Monitoring of powder formation via optical emission spectroscopy and self-bias-voltage measurements for high depletion μc-Si:H deposition regimes

Abstract

Microcrystalline silicon fabricated by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) is commonly used as an absorber material in thin-film tandem solar cells. The source gases used in the c-Si:H PECVD process are silane and hydrogen. One way to further increase the production efficiency of solar modules is to increase the gas utilization during deposition of the silicon absorber layer. In this work this is achieved by reducing the hydrogen flow. These deposition conditions are known to promote powder formation in the plasma, which can be detrimental for the solar cell's conversion efficiency as well as for the maintenance of the system. Therefore, an easily applicable approach to determine powder formation in-situ during the PECVD process is presented. Both the self-bias-voltage and the ratio of the optical emissions from SiH* to H ␤ as function of the gas residence time in the plasma is used to determine the onset of powder formation. Furthermore, a clear link between the precursor gas residence time in the plasma to the onset of powder formation is shown independent of the chosen pressure. PACS Nos.: 81.15.-z, 52.27.Lw, 52.70.-m.Résumé : Le silicium microcristallin fabriqué chimiquement en phase vapeur avec traitement laser (PECVD) est couramment utilisé comme matériau absorbant dans des cellules solaires à deux films minces en tandem. Les gaz utilisés comme sources dans le procédé c-Si:H PECVD sont du silane et de l'hydrogène. Une façon d'améliorer le rendement de production des cellules solaires est d'augmenter l'utilisation du gaz pendant le dépôt de la couche absorbante de silicium. Nous atteignons ce but ici en réduisant le flot d'hydrogène. Nous savons que ces conditions de dépôt favorisent la formation de poudre dans le plasma, ce qui peut être mauvais autant pour le rendement de conversion des cellules solaires que pour l'entretien du système. Par conséquent, nous proposons une approche facile pour déterminer in-situ la formation de poudre pendant le procédé PECVD. Nous utilisons à la fois le voltage d'auto-polarisation et le rapport des émissions optiques de SiH* sur H ␤ en fonction du temps de résidence du gaz dans le plasma, afin de déterminer le début de la formation de poudre. De plus, nous montrons que le lien clair entre le temps de résidence du gaz dans le plasma et le début de la formation de poudre est indépendant de la pression choisie. [Traduit par la Rédaction]