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A-Si:H/c-Si heterojunction solar cells have reached record efficiencies of 24.7%. The passivation of c-Si is the key to achieve a high-efficiency. Indeed, the abrupt discontinuity in the crystal structure at the amorphous/crystal interface induces a high density of dangling bonds creating a high density of defects in the band gap. These defects act as recombination centers for electron-hole pairs photogenerated in c-Si. Several dielectric layers can be used to passivate n-type and p-type wafers: (i) SiO₂ produced by thermal growth, (ii) Al₂O₃ deposited by ALD, (iii) a-SiNₓ:H and a-Si:H deposited by PECVD. The most versatile passivation layer is a-Si: H because it is effective for both p-type and n-type wafers. In addition, this process has a low thermal budget since the deposition is made at 200°C. The drawback of this passivation layer, in particular when p-type doped, is that it does not withstand temperatures above 200°C. However, in order to have a good electrical contact, TCO and metal electrodes require high temperature annealing (between 300°C and 500°C).We implanted Argon ions in solar cell precursors with energies between 1 and 30 keV, which allows to control the depth to which we are creating defects. By varying the fluence between 10¹² Ar.cm⁻² and 10¹⁵ Ar.cm⁻² we control the concentration of defects. We show that implantation with an energy of 5 keV and a fluence of 10¹⁵ Ar.cm⁻² is not sufficient to damage the a-Si:H/c-Si interface. The effective lifetime of the minority charge carriers, measured using a photoconductance technique (decay time of photoconductivity), decreases only from 3 ms to 2.9 ms after implantation. On the other hand the implantations at 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² or at 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² are sufficient to degrade the effective lifetime by more than 85%.Following implantation the solar cells have been annealed in a controlled atmosphere at different temperatures and this up to 420°C. We show that annealing can heal the implantation defects. Moreover, under certain conditions, we obtain lifetimes after implantation and annealing greater than the initial effective lifetime. Combining ion implantation and annealing leads to robust passivation with effective carrier lifetimes above 2 ms even after annealing our solar cell precursors at 380°C. We used a large variety of techniques such as photoconductance, photoluminescence, spectroscopic ellipsometry, Transmission Electron Microscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman spectroscopy and hydrogen exodiffusion to characterize and analyze the physico-chemical phenomena involved in the modification of solar cells precursors. We discuss here several effects such as the increase of the effective lifetime and the temperature robustness by the preservation of hydrogen in amorphous silicon layer and this even after annealing. This hydrogen preservation can be explained by the increase of the number of Si–H bonds in amorphous silicon and the formation of cavities during implantation. In the course of annealing the hydrogen which diffuses is trapped and then released by cavities and dangling bonds, which limits its exodiffusion and makes it available for dangling bonds passivation.; Les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si atteignent un rendement record de 24.7% en laboratoire. La passivation de la surface du c-Si est la clé pour obtenir de hauts rendements. En effet, la brusque discontinuité de la structure cristalline à l'interface amorphe/cristal induit une forte densité de liaisons pendantes créant une grande densité de défauts dans la bande interdite. Ces défauts sont des centres de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées dans le c-Si. Différentes couches diélectriques peuvent être utilisées pour passiver les wafers dopés n et dopés p : (i) le SiO₂ réalisé par croissance thermique, (ii) l’Al₂O₃ déposé par ALD, (iii) le a-SiNₓ:H et l’a-Si:H déposés par PECVD. La couche de passivation la plus polyvalente est a Si:H puisqu’elle peut passiver aussi bien les wafers dopés n que ceux dopés p. De plus sa production est peu coûteuse en énergie car sa croissance est réalisée à une température d’environ 200°C. L’inconvénient de cette couche de passivation est que lorsqu’elle est dopée p elle ne supporte pas des températures supérieures à 200°C, en raison de l’exodiffusion des atomes d’hydrogène qu’elle contient. Cependant, afin d'avoir un bon contact électrique, TCO et électrodes métalliques, il est souhaitable de recuire à plus haute température (entre 300°C et 500°C). Nous avons implanté des ions Argon de façon contrôlée dans des précurseurs de cellules solaires à des énergies comprises entre 1 et 30 keV, pour contrôler la profondeur à laquelle nous créons les défauts. En variant la fluence entre 10¹² Ar.cm⁻² et 10¹⁵ Ar.cm⁻² nous contrôlons la concentration de défauts créés. Nous montrons qu’une implantation à une énergie de 5 keV avec une fluence de 10¹⁵ Ar.cm⁻² n’est pas suffisante pour endommager l’interface a-Si:H/c-Si. La durée de