Soutenance de thèse de Sarra DEHILI

Au cours des nombreuses étapes nécessaires à la fabrication des panneaux solaires, un certain nombre d’impuretés métalliques peuvent être introduites. Ces impuretés sont à l’origine d'une dégradation des performances des cellules photovoltaïques. Elles introduisent des centres de recombinaison dans le gap du matériau semi-conducteur, dégradant ainsi la durée de vie des porteurs minoritaires. Il parait donc essentiel de pouvoir vérifier la présence de ces impuretés et de caractériser leurs propriétés aux différentes étapes de la fabrication. Pour cela, un certain nombre de techniques de caractérisation basées sur des mesures électriques existent déjà. Cependant, ces méthodes nécessitent le dépôt de contacts électriques et donc une préparation qui peut altérer les propriétés du matériau. À l’inverse, les techniques de spectroscopie de durée de vie permettent d’effectuer des mesures sans contact sur le matériau brut. Dans cette thèse, nous nous intéressons au développement d'une technique de spectroscopie de durée de vie basée sur le principe de la Microwave Phase-Shift (MW-PS). Pour la caractérisation des défauts, la technique est adaptée pour effectuer des mesures de TDLS (temperature-dependent lifetime spectroscopy). L’étude de la dépendance en température de la durée de vie en présence d’une impureté permet d’en extraire les caractéristiques comme la section efficace de capture ou le niveau d'énergie introduit dans le gap. Une étude théorique des effets de la température et des propriétés des défauts sur la durée de vie est proposée. Cette étude s'accompagne d'une application à des impuretés métalliques connues afin d'étudier le potentiel et les restrictions de la TDLS pour leur caractérisation. Enfin, le banc expérimental de TDLS est développé et des impuretés dont les propriétés sont connues sont sélectionnées afin de le calibrer. Ce travail pourra ensuite permettre la caractérisation d'impuretés dont les propriétés sont encore mal déterminées ou d'évaluer la qualité du silicium dans un contexte où le recyclage est de plus en plus valorisé.

During crystal growth and processing of silicon solar cells, the semiconductor material is at risk of contamination by impurities. Impurities are an obstacle to the improvement of the performances of solar cells as they are responsible for the degradation of the minority carrier lifetime. It is therefore essential to identify the nature of these impurities through the determination of their properties at each step of the manufacturing process. To quantify and identify impurities in semiconductors, there are several techniques based on electrical measurements. However, these techniques require samples with electrical contacts which means that they cannot be characterized unless electrical contacts are prematurely deposited. In fact, these extra steps can alter the sample and modify the properties of the material. Alternative methods exist and are based on the principle of lifetime measurements and allow contactless characterization. In this thesis, a lifetime spectroscopy technique based on the Microwave Phase-Shift (MW-PS) is adapted to perform TDLS (temperature-dependent lifetime spectroscopy) for defect characterization. The study of the lifetime temperature dependence in the presence of an impurity allows to extract some of its characteristics like the capture cross sections or the energy level introduced into the gap. A theoretical study on the effects of temperature and defect properties on lifetime is proposed. This study is followed by an application to known metallic impurities in order to study the potential and limitations of TDLS. Finally, the experimental characterization setup to perform TDLS developed is presented. The study of well-known impurities is used in order to calibrate the setup. This work could then allow the characterization of impurities whose properties are still poorly known or to evaluate the quality of silicon in the current context where recycling is becoming a necessity.