La cristallisation de silicium amorphe en couches minces La faisabilité de la technique de la cristallisation induite par l’aluminium (CIA) est démontrée par une étude réalisée par l’Institut de microtechnique de l’université de Neuchâtel en collaboration avec l’université New South Wales de Sydney (Australie) Les cellules solaires en silicium cristallin sont en tête du meilleur rendement de conversion : le record du monde obtenu à l’université UNSW à Sydney reste proche de 25 % depuis quelques années. La production de telles cellules, toutefois, coûte cher car les techniques de production du silicium cristallin sont onéreuses ; de plus, leur réalisation nécessite plusieurs étapes à haute température (1 000°C).
• D’autres techniques permettent de produire des cellules meilleur marché mais de moindre rendement (< 12 %). Ces cellules sont réalisées à partir de gaz de silane qui est décomposé pour former des cellules en couches minces. La température de dépôt étant inférieure à 500°C, il est possible d’utiliser des matériaux peu coûteux comme le verre, l’acier ou même le plastique. L’équipe de l’Institut de microtechnique de Neuchâtel a acquis dans ce domaine une grande expérience et une renommée internationale.
• Etablir un lien scientifique entre ces deux techniques : tel était l’objet de l’étude* qui a porté plus spécifiquement sur "la cristallisation de silicium amorphe en couches minces". Le silicium amorphe a une structure désordonnée. Il s’agissait de former des cristaux de silicium à partir de ce silicium amorphe à l’aide d’une combinaison d’un traitement thermique et de l’effet de catalyseur pour la cristallisation qui est donné par la présence d’aluminium. Ce processus est connu depuis les années 1970 et il est toujours d’importance dans l’industrie des circuits intégrés où il est nécessaire de réaliser des contacts électriques long terme.
• Le but de cette recherche sur la cristallisation induite par l’aluminium (CIA) est de faire croître des cristaux sur des substrats bon marché. Il serait ainsi possible de combiner la qualité du matériau (silicium cristallisé) avec un prix de substrat intéressant. Dans le groupe de recherche de Sydney, des analyses préliminaires de ce processus ont été réalisées.
• La technique CIA consiste à déposer une couche d’aluminium (500 nm d’épaisseur) par effet Joule sur laquelle du silicium amorphe est ensuite pulvérisé (500 nm d’épaisseur). Le tout est ensuite chauffé à une température comprise entre A°C et 500°C. Au cours de cette phase thermique, l’aluminium interagit avec le silicium d’une façon très active pendant une heure. Après ce traitement, les deux couches s’inversent : l’aluminium migre vers la surface et le silicium amorphe se cristallise pour former du silicium polycristallin (les cristaux formés ont une taille de quelques microns). L’aluminium en surface est ensuite dissout chimiquement. Le silicium polycristallin ainsi obtenu est dopé type-p.
• Ces couches continuent à être étudiées à Sydney dans le but de déterminer, par exemple, la longueur de diffusion ou le temps de vie des porteurs minoritaires. Ce nouveau matériau polycristallin peut être intégré dans deux types de configurations de cellule solaire : – comme couche absorbante de type <p> dans une jonction p-n – comme couche conductrice p dans une cellule de type n-i-p, les couches de type <n> et <i> étant déposées par exemple par plasma.
• Dans le cadre de la collaboration Sydney/ Neuchâtel une cellule de type n-i-p (deuxième configuration) est en voie de réalisation. Les premiers résultats sont prometteurs : – la première cellule fournit une tension de courant ouvert VOC = 150 mV et une densité de courant de circuit ouvert JSC = 1.5 mA/cm2 – le processus de cristallisation de couches en silicium amorphe par l’aluminium est étudié en vue d’une utilisation photovoltaïque – des problèmes d’interface ont été résolus – le dopage très prononcé (de type p) laisse pourtant présager un matériau riche en défauts.
• Cette étude a permis de montrer la faisabilité de la technique CIA. Une optimisation du processus est néanmoins nécessaire, mais la marge d’amélioration semble importante.
Luc Feitknecht
Institut de microtechnique
Université de Neuchâtel
Tél. 41 32 718 32 10
luc.feitknecht@unine.ch