vie effective des porteurs minoritaires mesurée par photoconductance (temps de décroissance de la photoconductivité) passe de 3 ms à 2,9 ms après implantation. En revanche les implantations à 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² ou à 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² sont suffisantes pour dégrader la durée de vie effective de plus de 85%. Suite aux implantations les cellules solaires ont subi des recuits sous atmosphère contrôlée à différentes températures et ce jusqu’à 420°C. Nous avons découvert que le recuit permet de guérir les défauts introduits par l’implantation. Mais surtout, dans certains cas, d’obtenir des durées de vie après implantation et recuit supérieures aux durées de vies initiales. En combinant l’implantation ionique et les recuits, nous conservons de bonnes durées de vies effectives des porteurs de charges (supérieures à 2 ms) même avec des recuits jusqu’à 380°C. Nous avons utilisé une grande variété de techniques telles que la photoconductance, la photoluminescence, l’ellipsométrie spectroscopique, la microscopie électronique en transmission, la Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires, la spectroscopie Raman et l’exodiffusion de l’hydrogène pour caractériser et analyser l’ensemble des résultats et phénomènes physico-chimique intervenant dans la modification des précurseur de cellules solaires. Nous discutons ici de plusieurs effets tels que l’augmentation de la durée de vie et la tenue en température par la conservation de l’hydrogène dans la couche de silicium amorphe et ceci même après les recuits. Cette conservation peut s’expliquer par l’augmentation du nombre de liaisons Si-H au sein du silicium amorphe et par la formation de cavités lors de l’implantation. Durant les recuits l’hydrogène qui diffuse est piégé puis libéré par les cavités et/ou les liaisons pendantes, ce qui limite son exo-diffusion et le rend de nouveau disponible pour la passivation des liaisons pendantes.

In this thesis, disordered arrays of vertical silicon nanowires are used to trap light in PECVD-deposited silicon solar cells. The abrupt surface which they present can absorb light efficiently and be manufactured in the same vacuum run as the other layers of the cell, offering the prospect of dispensing with the additional fabrication steps conventionally required to texture the substrates of thin-film photovoltaics. Drops of liquid tin and indium, designed to catalyze the growth of silicon nanowires, were deposited and rearranged on transparent conducting oxide substrates under vacuum to obtain metal drop configurations with diameters and densities spanning several orders of magnitude. In discussing the suitability of different metals to catalyze the growth of silicon nanowires, we have highlighted distinctions between the behavior of transition and non-transition metals for vapor-liquid-solid growth and studied in particular the case of silicon nanowires catalyzed by tin. Nanowires doped P-type with the appropriate morphology were covered in conformal layers of intrinsic and N-type hydrogenated amorphous silicon, and an indium-tin-oxide electrical contact to produce networks of 107 radial PIN junctions connected over areas of 3.1 mm². Optimizing the fabrication process of these devices has led to open-circuit voltages of 0.8 V and short-circuit currents of 13 mA/cm². The cells are deposited over untextured substrates using techniques which are compatible with a single pump-down process. Their ability to trap light rivals that of established texturing techniques and their performance comes close to that of planar PIN structures.; Cette thèse présente des cellules solaires en silicium deposées par plasma dans lesquelles la lumière est piégée par un réseau désorganisé de nanofils de silicium. Le dépôt sous vide des nanofils permet de contourner les étapes de texturation de substrat typiquement requises pour augmenter le parcours moyen des photons dans les cellules solaires en couches minces classiques. Des gouttes d'étain et d'indium servant à catalyser la croissance de ces nanofils ont été déposées et disposées sous vide sur des substrats d'oxide trasparent conducteur. Des agencements de gouttes métalliques aux diamètres et densités couvrant plusieurs ordres de grandeur ont été obtenus en optimisant les matériaux et les conditions de dépôt utilisés. En comparant l'aptitude de différents métaux à catalyser la croissance de nanofils de silicium, des distinctions majeures ont été établies entre les métaux de transition et Sn, In, Bi, Ga, Pb et Al. Le cas des nanofils de silicium catalysés par des gouttes d'étain a été étudié en profondeur. Des réseaux désorganisés de nanofils dopés de type P ont été recouverts de couches de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque et dopés N, ainsi que d'une couche d'oxide d'ITO pour former des réseaux de 107 jonctions PIN radiales couvrant des surfaces de 3,1 mm². Ces cellules présentent des tensions à circuit ouvert de 0,8 V et des courants de court-circuit de 13 mA/cm² bien qu'elles soient entièrement déposées par des étapes sous vide sur des substrats non texturés.

