Capacitance spectroscopy in hydrogenated amorphous silicon Schottky diodes and high efficiency silicon heterojunction solar cells
Spectroscopie de capacité de diodes Schottky en silicium amorphe hydrogéné et de cellules photovoltaïques à haut rendement à hétérojonctions de silicium
Résumé
In this thesis, research on a-Si:H Schottky diodes and a-Si:H/c-Si heterojunctions is presented with the focus on the capacitance spectroscopy and information on electronic properties that can be derived from this technique. Last years a-Si:H/c-Si heterojunctions (HJ) have received growing attention as an approach which combines wafer and thin film technologies due to their low material consumption and low temperature processing. HJ solar cells benefit from lower fabrication temperatures thus reduced costs, possibilities of large-scale deposition, better temperature coefficient and lower silicon consumption. The most recent record efficiency belongs to Panasonic with 24.7% for a cell of 100 cm² was obtained. The aim of this thesis is to provide a critical study of the capacitance spectroscopy as a technique that can provide information on both subjects: DOS in a-Si:H and band offset values in a-Si:H/c-Si heterojunctions.The first part of the manuscript is devoted to capacitance spectroscopy in a-Si:H Schottky diodes. The interest is concentrated on the simplified treatment of the temperature and frequency dependence of the capacitance that allows one to extract the density of states at the Fermi level in a-Si:H. We focus on the study of the reliability and validity of this approach applied to a-Si:H Schottky barriers with various magnitudes and shapes of the DOS. Several structures representing n-type and undoped hydrogenated amorphous silicon Schottky diodes are modeled with the help of numerical simulation softwares. We show that the reliability of the studied treatment drastically depends on the approximations used to obtain the explicit analytical expression of the capacitance in such an amorphous semiconductor.In the second part of the chapter, we study the possibility of fitting experimental capacitance data by numerical calculations with the input a-Si:H parameters obtained from other experimental techniques. We conclude that the simplified treatment of the experimentally obtained capacitance data together with numerical modeling can be a valuable tool to assess some important parameters of the material if one considers the results of numerical modeling and performs some adjustments. The second part is dedicated to capacitance spectroscopy of a-Si:H/c-Si heterojunctions with special emphasis on the influence of a strong inversion layer in c-Si at the interface. Firstly, we focus on the study of the frequency dependent low temperature range of capacitance-temperature dependencies of a-Si:H/c-Si heterojunctions. The theoretical analysis of the capacitance steps in calculated capacitance-temperature dependencies is presented by means of numerical modeling. It is shown that two steps can occur in the low temperature range, one being attributed to the activation of the response of the gap states in a-Si:H to the small signal modulation, the other one being related to the response of holes in the strong inversion layer in c-Si at the interface. The experimental behavior of C-T curves is discussed. The quasi-static regime of the capacitance is studied as well. We show that the depletion approximation fails to reproduce the experimental data obtained for (p) a-Si:H/(n) c-Si heterojunctions. Due to the existence of the strong inversion layer, the depletion approximation overestimates the potential drop in the depleted region in crystalline silicon and thus underestimates the capacitance and its increase with temperature. A complete analytical calculation of the heterojunction capacitance taking into account the hole inversion layer is developed. It is shown that within the complete analytical approach the inversion layer brings significant changes to the capacitance for large values of the valence band offset. The experimentally obtained C-T curves show a good agreement with the complete analytical calculation and the presence of the inversion layer in the studied samples is thus confirmed.
Les travaux développés dans cette thèse sont dédiés à l’étude des propriétés électroniques de diodes Schottky de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et d'hétérojonctions entre silicium amorphe hydrogéné et silicium cristallin, a-Si:H/c-Si au moyen de spectroscopies de capacité de jonctions.Lors de la fabrication des cellules solaires à haut rendement plusieurs paramètres d’une hétérojonction a-Si:H/c-Si doivent être considérés. Premièrement, la densité d’états dans le gap du a-Si:H est d’une grande importance car il s’agit de défauts qui favorisent le piégeage et la recombinaison de porteurs. Deuxièmement, la détermination des désaccords des bandes entre la couche amorphe et la couche cristalline est indispensable puisque ceux-ci contrôlent le transport à travers la jonction et déterminent la courbure des bandes dans c-Si, ce qui va notamment influencer la recombinaison des porteurs sous lumière, donc la tension de circuit ouvert des cellules. Cette thèse a pour but d’étudier la spectroscopie de capacité comme technique d'analyse de paramètres clés pour les dispositifs à hétérojonctions de silicium : la densité d’états dans le a-Si:H et les désaccords des bandes entre a-Si:H et c-Si.La première partie est dédiée à l’étude de la capacité de diodes Schottky. Nous nous concentrons sur un traitement simplifié de la capacité en fonction de la température et de la fréquence reposant sur une expression analytique obtenue par une résolution approchée de l'équation de Poisson. Ce traitement permet en principe d’extraire la densité d’états au niveau de Fermi dans le a-Si:H et la fréquence de saut des électrons depuis un état localisé au niveau de Fermi vers la bande de conduction. En appliquant ce traitement simplifié à la capacité calculée sans approximation à l'aide de deux logiciels de simulation numérique, nous montrons que sa fiabilité et sa validité dépendent fortement de la distribution des états localisés dans la bande interdite du a-Si:H et de la position du niveau de Fermi. Puis nous abordons l’étude de la capacité des hétérojonctions entre a-Si:H de type p et c-Si de type n, et nous mettons particulièrement en avant l’existence d'une couche d’inversion forte à l’interface dans le c-Si, formant un gaz bidimensionnel de trous. Dans une première partie, nous présentons une étude par simulation numérique de la dépendance de la capacité en fonction de la température, pour laquelle un ou deux échelons peuvent être mis en évidence à basse température. Leur analyse montre qu’un des ces échelons est attribué à l’activation de la réponse de la charge dans le a-Si:H, alors que l’autre, présentant une énergie d'activation plus grande, est lié à la modulation de la concentration des trous dans la couche d’inversion forte, lorsque celle-ci existe. On présente ensuite une discussion de résultats expérimentaux. Le régime quasi-statique de la capacité fait ainsi l’objet d’une discussion. Nous mettons en relief le fait que l’approximation de la zone de déplétion ne permet pas de reproduire cette augmentation de la capacité en fonction de la température. Du fait de l’existence de la couche d’inversion forte, la chute de potentiel dans la zone de déplétion du c-Si est plus faible que la valeur déterminée par le calcul attribuant toute la chute de potentiel à la zone de déplétion. Par conséquent, cette approximation conduit à sous-estimer la capacité ainsi que son augmentation avec la température. Nous présentons alors un calcul analytique complet qui tient compte à la fois de la distribution particulière du potentiel dans le a-Si:H, et des trous dans le c-Si dont la contribution à la concentration totale de charges n'est pas négligeable dans la couche d’inversion forte. Le calcul analytique complet permet de bien reproduire les résultats expérimentaux de capacité en fonction de la température; ceci confirme la présence de la couche d’inversion forte dans les échantillons étudiés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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