Impression de silicium par procédé jet d'encre (des nanoparticules aux couches minces fonctionnelles pour applications photovoltaïques)

Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L optimisation du procédé d impression, de l interaction encre/substrat (via la modulation de l énergie de surface des substrats) et de l étape de séchage a permis l obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques m d épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 C à environ 600 C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire ). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L ensemble de ces travaux a permis la réalisation d une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication.This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some m thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 C to 600 C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells ). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget.ST ETIENNE-ENS des Mines (422182304) / SudocGARDANNE-Centre microélec. (130412301) / SudocSudocFranceF

Inkjet-printed silicon : from nanoparticles to functional thin-films for photovoltaic applications

Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d’encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d’encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L’optimisation du procédé d’impression, de l’interaction encre/substrat (via la modulation de l’énergie de surface des substrats) et de l’étape de séchage a permis l’obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques µm d’épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L’utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 °C à environ 600 °C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d’intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire…). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation d’une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d’une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication.This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some µm thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 °C to 600 °C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells…). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget

Impression de silicium par procédé jet d’encre : des nanoparticules aux couches minces fonctionnelles pour applications photovoltaïques

This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some µm thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 °C to 600 °C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells…). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget.Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d’encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d’encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L’optimisation du procédé d’impression, de l’interaction encre/substrat (via la modulation de l’énergie de surface des substrats) et de l’étape de séchage a permis l’obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques µm d’épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L’utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 °C à environ 600 °C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d’intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire…). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation d’une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d’une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication

Silicon Thin-Films from Nanoparticle dispersion: Tailoring Morphological, Electrical and Optical Characteristics

International audienceAmorphous and microcrystalline silicon are currently used for electronic devices such as solar cells and thin-film transistors. This paper shows that silicon nanoparticle dispersion has the potential to be used as source material for polycrystalline silicon thin-film thus opening a route to solution processed silicon devices. After deposition, a classical thermal or microwave annealing step is used to induce the coalescence of the silicon nanoparticles. Both sintering techniques are studied in terms of morphology, electrical and optical properties

Determination of best nPERT configuration for thickness reduction through Silicon Solar Cell simulation taking to account bulk quality

International audienc

Inkjet printing of 200 nm monodisperse carbon nanoparticles: From nanoparticles synthesis to smart ink formulation

International audienceCarbon nanoparticles can be obtained by the pyrolysis of thermoset resorcinol (R) and formaldehyde (F) copolymers nanopheres. In comparison with carbon black nanoparticules commonly proposed by chemical products suppliers, their shape is more regular and well defined. In addition R/F carbon nanoparticle can be synthetized with a very narrow granular spreading. Three different synthesis pathways have been tested in the aim to obtain 200 nm diameter monodisperse particles. The polymerization in an emulsion stabilized using electrostatic repulsion, derived from Stöber method, gave the best results. R/F carbon nanoparticles were used to make an inkjet printable dispersion in order to form resistive carbon thin films on Kapton substrate

Impact of ink synthesis on processing of inkjet-printed silicon nanoparticle thin films: A comparison of Rapid Thermal Annealing and photonic sintering

International audienceInkjet printing has a high potential for cost reduction in solar cell and thermoelectric industry. This study demonstrates that silicon thin films can be produced by inkjet-printing of silicon nanoparticles followed by subsequent drying and annealing steps. Ink formulation is crucial for the sintering of the silicon nanoparticles and control of the microstructure at low temperature. Upon heating, the microstructure is modified from porous layer made of juxtaposed silicon nanoparticles to denser layer with coarser grains. This evolution is monitored by scanning electron microscopy and by micro-Raman spectroscopy, which offer a fast and precise characterization of the microstructure and chemical composition of thin films. Above a threshold temperature of 800 degrees C cracks appear within thin film and substrate because of the stress induced by the oxidation of the surface. An innovative sintering method, photonic annealing, is studied in order to reduce both oxidation and stress in the thin films as well as reducing processing time. Evolution of the thermal conductivity is performed by micro-Raman spectroscopy and can be tailored in a large range between similar to 1 and similar to 100 W.m(-1).K-1 depending on the sintering method and atmosphere. Therefore control of the microstructure evolution with applied annealing process allows tailoring of both microstructure and thermal conductivity of the silicon thin films. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved

Dépôt par jet d’encre de nanoparticules de carbone de 200 nm : de la synthèse à la formulation des encres

International audienc

Formation of resistive layers by inkjet from spherical nanoparticles

International audienc

Impact of Ink Synthesis on Processing and Properties of Inkjet-Printed Silicon Thin Films

International audienceInkjet printing has a high potential for cost reduction in solar cell and thermoelectric industry. This study demonstrates that silicon thin films can be produced by inkjet-printing of a silicon ink followed by consequent drying and annealing steps. Ink formulation is a crucial parameter for sintering of the silicon nanoparticles and control of the microstructure at low temperature. Evolution of the sintering steps is monitored by scanning electron microscopy and by Raman spectroscopy which offers a fast and precise characterization of the microstructure and chemical composition of the thin films. While denser and more crystalline layers are obtained, cracks appear within thin film and substrate because of stress provoked by oxidation of the surface. Electrical conductivity is improved with higher annealing temperature until a threshold where both physical degradation and oxidation of the layers limits strongly the carrier transport phenomenon. In opposition transmission of the thin films is altered with increasing annealing temperature. Evolution of the thermal conductivity is performed by Raman spectroscopy and can be tailor in a large range between ~1 to ~100 W/mK. Therefore control of the microstructure evolution with applied annealing process allows tailoring of both microstructure and thermal conductivity of the thin films