Nouvelles procedés plasma pour fabriquer les cellules photovoltaiques en couches minces de carbure de silicium – CANASTA

La capacité de production photovoltaïque (PV) continue son étonnante progression, avec une croissance annuelle moyenne de 50% entre 2001 et 2008. Suivant cette croissance, la production PV des cellules en couches minces de grande surface a maintenu sa part de marché à environ 10%, mais la technologie qui devait s'imposer, le concept micromorphe, i.e. l'association tandem de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et de silicium nanocristallin (nc-Si:H), n'a pas complètement rempli ses objectifs. Ceci provient d'une part de la concurrence de la filière à base de tellurure de cadmium (CdTe), et d'autre part des avancées plus lentes que prévu dans l'augmentation des rendements stabilisés des dispositifs de type micromorphe. En dépit des améliorations progressives de la technologie du silicium en couche mince, le concept micromorphe continue d'être limité par deux facteurs : (1) une propriété fondamentale du a-Si:H, sa dégradation métastable provoquée par la lumière, et (2) la vitesse de dépôt lente du nc-Si:H.
Ce projet vise à trouver une solution pour ces deux facteurs limitants : premièrement, en supprimant la barrière fondamentale à la stabilité des cellules micromorph en éliminant le a-Si:H et en le remplaçant par un alliage hydrogéné de carbure de silicium nanocristallin, et deuxièmement, en déposant du silicium nc-Si:H de bonne qualité à grande vitesse de dépôt. Les avantages de la cellule PV tandem micromorphe peuvent être ainsi maintenus (rendement élevé à bas coût du fait de l'utilisation de couches minces à base de silicium et carbone, matériaux non toxiques et très abondants), tout en ouvrant de nouvelles voies en termes de rendement stabilisé de cellules.
Le principal défi du projet CANASTA (Carbon Alloyed Nanocrystalline Silicon Tandem) est d'obtenir du carbure de silicium nanocristallin de bonne qualité électronique à basse température (T<300°C). Ce défi sera relevé en utilisant des techniques originales de dépôt avec de nouveaux systèmes de commande de flux des gaz précurseurs. Pour garantir le maximum de degrés de liberté dans les conditions de dépôts, trois stratégies originales de dépôt seront étudiées pour ce matériau innovant, afin d'engranger le maximum de connaissances sur les processus physiques spécifiques requis pour fabriquer du matériau de bonne qualité électronique. Une de ces techniques (faisant actuellement l'objet d'un dépôt de brevet par le LPP et le LPICM), l'utilisation des nouvelles formes d'onde d'excitation du plasma, sera également appliquée pour relever le défi de la vitesse de dépôt élevée du nc-Si:H, le deuxième composant crucial dans le concept CANASTA.
En outre, le projet s'attaque à un autre verrou important pour le développement de nouveaux matériaux PV en couche mince : la mise au point de méthodes fiables de caractérisation des propriétés de transport électroniques permettant de sonder l'homogénéité en profondeur des couches intrinsèques et de déterminer ces propriétés dans la direction transverse (perpendiculaire à la surface des couches), qui est précisément la direction importante pour une cellule PV. En effet, la plupart des méthodes de caractérisation des couches minces sondent les propriétés de transport dans le plan des couches. Ceci n'est pas un handicap pour des matériaux isotropes comme le a-Si:H, mais dans le cas de matériaux pouvant avoir une structure non isotrope tels nc-Si:H et nc-SiC:H, ces techniques usuelles peuvent aboutir à des conclusions erronées et orienter les recherches dans une mauvaise direction. Le projet abordera ce problème en développant deux nouvelles techniques de caractérisation avancée, à savoir la technique de photocourant par interférométrie laser à longueur d'onde d'excitation variable, et une extension de la technique de spectroscopie de phototension de surface adaptée aux couches minces. Ces techniques seront utilisées pour guider le processus d'optimisation du matériau nouveau nc-SiC:H et du nc-Si:H déposé à grande vitesse.