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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-11188
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1118/


Lee, Ji Youn

Rapid thermal processing of silicon solar cells-passivation and diffusion

Rasches thermisches Prozessieren von Siliciumsolarzellen-Passivierung und Diffusion

Dokument1.pdf (3.447 KB) (md5sum: 9127f1796aa23305b48314f8be16f209)

Kurzfassung in Deutsch

Diese Doktorarbeit konzentriert sich auf der Entwicklung eines optimierten Solarzellen-prozesses für Czochralski(Cz) Siliciummaterialien, auf die Charakterisierung der Oberflächenpassiveierung und auf die Diffusion mittels eines raschen thermischen Prozess (RTP).
Bordotierte Cz-Siliciummaterialen werden in großen Teilen der Produktion von Solarzellen verwendet. Allerdings nimmt in diesem Material der für den Wirkungsgrad dominierende Parameter Ladungsträgerlebensdauer durch Beleuchtung ab. Die ursprüngliche Lebensdauer kann durch eine Temperung bei Temperaturen oberhalb von 200 °C vollständig zurückgewonnen werden. Der zugrundliegende metastabile Effekt ist typisch für alle sauerstoffverunreinigte Materialen wie Cz-Silicium. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Lebensdauer durch einen auf Cz-Si optimierten Hochtemperaturprozess mittels RTP erhöht werden kann. Dabei hatte die Prozesstemperatur den stärksten Einfluss auf die stabilisierte Lebensdauer. Der optimierte Prozess dauert nur 120 s bei 900 °C und die stabilisierte Lebensdauer steigt dabei um einen Faktor von 2. Außerdem wurde der Einfluss von zwei aufeinanderfolgenden Hochtemperaturschritten auf die Lebensdauer untersucht. Es wurde gezeigt, dass der letzte Hochtemperaturschritt den Haupteinfluss auf die Lebensdauer hat.
Im Zweiten Teil der Arbeit wurde die Eigenschaften von verschiedenen einzelnen und doppelten Passivierungsschichten auf p-typ Wafern und auf Phosphor-dotierten Emitter untersucht. Die drei unterschiedlichen Oberflächenpassivierungsmethoden waren CTO (klassische thermische Oxidation), RTO (rasche thermische Oxidation) und SiNx mittels PECVD. SiO2–Schichten mittels RTO und CTO passivierten die Emitteroberfläche 2-3mal besser als reine p-typ Siliciumoberflächen. Dagegen passivierte SiNx–Schichten die reine p-typ Oberfläche besser als die Emitteroberfläche. Eine ausgezeichnete Lebensdauer auf 1 W cm FZ-Silicium von über 1000 µs konnte mit Doppelschichten (RTO/SiNx und CTO/SiNx) erreicht werden. Zusätzlich weist das RTO/SiNx Schichtsystem eine niedrige optische Reflektion von 13 % auf plane Oberfläche auf. Die Eifung dieser kosteffektiven Oberflächenpassivierung (RTO/SiNx) wurde auch im Einsatz in Solarzellen untersucht. Eine hervorragende Leerlaufspannung (Voc) von 675.6 mV, eine hohe Kurzschlussstromdichte (Jsc) von 35.1 mA/cm2 und ein Wirkungsgrad von 18.5 % wurden auf untexturierten FZ-Solarzellen erreicht.
Im letzten Teil der Arbeit wurde eine preiswerte Diffusionstechnik, die sogenannten spin-on-Technik mit flüssigen Dotierlösungen mittels RTP-Diffusion untersucht. Unterschiedliche Phosphor- und Bor-Dotierlösungen wurden benützt. RTP-Diffusionen von Phosphor wurden für eine Prozesszeit zwischen 5 und 80 s bei einer Prozesstemperatur von 850 und 1050 °C durchgeführt. Schichtwiderstände von 40-100 W/¨ konnte innerhalb einiger Minuten leicht erreicht werden. Die Profil-Messung zeigte hohe Oberflächekonzentrationen (Ns>1020 cm-3) und eine kleine Eindringtiefe xj von 0.2-0.4 µm. RTP-Diffusion von Bor wurde für eine Prozesszeit 60-80 s bei einer Prozesstemperatur von 100-1100 °C durchgeführt. Eine Eindringtiefe xj von über 0.5 µm und eine Oberflächekonzentration Ns von 1020 cm-3 wurde bei einer Prozesszeit für 120 s bei 1100 °C erreicht. Mittels einer Computer-Simulation wurde gezeigt, dass mit diesem Bor-BSF Leeraufspannungen Voc von 630 mV realisierbar sind. Schließlich wurde die Untersuchte Phosphor-Dotierlösung als Emitter und die Bor-Dotierlösung als BSF verwendet und die Eigenschaften der so hergestellten RTP-Solarzellen untersucht.


