D (d). Revenons à la caractéristique J(V)-ill de cette cellule. Afin de s’assurer que la couche nanostructurée participe de manière notable à l’absorption, nous voulions vérifier l’absence

d’arsenic dans le silicium substrat. Le profil de ce dopant a été mesuré par une mesure par RBS. La Figure 5.25 montre une queue de distribution de l’arsenic dans le silicium correspondant à environ 0,2 at.% d’arsenic soit environ 1019 at/cm3. Or le dopage P dans le substrat de silicium est de l’ordre de 3 1016 at/cm3 soit très inférieur à la concentration obtenue avec l’arsenic implanté. Une part du silicium est donc dopé N et la jonction s’effectue à nouveau dans le substrat de silicium…

Figure 5.25 : Profil d’arsenic mesuré par RBS. En rouge gaussienne permettant d’approximer la queue

de concentration dans le silicium

Les résultats J(V)-ill. pour la cellule C sont représentés sur la Figure 5.24c. Une tension de circuit ouvert autour de 370 mV et une densité de courant de court circuit de 9,5 mA/cm2 sont mesurées. Le facteur de forme est à nouveau assez faible autour de 20%. La structure fabriquée est NPN puisque le substrat est de type N. Il y a donc à priori deux diodes en tête bêche. Le courant devrait être très faible. Un effet photovoltaïque est cependant mesuré. La réponse électrique est très proche de la réponse de Cell A où il n’y a pas d’arsenic et où la jonction se fait entre l’oxynitrure et le silicium. De plus, du fait de l’implantation, une part non négligeable de bore est présent dans le silicium de type N assez faiblement dopé. Du coup la jonction PN se fait dans le silicium. Le fait que Cell A et Cell C soient très proche indique qu’il n’y a que peu de photons efficacement absorbés dans la couche d’oxynitrure de silicium.

La Figure 5.24d montre qu’il n’y a pas d’effet photovoltaïque dans la cellule D. Aucune cellule de cette série n’a montré un effet photovoltaïque. Pour cette cellule, la structure obtenue est NPP avec une partie P dans l’oxynitrure de silicium et le substrat P. La présence des deux types de dopant devait permettre la réalisation d’une jonction au sein de la couche nanostructurée. De plus le fait d’avoir un dopage du même type que celui du substrat à l’interface SiO_xN_y/Si permet de réduire l’influence du substrat sur l’absorption de la cellule. Or il n’y a clairement aucun effet photovoltaique.

Résumé :

Dans cette partie, nous avons tenté de réaliser des cellules à partir de couches ONRS très minces déposées sur substrat silicium. Le dopage se faisant par implantation, il existe à chaque fois une concentration non négligeable de dopants. Ceci peut conduire à ce qu’une part des dopants se retrouve dans le silicium du substrat.

Des mesures par RBS pour l’arsenic et des analyses en simulation pour le bore ont indiqué une forte présence de dopants dans le silicium. Des quatres types de structures, les seules présentant un effet photovoltaïque sont ceux ayant une jonction dans le silicium. La structure la plus favorable pour

la réalisation d’une cellule avec des nano

structure de Cell D. Or elle n’a pas démontré d’effet photovoltaïque.

Afin de ne plus avoir de doute sur la contribution des différents éléments constituant de la cellule, la prochaine partie de cette thèse ne portera que sur l’utilisation de substrats isolants. Ainsi tout effet photovoltaïque mesuré sera uniquement dû