Thin films based on Silicon nanostructures for third generation solar cells

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 (SiO2 et SiNx) sous forme de mono- et multi-couches. La matrice de nitrure de silicium possède l'avantage de pouvoir intégrer une densité élevée de nanoparticules (1020 Si-np/cm3) qui après recuit rapide (1min-1000C) 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.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: SiO2 and Silicon nitride, in monolayer and multilayer (ML) configurations. The advantages of SRSO/SRSN ML over SRSO/SiO2 ML are demonstrated. High density of Si-np (about 1020 Si-np/cm3) and intense emission in visible range are obtained in SRSO/SRSN ML after a short annealing time (1min- 1000C), 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.CAEN-BU Sciences et STAPS (141182103) / SudocSudocFranceF