Microcrystalline silicon deposited from SiF4/H2/Ar plasmas and its application to photovoltaics

167 Pages·2017·11.04 MB·English

Microcrystalline silicon deposited from SiF4/H2/Ar
plasmas and its application to photovoltaics
Jean-Christophe Dornstetter
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Jean-ChristopheDornstetter. MicrocrystallinesilicondepositedfromSiF4/H2/Arplasmasanditsap-
plication to photovoltaics. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Ecole Polytechnique, 2014. English.
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Doctoral thesis in Materials Science

Microcrystalline silicon deposited
from SiF /H /Ar plasmas
4 2
and its application to photovoltaics

Jean-Christophe Dornstetter
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Doctoral thesis in Materials Science
Microcrystalline silicon deposited
from SiF /H /Ar plasmas
4 2
and its application to photovoltaics

Jean-Christophe Dornstetter

Ph.D. thesis defended on the 19th of November, 2014.

Prof. Laifa Boufendi GREMI Referee
Prof. Bernd Rech HZB Referee
Dr. Friedhelm Finger Jülich FZ Examiner
Dr. Bruno Delahaye TOTAL Examiner
Dr. Franz-Josef Haug EPFL - PV Lab Examiner
Dr. Edward Hamers HyET Solar Examiner
Prof. Pere Roca i Cabarrocas LPICM Supervisor

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4
Acknowledgements
Passage incontournable, les Remerciements marquent la fin de trois longues et merveilleuses
années de thèse et achèvent de mettre un point final à un manuscrit que l’on a rédigé avec cœur. Les
Remerciements c’est aussi et surtout la seule partie de cet ouvrage rédigée « à chaud » sans la censure
académique (légitime et bienvenue, il va sans dire). C’est donc naturellement l’occasion de remercier
directement, sincèrement et chaleureusement tous ceux qui m’ont entouré durant ma thèse.
Je tiens tout d’abord à remercier ma famille pour son soutien inconditionnel durant ces trois
laborieuses – et laborantines, années de thèse.
Je pense ensuite à Marc et Lars. Merci de m’avoir permis de réaliser cette thèse au sein de la R&D
Solaire de TOTAL, dont je remercie par ailleurs tous les membres. Un grand merci en particulier à
Caroline pour son aide infaillible dans la gestion des OM faits à la dernière minute. Je n’oublie
évidemment pas mes divers « n+1 » successifs : Samir, Loïc, Fabrice, et – pour finir en beauté, Nada.
Merci Samir de m’avoir initié à ce beau sujet de thèse, de m’avoir enseigné l’art de faire plein de manips
en parallèle (mon record personnel étant désormais de trois réacteurs en simultané, avec toutes les
caractérisations matériaux/cellules afférentes) et concomitamment de m’avoir appris à organiser mes
journées au quart d’heure près ! Merci à Antoine, Patricia, Samir, Nada, Jean-François, Ludovic, Gilles,
Jara, Sergej, Céline, Ahmed, Martin, et Etienne, bref à tous les « expats » de Palaiseau pour leur
compagnie et leur bonne humeur, que j’ai pu apprécier au cours des (trop nombreuses ?) pauses café.
Passons maintenant au LPICM qui m’a accueilli pendant ces trois années. Je commence
évidemment par Pere, qui a dirigé ma thèse avec un optimisme constant (et rarement égalé) : merci
pour toutes ces réunions passées à dodeliner de la tête pour me pousser à mieux expliquer, à mieux
présenter, et à mieux argumenter mes résultats scientifiques. Merci également pour ton sourire
toujours bienveillant. Merci à tout le LPICM et spécialement à toute l’équipe administrative du premier
étage pour votre efficacité et votre sympathie. Merci à Cyril, Fred, GG, Nacib, et François du BEER et
désolé pour toutes les pompes cassées et les innombrables joints DN40 utilisés. Merci au duo Fred et
Eric pour tout le support informatique lié à mon Windows XP (et oui on est en 2014…). Merci à toute
l’équipe PVSiXT. Merci Rymounette pour ton sourire et tes fous rires contagieux. Merci à l’équipe TEM
du LPICM et en particulier à Ileana pour ses magnifiques images qui ont « sauvé » mon modèle
phénoménologique. Merci à Joaquim pour les discussions magistrales sur la physique des semi-
conducteurs et sur la subtile physique de la jonction P-N et des quasi-niveaux de Fermi (même après
trois années de thèse, cela fait toujours beaucoup de bien de revenir aux fondamentaux). Encore 谢谢
à Joaquim, grâce à qui j’ai pu découvrir la Chine (et sa soupe aux limaces de mer). Merci à mes deux
stagiaires, Junkang et Miao, pour leur travail. Enfin merci à Pavel pour son aide toujours prompte et
efficace sur les manips ainsi que pour toutes discussions franches sur les plasmas. Elles furent
précieuses et essentielles pour le cheminement intellectuel de ma thèse.
Pour finir, je remercie tous les doctorants que j’ai eu la chance de côtoyer, à commencer par les «
anciens » : James, Coralie et Guillaume. Je remercie les doctorants de ma « génération » : Bastien (tu
me ferais pas une cellule ?), Romain (sans rancune !), Sofia, Soumyadeep, ainsi que mes acolytes des
Student Chapters, Barbara, Nicolas, et Florence. Je remercie également la « nouvelle » génération en
leur souhaitant bonne chance pour leur thèse : Ronan (tu verras, c’est cool le SiF ), Paul (high five !),
4
Jian, Junkang, Gwenaëlle (bon coup d’œil, hein !), et Fabien. Je termine mes remerciements avec celui
qui fut mon co-bureau (et le meilleur que j’eusse pu avoir) pendant ces trois longues années. J’ai été
surpris de constater que deux personnalités aussi opposées que les nôtres ont été paradoxalement
aussi compatibles. Merci Igor pour les discussions, les raftings (road-trips inclus), les hymnes, et les
KD…
Merci à tous pour ce moment !
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6
Epigraphe pour un livre condamné.
Lecteur paisible et bucolique,
Sobre et naïf homme de bien,
Jette ce livre saturnien,
Orgiaque et mélancolique.
Si tu n’as fait ta rhétorique
Chez Satan, le rusé doyen,
Jette ! tu n’y comprendrais rien,
Ou tu me croirais hystérique.
Mais si, sans se laisser charmer,
Ton œil sait plonger dans les gouffres,
Lis-moi pour apprendre à m’aimer ;
Ame curieuse qui souffres
Et vas cherchant ton paradis,
Plains-moi !... sinon, je te maudis !
Charles Baudelaire

