Study and optimization of the growth of a-Si:H on wet-chemically textured c-Si substrates for the enhancement of a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells
Etude et optimisation de la croissance du silicium amorphe hydrogéné sur substrats de silicium cristallin texturé par voie chimique pour l'augmentation du rendement de cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si
Résumé
This thesis is the result of the work carried out on the passivation of anisotropically wet-etched crystalline silicon by hydrogenated amorphous silicon deposited by low-temperature RF PECVD. Firstly, the (100) and (111) crystalline orientations were studied to understand the impact thereof on a-Si:H growth. Wet-chemical etching of crystalline silicon was then addressed in order to choose the best recipe to texture silicon wafers and thereby increase their light-trapping properties. Surprisingly, the deposition of a-Si:H on textured wafers was tested and passivation under our standard conditions was not evident at all. Indeed, we experienced huge losses in effective lifetime and implied Voc. We could at first explain this difference by the larger surface and thus larger number of dangling bonds exhibited by textured wafers. However, we imagined that randomly distributed pyramid landscapes could be imperfectly defined in their natural {111} crystallographic orientation and that they rather contained a particular set of specific surface orientations. Such being the case, this would in turn foster particular growth modes locally. Consequently, we decided to use a method that is counter-intuitive for textured c-Si wafers in order to obtain a perfectly abrupt a- Si:H/c-Si interface. The improvements were striking and showed great reproducibility while HR-TEM/STEM analyses clearly indicated that the interface was made more abrupt indeed. This allowed us to procede towards our main goal: improving a-Si:H/c- Si heterojunction (SHJ) solar cell efficiencies on textured c-Si n-type wafers. A proper cleaning routine was defined, the cleanliness of the whole fabrication chain processes (no clean-room conditions) was optimized and adequate layer stacks were developed to enhance SHJ solar cells. As a consequence, a 2x2 cm2 (n)c-Si HJ solar cell was fabricated with a conversion efficiency as high as 20.1% with a Voc of 701 mV, a Jsc of 37.5 mA/cm2 and a FF of 76.3%. This cell contains the two major improvements we have introduced in the conventional HJ solar cell architecture. Implementation of these improvements required a study of their impact on the SHJ solar cell resilience to TCO deposition and on their final J(V) characteristics. A new semi-industrial PECVD cluster tool was installed and new PECVD processes were defined to assess its potential for passivation studies and to check its reproducibility features. As a result, we obtained a 11.3 ms effective lifetime with a 734 mV implied Voc on a symmetrical i/i stack.
Cette thèse est le résultat de travaux menés sur la passivation du silicium cristallin texturé par voie chimique, par le silicium amorphe hydrogéné déposé par RF PECVD à basse température. Tout d’abord, les orientations cristallines (100) et (111) ont été étudiées pour comprendre leur impact sur la croissance du a-Si:H. Ensuite, la gravure du silicium par voie humide a été explorée pour définir la recette de texturation du silicium cristallin la plus adaptée en vue d’améliorer ses propriétés de piégeage optique. La croissance du a-Si:H sur des wafers texturés a été étudiée et, à notre grand étonnement, leur passivation dans nos conditions standard n’a pas été évidente au premier abord. En effet, cela est passé par des pertes importantes en termes de temps de vie et de Voc implicite. Cela pouvait être tout d’abord expliqué par la surface développée plus importante du substrat de silicium après texturation. Cependant, nous avons imaginé que la surface du silicium cristallin pouvait être imparfaitement définie dans son orientation naturelle faite de plans {111} et qu’elle pouvait au contraire contenir une distribution d’orientations cristallines. Cela aurait pour conséquence de favoriser localement des modes de croissances particuliers. Par conséquent, nous avons décidé d’utiliser une méthode contre-intuitive pour obtenir des interfaces a-Si :H/c-Si abruptes lors de la passivation de wafers c-Si texturés par voie chimique. Les améliorations ont tout de suite été très nettes avec une grande reproductibilité tandis que des analyses HR-TEM/STEM ont démontré l’obtention d’une interface plus abrupte. Cela nous a permis de poursuivre notre objectif principal fixé : augmenter le rendement de cellules solaire à hétérojonction a-Si :H/c-Si (SHJ) sur wafers c-Si texturés de type n. Une procédure de nettoyage chimique des wafers adaptée à notre laboratoire a été définie, la propreté de la chaîne complète de fabrication a été optimisée et des couches de a-Si :H adéquates ont été développées pour améliorer les performances de cellules solaires SHJ. Par la suite, une cellule solaire de 2x2 cm2 a pu être fabriquée avec un rendement de 20.1%, un Voc de 701 mV, un Jsc of 37.5 mA/cm2 et un FF de 76.3%. Cette cellule contient les deux améliorations majeures que nous avons introduites dans l’architecture SHJ. Leur implémentation a requis l’étude de leur résistance aux procédés de dépôts du TCO et de leur impact sur les caractéristiques J(V) finales. Dans cette quête vers les hauts rendements, un nouveau réacteur semi-industriel de type cluster PECVD a été installé. De nouveaux procédés PECVD ont été définis pour à la fois estimer ses capacités pour les études de passivation et également vérifier ses caractéristiques de reproductibilité. Par la suite, un temps de vie de 11.3 ms a pu être obtenu avec un Voc implicite de 734 mV sur un stack symétrique i/i sur substrat lisse (111).
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