In this thesis, disordered arrays of vertical silicon nanowires are used to trap light in PECVD-deposited silicon solar cells. The abrupt surface which they present can absorb light efficiently and be manufactured in the same vacuum run as the other layers of the cell, offering the prospect of dispensing with the additional fabrication steps conventionally required to texture the substrates of thin-film photovoltaics. Drops of liquid tin and indium, designed to catalyze the growth of silicon nanowires, were deposited and rearranged on transparent conducting oxide substrates under vacuum to obtain metal drop configurations with diameters and densities spanning several orders of magnitude. In discussing the suitability of different metals to catalyze the growth of silicon nanowires, we have highlighted distinctions between the behavior of transition and non-transition metals for vapor-liquid-solid growth and studied in particular the case of silicon nanowires catalyzed by tin. Nanowires doped P-type with the appropriate morphology were covered in conformal layers of intrinsic and N-type hydrogenated amorphous silicon, and an indium-tin-oxide electrical contact to produce networks of 107 radial PIN junctions connected over areas of 3.1 mm². Optimizing the fabrication process of these devices has led to open-circuit voltages of 0.8 V and short-circuit currents of 13 mA/cm². The cells are deposited over untextured substrates using techniques which are compatible with a single pump-down process. Their ability to trap light rivals that of established texturing techniques and their performance comes close to that of planar PIN structures., Cette thèse présente des cellules solaires en silicium deposées par plasma dans lesquelles la lumière est piégée par un réseau désorganisé de nanofils de silicium. Le dépôt sous vide des nanofils permet de contourner les étapes de texturation de substrat typiquement requises pour augmenter le parcours moyen des photons dans les cellules solaires en couches minces classiques. Des gouttes d'étain et d'indium servant à catalyser la croissance de ces nanofils ont été déposées et disposées sous vide sur des substrats d'oxide trasparent conducteur. Des agencements de gouttes métalliques aux diamètres et densités couvrant plusieurs ordres de grandeur ont été obtenus en optimisant les matériaux et les conditions de dépôt utilisés. En comparant l'aptitude de différents métaux à catalyser la croissance de nanofils de silicium, des distinctions majeures ont été établies entre les métaux de transition et Sn, In, Bi, Ga, Pb et Al. Le cas des nanofils de silicium catalysés par des gouttes d'étain a été étudié en profondeur. Des réseaux désorganisés de nanofils dopés de type P ont été recouverts de couches de silicium amorphe hydrogéné intrinsèque et dopés N, ainsi que d'une couche d'oxide d'ITO pour former des réseaux de 107 jonctions PIN radiales couvrant des surfaces de 3,1 mm². Ces cellules présentent des tensions à circuit ouvert de 0,8 V et des courants de court-circuit de 13 mA/cm² bien qu'elles soient entièrement déposées par des étapes sous vide sur des substrats non texturés.

