Le silicium amorphe (a-Si) est la forme non cristalline du silicium utilisée pour les cellules solaires et les transistors à couches minces dans les écrans LCD.
Utilisé comme matériau semi-conducteur pour les cellules solaires a-Si ou les cellules solaires au silicium à couche mince, il est déposé en couches minces sur une variété de substrats flexibles, tels que le verre, le métal et le plastique. Les cellules de silicium amorphe présentent généralement une faible efficacité, mais constituent l’une des technologies photovoltaïques les plus respectueuses de l’environnement, car elles n’utilisent pas de métaux lourds toxiques tels que le cadmium ou le plomb.
En tant que technologie de cellules solaires à couches minces de deuxième génération, le silicium amorphe était appelé à devenir un contributeur majeur sur le marché photovoltaïque mondial en croissance rapide, mais a perdu de son importance en raison de la forte concurrence des cellules de silicium cristallin conventionnelles et autres les technologies cinématographiques telles que CdTe et CIGS.
Le silicium amorphe diffère des autres variations allotropiques, telles que le silicium monocristallin – un monocristal et le silicium polycristallin, constitué de petits grains, également appelés cristallites.
La description
Le silicium est un atome coordonné quadruple normalement lié à quatre atomes de silicium voisins.Dans le silicium cristallin (c-Si), cette structure tétraédrique se poursuit sur une large plage, formant ainsi un réseau cristallin bien ordonné.
Dans le silicium amorphe, cet ordre à long terme n’est pas présent. Les atomes forment plutôt un réseau aléatoire continu. De plus, tous les atomes dans le silicium amorphe ne sont pas tous coordonnés. En raison de la nature désordonnée de la matière, certains atomes ont un lien suspendu. Physiquement, ces liaisons pendantes représentent des défauts dans le réseau aléatoire continu et peuvent provoquer un comportement électrique anormal.
Le matériau peut être passivé par l’hydrogène, qui se lie aux liaisons pendantes et peut réduire la densité des liaisons pendantes de plusieurs ordres de grandeur. Le silicium amorphe hydrogéné (a-Si: H) présente une quantité de défauts suffisamment faible pour être utilisée dans des dispositifs tels que les cellules photovoltaïques solaires, en particulier dans le régime de croissance protocrystallin. Cependant, l’hydrogénation est associée à la dégradation du matériau induite par la lumière, appelée effet Staebler – Wronski.
Silicium amorphe et carbone
Les alliages amorphes de silicium et de carbone (carbure de silicium amorphe, également hydrogéné, a-Si1-xCx: H) sont une variante intéressante. L’introduction d’atomes de carbone ajoute des degrés de liberté supplémentaires pour le contrôle des propriétés du matériau. Le film pourrait également être rendu transparent à la lumière visible.
L’augmentation de la concentration de carbone dans l’alliage élargit le fossé électronique entre les bandes de conduction et de valence (également appelé «espace optique» et bande interdite). Cela peut potentiellement augmenter l’efficacité lumineuse des cellules solaires réalisées avec des couches de carbure de silicium amorphe. D’autre part, les propriétés électroniques en tant que semi-conducteur (principalement la mobilité des électrons) sont affectées par la teneur croissante en carbone de l’alliage, due au désordre accru du réseau atomique.
Plusieurs études ont été trouvées dans la littérature scientifique, examinant principalement les effets des paramètres de dépôt sur la qualité électronique, mais les applications pratiques du carbure de silicium amorphe dans les dispositifs commerciaux font encore défaut.
Propriétés
La densité de Si amorphe a été calculée comme suit: 4,90 x 1022 atomes / cm3 (2,285 g / cm3) à 300 K. Ceci a été effectué en utilisant des bandes minces (5 microns) de silicium amorphe. Cette densité est de 1,8 ± 0,1% moins dense que le Si cristallin à 300 K. Le silicium est l’un des rares éléments qui se dilate lors du refroidissement et a une densité plus faible en tant que solide que sous forme liquide.
Silicium amorphe hydrogéné
Le a-Si non hydrogéné a une densité de défauts très élevée qui conduit à des propriétés de semi-conducteurs indésirables telles qu’une photoconductivité médiocre et empêche le dopage qui est critique pour les propriétés des semi-conducteurs d’ingénierie. En introduisant de l’hydrogène lors de la fabrication du silicium amorphe, la photoconductivité est considérablement améliorée et le dopage est rendu possible. Le silicium amorphe hydrogéné, a-Si: H, a été fabriqué pour la première fois en 1969 par Chittick, Alexander et Sterling par dépôt à l’aide d’un précurseur de gaz de silane (SiH4).Le matériau résultant présentait une densité de défauts inférieure et une conductivité accrue en raison des impuretés. L’intérêt pour a-Si: H est apparu quand (en 1975), LeComber et Spear ont découvert la capacité de dopage substitutionnel de a-Si: H en utilisant la phosphine (type n) ou le diborane (type p). Le groupe de Paul à Harvard a vérifié le rôle de l’hydrogène dans la réduction des défauts en constatant qu’une concentration d’hydrogène d’environ 10% atomiques grâce à la vibration IR, qui pour les liaisons Si-H a une fréquence d’environ 2000 cm-1. À partir des années 1970, l’a-Si: H a été mis au point dans les cellules solaires par RCA, dont l’efficacité n’a cessé d’augmenter jusqu’à environ 13,6% en 2015.
