Silicium poly-cristallin destiné à la fabrication Université BADJI MOKHTAR –ANNABA- Laboratoire des semi-conducteurs Silicium poly-cristallin destiné à la fabrication des cellules solaires Par: Beddiaf ZAIDI

Préparation des échantillons. Caractérisation des échantillons. Plan de l’exposé Introduction. Effet photovoltaïque. Propriétés du Si-poly. Préparation des échantillons. Caractérisation des échantillons. Conclusion .

Le faible rendement de conversion Photovoltaïque (PV) obtenu avec des Introduction Le faible rendement de conversion Photovoltaïque (PV) obtenu avec des cellules solaires réalisées sur du silicium poly-cristallin (Si-poly) est dû à l’activité électronique des joints de grains. Cette activité électronique se caractérise par la présence aux joints de grains des sites de ségrégation et surtout des états pièges. Ces états pièges constituent des centres de recombinaisons qui sont responsables de l’atténuation de la collecte des porteurs minoritaires. Pour éliminer ou du moins réduire les effets nuisibles au rendement de conversion PV, nous nous sommes intéressés à l’effet: du dopage, des traitements thermiques, de l’hydrogène , sur les états pièges aux joints de grains.

E. Becquerel découvre l’effet photovoltaïque. Historique A nos jours Rendement de 39% avec une cellule multi-jonction. La crise pétrolière a encouragé le développement du PV. 73-74 1973 Utilisation du Si amorphe pour des applications PV. Première cellule PV en silicium avec un rendement de 4,5%. 1954 A. Einstein expliqua le phénomène photoélectrique. 1912 E. Becquerel découvre l’effet photovoltaïque. 1839

Effet Photovoltaïque L’effet photovoltaïque c’est la conversion panneau solaire (h) (h) courant L’effet photovoltaïque c’est la conversion des rayonnements solaires en électricité. Un panneau solaire est constitué d’un ensemble de photopiles solaires montés en série et/ou en parallèle.

Structure d’une photopile solaire Effet photovoltaïque Structure d’une photopile solaire Fenêtre optique ZnO Couche tampon type N Couche absorbante type P Contact arrière Molybdène substrat Verre

Photopile solaire en silicium Effet photovoltaïque Photopile solaire en silicium Silicium (94%) Monocristallin (33,2%) Poly-cristallin (56,3%) Amorphe (4,5%) Autres matériaux (6%) Cellules solaires

Différentes formes du silicium Propriétés du Si-poly Différentes formes du silicium

Structure du silicium poly-cristallin Propriétés du Si-poly Structure du silicium poly-cristallin Le si-poly est constitué de grains séparés par des régions hautement désordonnées, appelées joints de grains. Grain Joint de grains Si-poly

Distribution des atomes de dopant dans le si-poly Propriétés du Si-poly Distribution des atomes de dopant dans le si-poly Quantité totale d’atomes de dopant Atomes de dopant dans les grains aux joints de grains Atomes en sites substitutionnels Atomes en sites non substitutionnels Atomes non ionisés Atomes ionisés Atomes Porteurs nombre total de porteurs Porteurs pièges aux joints de grains Porteurs libres dans les grains

Modèle de piégeage des porteurs Propriétés du Si-poly Modèles de conduction Modèle de ségrégation des atomes de dopant Modèle de piégeage des porteurs Ce modèle ne permet pas d’expliquer: la variation de la résistivité avec la température, le minimum de la mobilité de Hall des porteurs, observé aux concentrations intermédiaires de dopant. Ce modèle ne permet pas d’expliquer: la variation des caractéristiques électriques en fonction: des différentes espèces dopantes, des traitements thermiques. L’utilisation du modèle de piégeage en tenant compte de la ségrégation des dopants, permet de mieux expliquer les propriétés de conduction électriques dans le si-poly.

Préparation des échantillons Présentation des couches étudiées Si-poly Oxyde Substrat Couche de si-poly d’épaisseur 6880 Å . substrat en si-mono d’orientation 111 et de résistivité 6 à 12 ohm-cm . Un film d’oxyde (SiO2) d’épaisseur 1160 Å permet d’isoler la couche de si-poly du substrat et d’éviter les fuites de courant vers ce dernier.

Préparation des échantillons Dépôt des couches de si-poly Les couches de si-poly étudiées ont été déposées par la technique LPCVD (Dépôt en phase vapeur à faible pression). Le dépôt a été obtenu par décomposition du silane SiH4 à 620 °C à basse pression (environ 0.2 torr).

