Study of electronic conduction mecanisms at low temperature for the measurement of the dopant content in photovoltaic silicon
Etude des mécanismes de conduction électrique à basse température pour la mesure des teneurs en dopants dans le silicium photovoltaïque
Résumé
This study aims both at developing alternative characterization techniques for the determination of dopant concentrations in compensated silicon, and at improving the understanding of the effect of compensation on transport mechanisms at the nanometer scale. To do so, the different electrical conduction mechanisms occurring in compensated silicon, and more precisely the influence of dopant concentration on the latter, are studied in details in the temperature range [15K-350K] thanks to an Hall effect device. A first step consisted in enriching the theoretical models used to describe the variation of charge carrier density with temperature. It lead to an optimization of an existing characterization technique based on the fitting of those models to the experimental data measured by Hall Effect. A second step consisted in studying the possibility to use hopping conduction mechanisms to quantify dopant densities, via the preparation of model samples with a controlled compensation ratio. The results allowed to construct three innovating techniques based on resistivity measurements with temperature. The latter have then been used to characterize industrial materials (one ingot originating from recycled photovoltaic cells, and one ingot coming from the purification of metallurgical grade silicon). The results have then been compared to usual characterization techniques. Finally, Monte-Carlo type simulations of the spatial distribution of the electrical potential in silicon, allowed to clarify the influence of compensation on the electrostatic disorder in the material, and particularly on the charge carrier mobility.
L’objectif de ces travaux de thèse est double : développer des méthodes de caractérisation alternatives des teneurs en dopants dans le silicium compensé, et améliorer la compréhension de l’influence à l’échelle nanométrique de la compensation du dopage sur les mécanismes de transport. Pour cela, les différents mécanismes de conduction électrique à l’œuvre dans le silicium compensé, et plus précisément l’influence des teneurs en dopants sur ceux-ci, ont été étudiés en détail dans la gamme de température [15K-350K] à partir d’un dispositif à effet Hall. Un premier travail a consisté à enrichir les modèles théoriques utilisés pour décrire la variation avec la température de la densité de porteurs libres, et a permis d’optimiser une méthode de caractérisation préexistante basée sur l’ajustement de ces modèles aux données expérimentales mesurées par effet Hall. Un second volet a consisté à étudier la possibilité d’utiliser le phénomène de conduction électrique par « hopping » pour la quantification des teneurs en dopants, via la préparation d’échantillons d’étude à degrés de compensation contrôlés. Fort des résultats obtenus, trois techniques inédites basées sur la mesure de résistivité en température ont ainsi été proposées. Celles-ci ont ensuite été utilisées pour la caractérisation de matériaux issus de procédés industriels (lingot issu du recyclage de cellules photovoltaïques d’une part, et lingot issu de la purification bas coût de Si métallurgique d’autre part). Les résultats ont ensuite été confrontés aux techniques de caractérisation usuelles. Enfin, des simulations (de type Monte-Carlo) de la répartition spatial du potentiel électrique dans le matériau ont permis de préciser l’influence de la compensation sur le désordre électrostatique dans le matériau, et notamment sur la mobilité des porteurs de charge.
Origine : Version validée par le jury (STAR)