| CVD | PECVD | CVD catalytique | La pulvérisation | |
|---|---|---|---|---|
| Type de film | a-Si: H | a-Si: H | a-Si: H | a-Si |
| Application unique | Electronique grande surface | Dépôt sans hydrogène | ||
| Température de la chambre | 600C | 30–300C | 30-1000C | |
| Température de l’élément actif | 2000C | |||
| Pression de la chambre | 0.1-10 Torr | 0.1-10 Torr | 0,001–0,1 Torr | |
| Principe physique | La thermolyse | Dissociation induite par le plasma | La thermolyse | Ionisation de la source de Si |
| Facilitateurs | W / Ta fils chauffés | Cations d’argon | ||
| Tension de commande typique | RF 13,56 MHz; 0,01-1W / cm 2 | |||
| Source Si | SiH 4 gaz | SiH 4 gaz | SiH 4 gaz | creuset |
| Température du substrat | contrôlable | contrôlable | contrôlable | contrôlable |
Applications
Alors que l’a-Si souffre d’une performance électronique inférieure à celle du c-Si, ses applications sont beaucoup plus flexibles. Par exemple, les couches de a-Si peuvent être rendues plus minces que le c-Si, ce qui peut produire des économies sur le coût du matériau de silicium.
Un autre avantage est que l’a-Si peut être déposé à des températures très basses, par exemple aussi faibles que 75 degrés Celsius. Cela permet le dépôt non seulement sur le verre, mais aussi sur le plastique, ce qui en fait un candidat pour une technique de traitement en rouleau à rouleau. Une fois déposé, le a-Si peut être dopé d’une manière similaire à celle du c-Si, pour former des couches de type p ou de type n et finalement former des dispositifs électroniques.
Un autre avantage est que l’a-Si peut être déposé sur de grandes surfaces par PECVD. La conception du système PECVD a un impact considérable sur les coûts de production de tels panneaux. Par conséquent, la plupart des équipementiers se concentrent sur la conception de PECVD pour un débit plus élevé, ce qui réduit les coûts de fabrication, en particulier lorsque le silane est recyclé.
Des réseaux de petites photodiodes a-Si (moins de 1 mm par 1 mm) sur verre sont utilisés comme capteurs d’image en lumière visible dans certains détecteurs à écran plat pour la radioscopie et la radiographie.
Photovoltaïque
Le silicium amorphe (a-Si) a été utilisé comme matériau de cellule solaire photovoltaïque pour des appareils nécessitant très peu d’énergie, tels que les calculatrices de poche, car leurs performances inférieures à celles des cellules solaires au silicium cristallin leur coût de dépôt simplifié et inférieur sur un substrat. Les premières calculatrices à énergie solaire étaient déjà disponibles à la fin des années 1970, telles que le Royal Solar 1, le Sharp EL-8026 et le Teal Photon.
Plus récemment, les améliorations apportées aux techniques de construction a-Si les ont rendues plus attrayantes pour l’utilisation de cellules solaires à grande surface. Leur plus faible efficacité intrinsèque est constituée, au moins en partie, par leur faible épaisseur – des rendements plus élevés peuvent être obtenus en empilant plusieurs cellules en couches minces les unes sur les autres, chacune étant conçue pour bien fonctionner à une fréquence de lumière spécifique. Cette approche ne s’applique pas aux cellules c-Si, qui sont épaisses en raison de leur bande interdite indirecte et sont donc largement opaques, empêchant la lumière d’atteindre d’autres couches dans une pile.
La faible efficacité du photovoltaïque au silicium amorphe est due en grande partie à la faible mobilité des trous dans le matériau. Cette faible mobilité des trous a été attribuée à de nombreux aspects physiques du matériau, notamment la présence de liaisons pendantes (silicium avec 3 liaisons), des liaisons flottantes (silicium à 5 liaisons), ainsi que des reconfigurations de liaisons. Bien que beaucoup de travail ait été fait pour contrôler ces sources de faible mobilité, des preuves suggèrent que la multitude de défauts en interaction peut conduire à une mobilité intrinsèquement limitée, car la réduction d’un type de défaut entraîne la formation d’autres.