Kurzfassung in Englisch

This thesis focused on the development of an optimized process for Czochralski (Cz) silicon materials and on the characterization of surface passivation using rapid thermal processing (RTP). Cost-effective diffusion using spin-on dopants for silicon solar cells was also investigated.
Boron-doped Cz silicon material is used widely in the production of photovoltaic cells. A major issue of this material is a metastable defect which degrades the minority-carrier lifetime after illumination or carrier injection and can be annealed at low temperature around 200 °C. It has been demonstrated in this work that the stabilized lifetime of Cz-Si materials after degradation by illumination can be enhanced by high-temperature process using RTP. The plateau temperature has a strong influence on the stabilized lifetime. The resulting optimized processing temperature was approximately 900 °C for a process time of 120 s and yielded to an enhancement of the stabilized lifetime by a factor of 2. The influence of two subsequent high-temperature steps on the stabilized lifetime has been investigated. It was shown that the last high-temperature step has a major influence on the stabilized lifetime.
In the second part, the surface recombination properties of various single and double layers on pure p-type and phosphorus doped emitters have been systematically studied. The three different single surface passivation technologies investigated in this thesis were CTO (classical thermal oxidation), RTO (rapid thermal oxidation), SiNx layers deposited by PECVD, and double stack layers SiO2/SiNx combining these technologies. SiO2 layers formed by either CTO or RTO passivate the emitter surface 2-3 times better than an undiffused p-type silicon surface. In contrast, SiNx layers deposited by PECVD passivate the undiffused p-type silicon 2-3 times better than an emitter surface. On the other hand, SiO2/SiNx stacks showed excellent surface passivation not only on p-type silicon, but also on emitters. An excellent surface lifetime of over 1000 µs can be obtained by both RTO/SiNx and CTO/SiNx on the pure p-type Si. In addition, RTO/SiNx stack shows a low weighted reflectivity of only 13 % on a planar surface. Cost-effective surface passivation by RTO/SiNx stacks has been investigated on planar and textured passivated emitter and rear cells (PERC). With RTO/SiNx stacks very high open-circuit voltages (Voc) of 675.6 mV, high short circuit currents (Jsc) of 35.1 mA/cm2 and an efficiency of 18.5 % were obtained on planar solar cells
Thirdly, a low-cost diffusion technique using spin-on dopants (SODs) by RTP has been investigated. In this work three different phosphorus SODs, four different pure boron SODs, and mixed B/Al and Al/Ga SODs were used. Rapid thermal diffusion (RTD) of phosphorus was performed in the temperature range of 850-1025 °C for 5-80 s. Sheet resistivities of 40-100 W/¨ could easily be obtained within a few minutes. The surface concentrations varied between 1-6´1020 cm-3 and junction depths of the phosphorus diffusion profiles were 0.2-0.4 µm. RTP-diffusions using boron and mixed p-type SODs were carried out at process temperatures of 1000-1100 °C for 60-180 s. A junction depth deeper than 0.5 µm with an active doping concentration of 1020 cm3 can be formed within short process times of about 2 min at a process temperature of 1100 °C. The resulting boron-BSF has the potential for a high Voc of 630 mV. Finally, phosphorus SODs for emitter and boron SODs for BSF were used to fabricate solar cells. The spectral response, the I-V characteristics, and the other cell parameters of fabricated RTP solar cells were investigated.


SWD-Schlagwörter: Rapid thermal processing , Solarzelle , Passivierung , Diffusion , Siliciumdioxid , Siliciumnitrid , Siliciumoxinitride , Lebensdauer
Freie Schlagwörter (englisch): SOD(s) , Cz-Specific defect
PACS Klassifikation Solar cell , Diffusion , Passivatio , Silicon , doping and
Institut: Sonstige Einrichtung
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wettling, Wolfram (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.10.2003
Erstellungsjahr: 2003
Publikationsdatum: 17.12.2003
Bemerkung: Meine Doktorarbeit habe ich am Fraunhofer Institut für Solare Energysysteme gemacht.
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