Généralités en physique des semi-conducteurs
2.9 Le Silicium Amorphe Hydrogéné a-Si :H
où F est l’intensité lumineuse incidente et R est le coefficient de réflexion de la surface éclairée.
Ces paires photo-générées ne participent pas toutes au photo-courant, certaines d’entre elles disparaissent par recombinaison soit directe (bande à bande) soit indirecte (dans des état profonds de la bande interdite). La durée de vie des porteurs libres est définie par :
τn= ∆n
G et τp =
∆p
G (2.8.5)
pour les électrons et les trous respectivement, ∆n(∆p) représente l’excès des électrons (trous) libres créés sous éclairement.
2.8.2 Transport
Le transport des charges dans un semi-conducteur est, habituellement, caractérisé par deux paramètres, la mobilité µn(µp) et la durée de vie τn(τp) des électrons (trous). Et la photo-conductivité σph(x) s’écrit comme :
σph(x) = q (µn∆n + µp∆p) = qG(x) (µnτn+ µpτp) (2.8.6)
Dans le cas de a-Si :H intrinsèque le transport est dominé par les électrons car le produit mobilité × durée de vie des électrons µnτn est très supérieur à celui des trous µpτp [8]. Par conséquent l’équation 2.8.6peut être écrit :
σph(x) = qµn∆n = qG(x)µnτn (2.8.7)
Expérimentalement, ce qu’on mesure est une photo-conductivité macroscopique σph considérée comme une moyenne obtenue sur l’ensemble des σph(x). Si on calcule la géné-ration moyenne dans un échantillon d’épaisseur d on obtient :
G = 1 d
Z
G(x)dx = 1
dη(1 − R)F (1 − exp(−αd)) (2.8.8)
La photo-conductivité moyenne sera alors :
σph= 1
de(ηµnτn)(1 − R)F (1 − exp(−αd)) (2.8.9)
2.9 Le Silicium Amorphe Hydrogéné a-Si :H
Cette thèse ne porte pas essentiellement sur le silicium amorphe hydrogéné. Toutefois, comme il s’agit d’un matériau qui a été très étudié et sur lequel les techniques décrites dans la suite ont été largement appliquées, il nous a semblé nécessaire de rédiger un court paragraphe sur ce matériau.
Le silicium amorphe, généralement abrégé (a-Si), est une forme non cristalline du sili-cium. Sa structure atomique est désordonnée, non cristallisée, mais il possède un coefficient d’absorption supérieur à celui du silicium cristallin dans la partie visible du spectre so-laire. Cependant, ce qu’il gagne en pouvoir d’absorption, il le perd en mobilité des charges électriques et en durée de vie ce qui conduit à des rendements de conversion faibles.
L’atome de silicium est tétravalent. Lorsqu’il est cristallisé, le silicium est donc solidifié de telle sorte que les atomes de silicium sont disposés l’un par rapport aux autres selon une
géométrie tétraédrique, chaque atome de silicium étant entouré par quatre autres atomes de silicium. Le silicium amorphe est caractérisé par le fait que ses atomes sont solidifiés de façon désordonnée (chaque atome de silicium est entouré par un nombre variable d’autres atomes de silicium), selon une disposition aléatoire qui ne respecte pas la géométrie tétra-édrique du silicium cristallin. Il s’ensuit que certaines liaisons covalentes restent ouvertes dans le matériau, aucun autre atome de silicium ne venant les satisfaire. Ces liaisons pen-dantes sont considérées comme des défauts (∼ 1019 − 1020cm−3) susceptibles d’altérer les propriétés électroniques du matériau : la mobilité et la durée de vie des porteurs de charges.
Pour éviter cet inconvénient, Spear et LeComber [9] ont montré, en 1975, la possibilité de passiver presque complètement ces liaisons par des atomes d’hydrogène pour former du silicium amorphe hydrogéné, généralement abrégé (a-Si :H ), présentant suffisamment peu de défauts résiduels pour être utilisé dans des composants électroniques photovoltaïques. De plus, la diminution du nombre de défauts permet de pouvoir doper relativement effi-cacement le matériau.
(a) Silicium cristallin (b) Silicium amorphe hydrogéné
Figure 2.5 – Comparaison entre le silicium cristallin et le silicium amorphe hydrogéné.
2.9.1 Avantages et inconvénients
Le a-Si :H peut être déposé en couches minces à basse température (∼ 200 ˚C) sur un grand nombre de substrats (e.g : verre) formant ce qu’on appelle des films minces, permettant d’envisager une grande variété d’applications micro-électroniques. Ces dépôts nécessitent un faible investissement énergétique et donc favorisent un retour énergétique rapide, et, si on ajoute la possibilité de le déposer sur des grands surfaces, on comprend pour quoi le silicium amorphe hydrogéné est, actuellement, l’un des films minces parmi les plus utilisés pour réaliser des panneaux solaires dans le domaine de l’industrie photovol-taïque.
Toutefois, le a-Si:H présente encore quelques défauts qui limitent son utilisation dans le domaine du photovoltaïque. En effet, d’une part le rendement de conversion du silicium amorphe hydrogéné reste faible comparé au silicium cristallin et d’autre part l’une des conséquences de l’incorporation de l’hydrogène est la métastabilité connue sous le nom d’effet "Staebler-Wronski" qui se traduit par une dégradation des propriétés électroniques et de transport du matériau quand il est exposé longuement à la lumière ou bien lorsqu’un courant important est injecté dans les dispositifs. Cet effet est un sérieux handicap pour les dispositifs photovoltaïques.
2.9. Le Silicium Amorphe Hydrogéné a-Si :H 45
Pour parvenir à résoudre ces problèmes et à développer de dispositifs utilisant le si-licium amorphe hydrogéné comme matériau de base (ou bien d’autres matériaux semi-conducteurs) la compréhension des phénomènes de transport est un élément clé. Les pa-ramètres principaux sont la densité d’état, la mobilité et la duré de vie des porteurs de charge. Plusieurs techniques de mesures ont été développées pour étudier ces paramètres. Certaines permettent d’obtenir une spectroscopie de la densité d’états localisés dans la bande interdite entre le bord de bande de conduction et le niveau de Fermi d’obscurité. D’autres techniques de mesures ont permis d’obtenir les profils de champs électriques internes existant dans une cellule (P-I-N). Enfin, l’ensemble de ces mesures ont mis en évidence les problèmes liés à la recombinaison et au piégeage des porteurs. Ceci nécessite le développement de nouvelles techniques pour étudier l’impact important de la recombi-naison et du piégeage sur les propriétés de transport et pour corréler leurs résultats avec ceux de techniques déjà existantes.