Préparation des échantillons Traitements thermiques avant implantation De 1000 à 1150 °C pendant 120 mn. Un traitement thermique avant implantation a pour but de grossir les grains. Ce qui entraine la réduction du volume global des joints de grains. Ceci se traduit par la réduction du nombre de sites de ségrégation et de la densité des états pièges.

Préparation des échantillons Implantation des couches de si-poly Dopage par implantation ionique avec une énergie de 180 kev. Les doses implantées: 2. 1014 à 1016 atomes/cm2 pour le bore. 2. 1014 à 5. 1016 atomes/cm2 pour l’arsenic. L’implantation ionique consiste à bombarder un échantillon avec des ions accélérés de dopant. Ce bombardement s’effectue avec un appareil appelé: implanteur ionique.

Préparation des échantillons Traitements thermiques après implantation De 1050 à 1200 °C pendant 30 mn. Au cours de l’implantation, des cascades de collisions sont créées à l’intérieur de la couche superficielle de l’échantillon. Un traitement thermique après implantation est donc nécessaire pour permettre: la restauration de la structure cristalline de la couche superficielle; la redistribution des atomes de dopant ; le déplacement des atomes implantés vers des positions substitutionnelles.

Préparation des échantillons Recuit de fin de procédé Pour voir l’influence de l’hydrogène sur l’activité électronique des joints de grains dans le si-poly, un recuit à la fin des étapes de préparation des échantillons a été réalisé sous atmosphère d’hydrogène. Ce recuit a été pratiqué à 450 °C pendant 30 mn : Le choix de cette température est motivé par le fait qu’elle ne peut permettre, ni le grossissement des grains, ni la redistribution des dopants, pour ne pas masquer l’effet de l’hydrogène.

Caractérisation des échantillons Principe de l’effet Hall dans un SC de type N. En injectant un courant I suivant l’axe x, et en appliquant un champ magnétique B suivant l’axe z, on obtient le champ de Hall EH suivant l’axe y I Y Z X Par suite: La tension de Hall: EH B d Le coefficient de Hall: VH

Caractérisation des échantillons Méthode de Van der Pauw pour la mesure de la résistivité La résistivité du matériau est déterminée par la relation de Van der Pauw: B=0 Où f est le facteur de forme qui tient compte de la symétrie du l’échantillon. Dans notre cas on a pris f = 1, car nos échantillons sont de forme carrée. Les mesures sont répétées plusieurs fois en inversant le sens du courant

Caractérisation des échantillons Méthode de Van der Pauw pour la mesure de la tension de Hall La tension de Hall s’obtient par la répétition de la mesure en inversant les sens du courant et du champ magnétique: Par suite, nous pouvons déterminer: la concentration des porteurs libres: la mobilité de Hall des porteurs: B#0

Caractérisation des échantillons Avantages de la technique La technique de mesure par effet Hall nous permet: De nous renseigner sur la nature des porteurs libres qui assurent le transport. De déterminer la concentration des porteurs libres et leur mobilité. Elle permet aussi en absence de champ magnétique, de mesurer la résistivité des couches de si-poly.

Caractérisation des échantillons Banc de mesure d’effet Hall (HMS 3000) Port échantillon Source de courant Aimant permanent de 0,55 Tesla

Le dopage Le dopage du si-poly: réduit la résistivité, Conclusion Le dopage Le dopage du si-poly: réduit la résistivité, augmente la concentration des porteurs libres, améliore la mobilité des porteurs. Les dopages en bore réduisent mieux la résistivité. augmentent mieux la concentration des porteurs libres, améliorent mieux la mobilité des porteurs, que les dopages en arsenic.

Les traitements thermiques Conclusion Les traitements thermiques Les traitements thermiques diminuent la résistivité, font croître la concentration des porteurs libres, améliorent la mobilité des porteurs, réduisent le nombre des porteurs piégés et la quantité de dopant aux joints de grains. Pour des concentrations d’atomes d’arsenic supérieures à la solubilité limite, la résistivité, la concentration des porteurs libres et leur mobilité tendent vers une saturation. Pour des faibles dopages, les traitements thermiques avant implantation ont permis une amélioration de la concentration des porteurs libres: 100 % pour un dopage en arsenic, 23 % pour un dopage en bore. Les atomes d’arsenic ont une forte tendance à la ségrégation que les atomes de bore.