Le principal avantage de l’a-Si dans la production à grande échelle n’est pas l’efficacité, mais le coût.Les cellules a-Si n’utilisent qu’une fraction du silicium nécessaire aux cellules c-Si typiques, et le coût du silicium a historiquement contribué de manière significative au coût des cellules. Cependant, les coûts de fabrication plus élevés dus à la construction multicouche ont, à ce jour, rendu l’a-Si peu attrayant, sauf dans des rôles où leur finesse ou leur flexibilité sont un avantage.
Typiquement, les cellules en couches minces de silicium amorphe utilisent une structure en épingle.Le placement de la couche de type p sur le dessus est également dû à la mobilité du trou inférieur, permettant aux trous de parcourir une distance moyenne plus courte pour la collecte au contact supérieur. La structure de panneau typique comprend la vitre avant, le TCO, le silicium à couche mince, le contact arrière, le polyvinylbutyral (PVB) et la vitre arrière. Uni-Solar, une division d’Energy Conversion Devices, a produit une version de supports souples, utilisés dans les produits de couverture roulants. Cependant, le plus grand fabricant mondial de cellules photovoltaïques en silicium amorphe a dû faire faillite en 2012, car il ne pouvait pas rivaliser avec la baisse rapide des prix des panneaux solaires conventionnels.
Silicium microcristallin et micromorphe
Le silicium microcristallin (également appelé silicium nanocristallin) est un silicium amorphe, mais contient également de petits cristaux. Il absorbe un spectre de lumière plus large et est flexible. La technologie des modules en silicium micromorphe combine deux types différents de silicium, de silicium amorphe et microcristallin, dans une cellule photovoltaïque supérieure et inférieure. Sharp produit des cellules en utilisant ce système afin de capturer plus efficacement la lumière bleue, ce qui augmente l’efficacité des cellules pendant la période où il n’y a pas de lumière directe du soleil sur elles. Le silicium protocrystallin est souvent utilisé pour optimiser la tension en circuit ouvert du photovoltaïque a-Si.
Production à grande échelle
Xunlight Corporation, qui a reçu plus de 40 millions de dollars d’investissements institutionnels, a achevé l’installation de son premier équipement de fabrication photovoltaïque large bande à rouleau de 25 MW pour la production de modules photovoltaïques en silicium en couches minces. Anwell Technologies a également terminé l’installation de sa première usine de fabrication de panneaux solaires à couche mince a-Si de 40 MW à Henan avec son équipement PECVD multi-substrats multi-chambres conçu en interne.
Capteurs solaires photovoltaïques hybrides thermiques
Les capteurs solaires photovoltaïques hybrides (PVT) sont des systèmes qui convertissent le rayonnement solaire en énergie électrique et thermique. Ces systèmes combinent une cellule solaire, qui convertit le rayonnement électromagnétique (photons) en électricité, avec un capteur solaire thermique, qui capture l’énergie restante et élimine la chaleur perdue du module solaire photovoltaïque. Les cellules solaires souffrent d’une baisse d’efficacité avec l’élévation de température due à une résistance accrue. La plupart de ces systèmes peuvent être conçus pour éloigner la chaleur des cellules solaires, refroidissant ainsi les cellules et améliorant ainsi leur efficacité en réduisant la résistance. Bien que cette méthode soit efficace, elle entraîne une sous-performance du composant thermique par rapport à un capteur solaire thermique. Des recherches récentes ont montré que le PV a-Si: H avec de faibles coefficients de température permettait de faire fonctionner le PVT à haute température, créant un système PVT plus symbiotique et améliorant les performances de la PV a-Si: H d’environ 10%.
Afficheur à cristaux liquides à transistors minces
Le silicium amorphe est devenu le matériau de choix pour la couche active des transistors à couches minces (TFT), qui sont les plus utilisés dans les applications électroniques à grande échelle, principalement pour les écrans à cristaux liquides (LCD).
L’affichage à cristaux liquides à transistors à film mince (TFT-LCD) montre un processus de configuration de circuit similaire à celui des produits semi-conducteurs. Cependant, plutôt que de fabriquer les transistors à partir de silicium, qui est formé en une plaquette de silicium cristallin, ils sont fabriqués à partir d’un film mince de silicium amorphe déposé sur un panneau de verre. La couche de silicium pour les écrans LCD TFT est généralement déposée à l’aide du processus PECVD. Les transistors n’occupent qu’une petite fraction de la surface de chaque pixel et le reste du film de silicium est éliminé par gravure pour permettre à la lumière de le traverser facilement.
Le silicium polycristallin est parfois utilisé dans les écrans nécessitant des performances TFT plus élevées. Les exemples incluent de petits affichages haute résolution tels que ceux que l’on trouve dans les projecteurs ou les viseurs. Les TFT à base de silicium amorphe sont de loin les plus courants, en raison de leur faible coût de production, tandis que les TFT à base de silicium polycristallin sont plus coûteux et beaucoup plus difficiles à produire.