Le film mince de Si monocristallin s'est décollé à l'aide d'un ruban adhésif. Crédit: CrystEngComm
Une équipe de recherche de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) et de l'Université Waseda ont réussi à produire du silicium monocristallin à couche mince de haute qualité avec une densité de défauts cristallins réduite jusqu'au niveau de la plaquette de silicium à un taux de croissance qui est plus de 10 fois plus élevé qu'auparavant . En principe, cette méthode peut améliorer le rendement des matières premières à près de 100 pour cent. Par conséquent, on peut s'attendre à ce que cette technologie permette de réduire drastiquement les coûts de fabrication tout en maintenant le rendement de production d'énergie des cellules solaires en silicium monocristallin, qui sont utilisés dans la plupart des cellules solaires à haut rendement.
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En outre, comme méthode de réduction des coûts de fabrication, Les cellules solaires en Si monocristallin à couche mince qui utilisent une double couche de silicium poreux (DPSL) via lift-off attirent l'attention. Parmi les défis techniques liés aux cellules solaires en Si monocristallin utilisant le lift-off figurent (1) la formation d'un film mince de Si de haute qualité au niveau de la plaquette de Si, (2) obtenir une structure poreuse qui peut être facilement soulevée (décollée), (3) améliorer le taux de croissance et le rendement en matière première Si (les coûts d'équipement nécessaires sont déterminés par le taux de croissance), et (4) être capable d'utiliser le substrat après le décollage sans aucun gaspillage.
Afin de surmonter le défi (1), il était nécessaire de clarifier les principaux facteurs qui déterminent la qualité des cristaux en couches minces cultivés sur du silicium poreux, et de développer une technique pour les contrôler.
Une équipe de recherche conjointe composée du professeur Manabu Ihara et du professeur assistant Kei Hasegawa du Tokyo Tech, et le professeur Suguru Noda de l'Université Waseda ont développé un silicium monocristallin à couche mince de haute qualité avec une épaisseur d'environ 10 m et une densité de défauts cristallins réduite jusqu'au niveau de la plaquette de silicium à un taux de croissance qui est plus de 10 fois plus élevé qu'auparavant. D'abord, du silicium poreux à double couche d'ordre nanométrique est généré à la surface d'une plaquette monocristalline à l'aide d'une technique électrochimique. Prochain, la surface a été lissée à une rugosité de 0,2 à 0,3 nm via une méthode unique de recristallisation par chauffage de zone (méthode ZHR), et ce substrat a été utilisé pour une croissance à grande vitesse afin d'obtenir un film mince monocristallin avec une qualité cristalline élevée. Le film développé peut être facilement décollé à l'aide de la couche de Si poreuse à double couche, et le substrat peut être réutilisé ou utilisé comme source d'évaporation pour la croissance de films minces, ce qui réduit considérablement les pertes de matière. Lorsque la rugosité de surface du substrat sous-jacent est réduite en modifiant les conditions de la méthode ZHR, la densité de défauts du cristal en couche mince qui s'est développé a diminué, et l'équipe a finalement réussi à le réduire au niveau de la plaquette Si d'environ 1/10e. Ceci montre quantitativement qu'une rugosité de surface de l'ordre de 0,1-0,2 nm seulement (niveau d'atomes à plusieurs dizaines de couches) a un impact important sur la formation de défauts cristallins, qui présente également un intérêt en tant que mécanisme de croissance cristalline.
Le taux de formation du film et le taux de conversion de la source de Si en Si en film mince sont des goulots d'étranglement dans la production de Si monocristallin en film mince. Avec dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui est principalement utilisé pour l'épitaxie, la vitesse maximale de formation de film est de quelques µm/h et le rendement est d'environ 10 %. Au Laboratoire Noda de l'Université de Waseda, au lieu du dépôt physique régulier en phase vapeur (PVD) où le Si brut est vaporisé aux alentours de son point de fusion de 1414 ?C, en vaporisant le Si brut à une température beaucoup plus élevée de> 2000 degrés C, une méthode d'évaporation rapide (RVD) a été développée avec une pression de vapeur de Si élevée capable de déposer du Si à 10 µm/min. Les chercheurs ont découvert que la technologie ZHR résout les problèmes techniques et réduit considérablement le coût de fabrication du processus de décollage.
Sur la base des résultats de cette étude, non seulement l'équipe a découvert les principaux facteurs d'amélioration de la qualité des cristaux lors d'une croissance rapide sur du silicium poreux utilisé pour le processus de lift-off, ils ont réussi à les contrôler. Les résultats sont publiés dans le journal de la Royal Society of Chemistry (RSC) CrystEngComm et figurera sur la couverture intérieure du numéro.