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Table of Contents
1. Context ................................................................................................ 15
1.1 From the issue of energy to SiF /H /Ar plasmas .......................................................... 16
4 2
1.1.1 From global energy to solar energy ............................................................................. 16
1.1.2 From solar energy to silicon technology...................................................................... 19
1.1.3 From silicon technology to SiF /H /Ar plasmas ........................................................... 20
4 2
1.1.4 Beyond the production of energy ................................................................................ 21
1.2 Framework of this thesis ............................................................................................ 22
1.2.1 Focus on microcrystalline silicon ................................................................................. 22
1.2.2 Research topic at LPICM .............................................................................................. 23
1.2.3 Deposition and characterization techniques ............................................................... 24
1.2.4 Structure of the thesis ................................................................................................. 26
2. Plasma chemistry of SiF4/H2/Ar gas mixtures ....................................... 27
2.1 Hydrogen depletion and HF formation ....................................................................... 28
2.1.1 Black box approach coupled with RGA ........................................................................ 28
2.1.2 Detection of HF molecules........................................................................................... 29
2.1.3 Depletion and consumption of H ............................................................................... 32
2
2.1.4 Effect of the Ar flow rate ............................................................................................. 34
2.2 Hydrogen flow rate series .......................................................................................... 36
2.2.1 Amorphous to microcrystalline transition ................................................................... 36
2.2.2 Depletion of H and production of HF molecules ........................................................ 38
2
2.2.3 Optical emission spectroscopy .................................................................................... 39
2.2.4 H consumption ........................................................................................................... 40
2
2.2.5 Discussion .................................................................................................................... 41
2.3 Phenomenological model ........................................................................................... 42
2.3.1 Description of the model ............................................................................................. 42
2.3.2 Solving model equations ............................................................................................. 43
2.3.3 Comparison with experimental results ....................................................................... 44
2.3.4 Discussion on OES and V measurements .................................................................. 47
DC
2.3.5 Comparison with literature ......................................................................................... 48
2.4 Transfer from PHILIX reactor to CLUSTER-PL8 reactor ................................................. 49
2.4.1 Getting amorphous and microcrystalline films ........................................................... 49
2.4.2 Optimizing the H consumption................................................................................... 50
2
2.4.3 SiF consumption ......................................................................................................... 52
4
2.5 Chapter key results .................................................................................................... 54
3. Plasma-generated nanoparticles.......................................................... 55
3.1 Plasma studies ........................................................................................................... 56
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