L’énergie solaire, renouvelable, aisément disponible et accessible à tous, semble posséder toutes les qualités pour devenir l’énergie de demain. Cependant, l’amélioration des technologies photovoltaïques est un point crucial pour faire des cellules solaires une source majeure d’électricité. L’objectif pour les futures cellules, dites « de 3e génération » est double : un coût abordable (matériau abondant, techniques de production), et un rendement maximal. Une voie pour y parvenir est l’insertion de nanocristaux de semi-conducteurs dans un matériau diélectrique par implantation ionique, suivie d’un recuit. De tels systèmes devraient permettre la génération des plusieurs excitons par photons incident, et promouvoir ainsi l’efficacité des cellules créées. Parmi les matériaux envisagés, les nanocristaux de silicium (Si-nc) enrobés dans la silice sont favoris, et les nanocristaux de germanium (Ge-nc) regorgent d’atouts en termes d’absorption solaire. Dans ce travail fondamental, nous avons investigué les paramètres de synthèse et les mécanismes de formation de ces nanocristaux. Nous avons combiné l’analyse par faisceau d’ions aux caractérisations physico-chimiques par XPS et µ-Raman, à la microscopie électronique, aux caractérisations optiques par ellipsométrie et spectroscopie de photoluminescence, et approché l’étude des propriétés photovoltaïques de ces matériaux. La promesse livrée par les nanocristaux de Si a dans un premier temps été évaluée. La formation de Si-nc dans le SiO2 implanté et recuit, dont la taille dépend de la concentration locale implantée, a été observée par MET et PL, et la mesure de leur réponse I-V a fourni les preuves d’un effet photovoltaïque dans ces structures. Le profilage en profondeur de Si a été rendu possible par la mise au point d’une méthode d’analyse par faisceau d’ions, basée sur le BS et la NRA, pour profiler aisément en profondeur des ions de Si implantés dans une matrice contenant du Si. Le tour des nanocristaux de Ge dans la silice est ensuite venu : nous avons pour la première fois joint l’analyse par faisceau d’ions au MEB et à la spectroscopie µ-Raman pour mettre en évidence la désorption de Ge au cours du recuit (jusqu’à 65%), ainsi que la formation de Ge-nc et de larges nanocavités sphériques de diamètres compris entre 4 et 35 nm à des températures supérieures au point de fusion du Ge. Les mécanismes de formation de ces structures ont été révélés. Une moindre désorption de Ge a été observée dans des couches minces de SiO2/Si caractérisées par RBS et XPS. La migration de Ge sur des sites privilégiés à l’interface a été révélée. Troisièmement, la co-implantation de Si préalablement au Ge a fourni une solution de prestige à la désorption du Ge. Nous avons mis en évidence, par caractérisations RBS, un piégeage du Ge par les atomes de Si introduits en excès, avec une croissance linéaire de la quantité de Ge retenu avec la fluence de Si implanté, jusqu’à retenir la quantité de Ge mesurée avant le recuit. En parallèle à ces caractérisations, nous avons exploré une nouvelle voie pour la caractérisation de Si-nc et Ge-nc : l’ionoluminescence, ou l’étude des émissions lumineuses sous faisceau d’ions. Cette méthode a révélé un fort potentiel pour la caractérisation de l’endommagement des nanostructures et du transfert des porteurs de charge dans ces matériaux dans le cas de Si-nc, et a révélé de nombreux accords avec les caractérisations µ-Raman et XPS pour des Ge-nc, permettant également une étude des mécanismes de transfert de charge dans la PL de ces structures.
Synthèse et caractérisation fondamentale de nanocristaux de silicium et germanium synthétisés par implantation ionique pour le développement de capteurs photovoltaïques à haut rendement - Développement de l’ionoluminescence
Demarche, J. (Auteur). 28 août 2012
Student thesis: Doc types › Docteur en Sciences