Films minces à base de Si nanostructuré pour des cellules ...

Résumé
tel-00916300, version 1 - 10 Dec 2013
L'association du concept de troisième génération de cellules solaires et de la technologie de fabrication
des films minces ouvre la voie à l'élaboration de matériaux entrant dans le cadre des énergies
renouvelables. Les effets de confinement quantiques observés dans les nanostructures de silicium sont
exploités pour une intégration dans des dispositifs du type cellule tandem tout-silicium. Cette thèse vise
à comprendre la formation de nanoparticules de silicium dans deux types de matrices diélectriques (SiO 2
et SiN x ) sous forme de mono- et multi-couches. La matrice de nitrure de silicium possède l'avantage de
pouvoir intégrer une densité élevée de nanoparticules (10 20 Si-np/cm 3 ) qui après recuit rapide (1min-
1000°C) conduit à une émission intense dans le domaine visible. Une investigation théorique détaillée
des mécanismes d'émission et des facteurs influençant la luminescence est mise en regard des résultats
expérimentaux. Les simulations indiquent les caractéristiques d'émission (intensité et énergie)
dépendent non seulement de la densité et de la taille des nanoparticules de silicium, mais également de
la géométrie (épaisseur des couches et sous-couches, nombre de motifs alternés) et des indices dont le
rôle crucial doit être pris en compte pour permettre une intégration dans les dispositifs finalisés.
Mots clé: Nanoparticules, couches minces, composites, photoluminescence, microstructure
(physique), simulation (méthodes de), silicium, pulvérisation magnétron réactive.
Abstract
The combination of third generation solar cell concepts in second generation thin film materials has
been identified as an efficient way to solve the global energy needs. The quantum confinement effects
observed from Si nanostructures are promising towards integration in a third generation solar cell such
as an ‘All-Si tandem cell’. This thesis focuses on understanding the formation of Si quantum dots (i.e Sinanoparticles)
in two kinds of dielectric matrix: SiO 2 and Silicon nitride, in monolayer and multilayer
(ML) configurations. The advantages of SRSO/SRSN ML over SRSO/SiO 2 ML are demonstrated. High
density of Si-np (about 10 20 Si-np/cm 3 ) and intense emission in visible range are obtained in SRSO/SRSN
ML after a short annealing time (1min- 1000°C), which is promising for device applications at a reduced
thermal budget. A detailed investigation on emission mechanisms and factors that influence emission is
made experimentally and theoretically. Simulations indicate that the density of Si-np and their size are
not the only parameters that influence the emission intensity and peak positions. The demonstrated
influence of geometrical and optical effects on emission is very important towards proceeding with the
next step of device integrations.
Key words: Nanoparticles, thin films, composite materials, photoluminescence, microstructure,
simulation methods, silicon, reactive magnetron sputtering.