This work aims to provide knowledge on electrical properties of thin-film transistors(TFTs) based on polymorphous silicon (pm-Si: H), and on polymorphous material structure.We also focused on a new method of crystallization of amorphous silicon layer by laserinterferometry, which has great potential for the development of active matrix flat paneldisplays based on polysilicon.We first identified a lower OFF current in TFTs based on pm-Si: H than inmicrocrystalline silicon (μc-Si: H) TFTs. Our studies have also shown that pm-Si: H TFTs donot present oxygen contamination during the fabrication process, which is a problemencountered in the fabrication of μc-Si:H TFTs. We then studied the threshold voltage shift ofpm-Si:H TFTs under electrical stress. We have found results similar to those observed inamorphous silicon TFTs (a-Si:H), namely, defects creation in the active layer which isresponsible for the threshold voltage shift (ΔVT) for low gate voltage and short times stress,and charge trapping in the gate silicon nitride is responsible for ΔVT for high gate voltage andlong time stress. We also shown that pm-Si:H TFTs are more stable under electrical stressthan a-Si:H TFT.In a second step, the structural analysis of thin films of pm-Si: H revealed the presence ofcrystallites about few nanometers in the polymorphous layer. Similarly, we isolated the X-raydiffraction signal of polymorphous layer and revealed a structural organization at larger rangethan in amorphous silicon layer, which is consistent with the results of electrical stress.Finally, we studied a method of crystallization of a-Si by 4-beams laser interferences. Weobserved a periodic structure of the layer in a face-centered cubic system. TEM observationsshowed that the layer was well crystallized. SEM observations after revelation of grainboundaries showed what appears to be a network of μc-Si seed with a pitch of 652 nm and thepresence of a continued layer of grains and grain boundaries between these seeds., Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes.

In this thesis we have shown that one can synthesize silicon nanocrystals by using square- wave-modulated plasmas in silane-hydrogen gas mixtures. In our experimental conditions, by varying the growth time, we could control the size of silicon nanocrystals (from 4 nm to 12 nm). By measuring the size of the nanocrystals by transmission electron microscopy, we could calculate their radial growth rate. This later is proportional to the silane partial pressure in the gas mixture. By studying two types of plasmas, we have demonstrated the important role of atomic hydrogen for the obtaining of crystallized of nanoparticles. The precise control of size of the silicon nanocrystals has opened two fields of applications: (i) the fabrication of light emitting devices and (ii) the realisation of single electron transistors. For the first type of applications, a preliminary study has shown a blue shift of the photoluminescence peak when decreasing the size of silicon nanocrystals. It has been discussed on the basis of a quantum confinement effect combined with the passivation of the surface of the nanocrystals by a SiOx shell. We elaborated also light emission PIN diodes based on silicon nanocrystals. After the optimization of the PIN structure and of the deposition conditions of the intrinsic layer, we obtained an electroluminescence diode emitting in the range of infrared-visible at room temperature. For the second type of applications, we have studied the injection of charges in the silicon nanocrystals by AFM/KFM. Qualitative observations of injected charges were realized. Quantitative estimation of this charge as well as the effects of doping on the charge of the nanocristals deserves further studies.; Dans cette thèse nous avons montré que l'on peut on peut synthétiser des nanocristaux de silicium en utilisant des plasmas pulsés de silane dilué dans l'hydrogène. Dans nos conditions de dépôt, en changeant le temps de croissance entre 100 msec et 1 seconde, nous avons pu contrôler la taille des nanocristaux (de 4 nm à 12 nm). A partir de la mesure de la taille des nanocristaux sur les images MET, nous avons pu calculer la vitesse de croissance radiale. Cette vitesse est proportionnelle à la pression partielle de silane dans le mélange gazeux. Nous avons également montré le rôle important de l'hydrogène atomique pour le processus de cristallisation des nanoparticules dans le plasma. La maîtrise de la synthèse des nanocristaux de silicium ouvre la voie à deux champs d'applications : (i) la fabrication de diodes électroluminescences et (ii) la réalisation de transistors à un électron. Pour la première application, une étude préalable de photoluminescence a montré un déplacement vers le bleu du pic de photoluminescence lorsque la taille des nanocristaux diminue. Cela est interprété à la fois comme un effet de confinement quantique et de passivation de la surface des nanocristaux par une coquille de SiOx. Nous avons également élaboré des diodes électroluminescence PIN basées sur les nanocristaux de silicium. Après une optimisation de la structure PIN et des conditions de dépôt de la couche intrinsèque, nous avons obtenu une électroluminescence dans la gamme infrarouge-visible à température ambiante. En vue de l'application aux transistors, nous avons fait des expériences préalables d'injection de charge dans les nanocristaux par AFM/KFM. L'observation qualitative des charges injectées a été réalisée. L'estimation quantitative de ces charges ainsi que l'étude de charges résiduelles dans des nanocristaux dopés est un domaine qui mérite d'être exploré dans l'avenir.

