Cellules à hétérojonction (HET) de silicium : a-Si:H/c-Si

Les cellules à hétérojonctions de silicium (marque HIT pour "Heterojunction with In- trinsic Thin film") combinant des couches de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) avec des substrats de silicium cristallin (c-Si) (cf. Fig. 1) sont parmi les plus efficaces dans la technologie silicium. Le GeePs étudie cette hétérojonction depuis plusieurs années, et notamment les propriétés électriques et électroniques (courbure et décalage de bandes en énergie) de l’hétero-interface a-Si:H/c-Si par des mesures (photo)-électriques et de transport, souvent couplées de calculs analytiques et de modélisations numériques [1]. Un fait marquant est celui de la mise en évidence d’une couche inversion à l’interface (p) a-Si:H/ (n) c-Si par des mesures de conductance planaire [1], des mesures de capacité [2, 3] et des mesures de microscopie AFM à pointe conductrice (C-AFM) [4].


Figure 1 : Schéma simplifié d'une cellule photovoltaïque à hétérojonctions de silicium et son diagramme de bandes en énergie (échelle semi-log)

Les très bonnes propriétés de conversion de ces cellules dépendent en particulier de la qualité de l'interface a-Si:H/c-Si. En effet, cette dernière se caractérise par la présence d'une fine couche nanométrique de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque (i) a-Si:H, dite tampon, entre la couche dopée a-Si:H et le substrat c-Si. Notons que cette hetero-interface à fait l'objet de beaucoup d'études [6-10] ce qui nous a permis, entre autres, d'évaluer le coefficient de recombinaison radiative bande à bande B du silicium cristallin à basse température (de 77 K à 20 K) pour lequel aucune donnée n'était disponible à ce jour [6].
Une étude plus récente menée sur des épaisseurs variables de la couche tampon, (i) a-Si:H, a permis d'illustrer l'impact de cette épaisseur sur la courbure de bande à l’interface et plus concrètement sur la concentration des porteurs minoritaires dans la couche d’inversion. La mesure de conductance planaire appliquée à ces différents échantillons montre que celle-ci est directement liée à la conductance du canal d’inversion (courant latéral des trous) présent à la surface du c-Si. Ces résultats sont corroborés par des calculs analytiques 1D de la conductance dans le canal d’inversion et des simulations numériques 2D (TCAD-Silvaco) [9] présentés dans la Fig. 2 [9]. En combinant les résultats expérimentaux avec les modélisations numériques 2D, on montre par ailleurs que la concentration de défauts liés aux liaisons pendantes, N_DB, augmente fortement lorsque l’épaisseur de la couche tampon diminue (voir Fig. 3).

Figure 2 : Variation de la conductance en fonction de (E_F-E_V)_int l’écart entre la position du niveau de Fermi et la bande de conduction à la surface du c-Si. Extraite de la Ref. [9]

Figure 3 : Densité des défauts profonds extraite en fonction de l’épaisseur de la couche (i). Extraite de la Ref. [9]

Un autre approche pour étudier l'hetero-interface a-Si:H/c-Si a été celle d'appliquer la technique du photocourant modulé (MPC) qui a permis d'évaluer la densité d'état à l'interface, D_it, de même que la durée de vie des porteurs. Le fait de pouvoir combiner la technique MPC et MPL (photoluminescence modulée) au même endroit de l’échantillon montre que les estimations de la D_it sont en accord, et révèle à l'inverse une divergence en ce qui concerne les temps caractéristiques des porteurs. La MPL est en effet directement sensible à la durée effective des porteurs minoritaires dans l'absorbeur, alors que la technique MPC est sensible à la zone d’inversion proche de l’interface où les porteurs sont de type majoritaires [12].

Références

[1] J.-P. Kleider et al., Phys. Status Solidi A 2019, 1800877 (2019) ; DOI : 10.1002/pssa.201800877 ; hal-02308332 (https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02308332/)
[2] O. Maslova et al., Canadian Journal of Physics 92, 690-695 (2014) ; DOI : 10.1139/cjp-2013-0544 ; hal-01099596 (https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01099596/)
[3] O. Maslova et al., Journal of Applied Physics 118, 114507 (2015) ; 10.1063/1.4931150 ; hal-01310865 (https://hal-centralesupelec.archives-ouvertes.fr/hal-01310865)
[4] J.-P. Kleider et al. , Nanoscale Res. Lett. 6, 152 (2011) ; DOI : 10.1186/1556-276X-6-152 ; hal-00641696v1 (https://hal-centralesupelec.archives-ouvertes.fr/SUP_SCM/hal-00641696v1)
[5] These Ming Xu, Techniques de Photoluminescence pour l'étude des Interfaces Photovoltaïques (2016), tel-01319898, version 1 (https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01319898)
[6] R. Bruggemann et al., Phys. Status Solidi RRL 11, 1700066 (2017) ; DOI : 10.1002/pssr.201700066 ; hal-01631792 (https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01631792/)
[7] Thèse David Réaux, Cellules photovoltaïques à hétérojonctions de silicium (a-Si˸H/c-Si) : modélisation des défauts et de la recombinaison à l'interface (2017),
[8] D. Reaux et al, Energy Procedia 77, 153 (2015) ; DOI : 10.1016/j.egypro.2015.07.023 ; hal-01188802v1 (https://hal.inria.fr/PHEMADIC/hal-01188802v1) ; tel-01613084, version 1 (https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01613084)
[9] A. Levtchenko et al, Phys. Status Solidi RRL 13, 1900411 (2019) ; DOI : 10.1002/pssr.201900411 ; hal-02301811 (https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02301811)
[10] R. Varache et al. Journal of Applied Physics 112, 123717 (2012) ; DOI : 10.1063/1.4769736 ; hal-00778961 (https://hal-supelec.archives-ouvertes.fr/hal-00778961)
[11] S. Le Gall et al, 37th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (EU PVSEC 2020), hal-02946579 (https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02946579) et article en préparation (2021)
[12] These Alexandra Levtchenko, Étude de dispositifs photovoltaïques à hétérojonctions a-Si˸H/c-Si : caractérisations vs. simulations en régime modulé de structures planaires et modélisations optoélectroniques de nanofils à structure radiale (2019) ; tel-02068957, version 1 (https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02068957)