L’effet de l’hydrogène Conclusion L’introduction de l’hydrogène dans des couches minces de si-poly : L’effet de l’hydrogène augmente la concentration des porteurs libres, réduit la résistivité, améliore la mobilité, L’effet de l’hydrogène est beaucoup plus prononcé pour les faibles concentrations de dopant et pour un dopage en bore qu’un dopage en arsenic. Pour des faibles dopages, le recuit sous hydrogène a permis une amélioration de la concentration des porteurs libres. 12,5 % pour un dopage en arsenic, 16.5 % pour un dopage en bore. L’effet principal de l’hydrogène dans une couche de si-poly est la réduction de la densité des états pièges . La ségrégation des dopants aux joints de grains réduit l’effet de l’hydrogène sur la densité des états pièges en retardant sa pénétration.

Synthèse des résultats Conclusion Synthèse des résultats Le dopage en bore, les traitements thermiques avant implantation et le recuit sous hydrogène permettent une forte réduction de l’activité électronique des joints de grains des couches de si-poly. Ceci entraine la réduction de la probabilité des porteurs minoritaires d’etre piégés, et leur permet de passer de plus en plus facilement à travers les joints de grains. Ce qui se traduit par l’amélioration du rendement photovoltaïque des cellules solaires fabriquées à base de ce matériau.

Références Références P. Siffert, ‘’Nouvelles techniques de réalisation de photopiles au silicium’’, revue de physique appliquée, 14, 169, (1979). A. Laugie, J. A. Roger, ” Les photopile solaires, du matériau au dispositif ”, Technique et Documentation, Paris, (1981). M. D. Giles, "Ion Implantation in VLSI technology", New York, McGraw-Hill, 327, (1988). J. P. Rivier, ” Implantation ionique et les dépôts assistés par faisceau d'ion ”, Ed. Hermes (2001). B. E. Deal, A. S. Grove, ” General relationship for the thermal oxidation of silicon ”, J. Appl. Physics, 36, (1965). Pierre Auger "Les défauts cristallins", 2, 26. (2005). M. Lemiti, S. Audisio, C, C. Mai et B.Balland, ‘’Evolution de la taille des grains du silicium polycristallin pendant des traitements thermiques ou oxydation’’, Revue Phys. Appl., 133, (1989). W. F. Gale, T. C. Totemeier, Smithells Metals Reference Book, 8ème édition, (2004) . R. W. Olesinski, G. J. Abbaschian, ” The As-Si (Arsenic- Silicon) system”, Bulletin of alloy phase diagrams, 6, (1985). J. Van der Pauw, “A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape”, Philips Research Reports, 20, n° 8, 1, (1958). P. Blood, J.W. Orton, “The electrical characterisation of semi-conducteurs: majority carriers and electron states”, Academic Press Limited, London (1992).

Références Références B. Zaidi, Cellules Solaires, Éditions Universitaire Européennes, ISBN: 978-3-639-48212-6, 2016. B. Zaidi, B. Hadjoudja, C. Shekhar, B. Chouial, R. Li, M. V. Madhava Rao, S. Gagui, A. Chibani, “Dopant Segregation and Heat Treatment Effects on the electrical properties of Polycrystalline Silicon thin films” Silicon, Vol 8, (2016), p.513-516. B. Zaidi, C. Shekhar, B. Hadjoudja, B. Chouial, A. Chibani, R. Li, M. V. Madhava Rao, "Optimum Parameters for Obtaining Polycrystalline Silicon for Photovoltaic Application" American Journal of Nanosciences, Vol 1, (2015), p.1-4. B. Zaidi, B. Hadjoudja, B. Chouial, S. Gagui, H. Felfli, A. Magramene, A. Chibani, “ Effect of secondary annealing on electrical properties of polysilicon thin films” Silicon, Vol 7, (2015), p.293-295. B. Zaidi, B. Hadjoudja, B. Chouial, S. Gagui, H. Felfli, A. Chibani, “ Hydrogenation effect on electrical behavior of polysilicon thin films” Silicon, Vol 7, (2015), p.275-278. B. Zaidi, B. Hadjoudja, H. Felfli, B. Chouial, A. Chibani, “Effet des traitements thermiques sur le comportement électrique des couches de silicium polycristallin pour des applications photovoltaïques” Revue de Métallurgie, Vol 108, (2011), p.443-446. B. Zaidi, B. Hadjoudja, H. Felfli, A. Chibani, “Influence of doping and heat treatments on carriers mobility in polycrystalline silicon thin films for photovoltaic application” Turk J. Phys., Vol 35, (2011), p.185-188. B. Zaidi, H. Felfli, S. Yousfi, B. Hadjoudja, B. Chouial, A. Chibani, “Influence de l’hydrogène sur les propriétés électriques des couches minces de silicium polycristallin destinées à la fabrication des cellules solaires” REV. INT. D'HÉL., Vol 42, (2010), p.13-17.

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