In this thesis we have shown that one can synthesize silicon nanocrystals by using square- wave-modulated plasmas in silane-hydrogen gas mixtures. In our experimental conditions, by varying the growth time, we could control the size of silicon nanocrystals (from 4 nm to 12 nm). By measuring the size of the nanocrystals by transmission electron microscopy, we could calculate their radial growth rate. This later is proportional to the silane partial pressure in the gas mixture. By studying two types of plasmas, we have demonstrated the important role of atomic hydrogen for the obtaining of crystallized of nanoparticles. The precise control of size of the silicon nanocrystals has opened two fields of applications: (i) the fabrication of light emitting devices and (ii) the realisation of single electron transistors. For the first type of applications, a preliminary study has shown a blue shift of the photoluminescence peak when decreasing the size of silicon nanocrystals. It has been discussed on the basis of a quantum confinement effect combined with the passivation of the surface of the nanocrystals by a SiOx shell. We elaborated also light emission PIN diodes based on silicon nanocrystals. After the optimization of the PIN structure and of the deposition conditions of the intrinsic layer, we obtained an electroluminescence diode emitting in the range of infrared-visible at room temperature. For the second type of applications, we have studied the injection of charges in the silicon nanocrystals by AFM/KFM. Qualitative observations of injected charges were realized. Quantitative estimation of this charge as well as the effects of doping on the charge of the nanocristals deserves further studies., Dans cette thèse nous avons montré que l'on peut on peut synthétiser des nanocristaux de silicium en utilisant des plasmas pulsés de silane dilué dans l'hydrogène. Dans nos conditions de dépôt, en changeant le temps de croissance entre 100 msec et 1 seconde, nous avons pu contrôler la taille des nanocristaux (de 4 nm à 12 nm). A partir de la mesure de la taille des nanocristaux sur les images MET, nous avons pu calculer la vitesse de croissance radiale. Cette vitesse est proportionnelle à la pression partielle de silane dans le mélange gazeux. Nous avons également montré le rôle important de l'hydrogène atomique pour le processus de cristallisation des nanoparticules dans le plasma. La maîtrise de la synthèse des nanocristaux de silicium ouvre la voie à deux champs d'applications : (i) la fabrication de diodes électroluminescences et (ii) la réalisation de transistors à un électron. Pour la première application, une étude préalable de photoluminescence a montré un déplacement vers le bleu du pic de photoluminescence lorsque la taille des nanocristaux diminue. Cela est interprété à la fois comme un effet de confinement quantique et de passivation de la surface des nanocristaux par une coquille de SiOx. Nous avons également élaboré des diodes électroluminescence PIN basées sur les nanocristaux de silicium. Après une optimisation de la structure PIN et des conditions de dépôt de la couche intrinsèque, nous avons obtenu une électroluminescence dans la gamme infrarouge-visible à température ambiante. En vue de l'application aux transistors, nous avons fait des expériences préalables d'injection de charge dans les nanocristaux par AFM/KFM. L'observation qualitative des charges injectées a été réalisée. L'estimation quantitative de ces charges ainsi que l'étude de charges résiduelles dans des nanocristaux dopés est un domaine qui mérite d'être exploré dans l'avenir.