Rapid Thermal Processing of Crystalline Silicon Materials and Solar Cells

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Datum
2004
Autor:innen
Peters, Stefan
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Rasches thermisches Prozessieren von kristallinen Siliziummaterialien und Solarzellen
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Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz von RTP (engl. rapid thermal processing) zur Herstellung kristalliner Silizium-Solarzellen. RTP bietet verschiedene Vorteile bei der Herstellung von Silizium-Solarzellen. So bietet RTP bietet Möglichkeit thermischen Prozesse zu untersuchen, die mit der konventionellen Hochtemperaturprozessierung in Quarzrohröfen (CFP, engl. conventional furnace processing) nicht realisiert werden können. So lassen sich Insbesondere steile Aufheiz- und Abkühlrampen mittels CFP aufgrund des Ofendesigns nicht realisieren. Zudem bietet RTP eine hohe Flexibilität, es kann gleichzeitig für verschiedene thermische Prozesse eingesetzt werden. Bezüglich der industriellen Produktion von Solarzellen besteht das Interesse, zeitintensive konventionelle Prozesse durch angepasste schnelle RTP Prozesse zu ersetzen. Dies bietet den Vorteil eines erhöhten Scheibendurchsatzes, geringere Investitionsaufwendungen sowie geringeren Platzverbrauchs in der Produktion aufgrund der kleinen Stellfläche von RTP-Anlagen.
Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird versucht, die propagierte beschleunigte Diffusion von Phosphor in Silizium unter Photon-Bestrahlung zu verifizieren. Dazu wird ein RTP-Ofen verwendet, der zusätzlich zu den Wolfram-Halogen-Lampen auch mit Excimer UV-Lampen ausgerüstet ist.
Im zweiten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass mit Hilfe von RTP qualitativ hochwertige Schichten für Silizium-Solarzellen hergestellt werden können. Zunächst werden extrem flache Phosphor-Emitter hergestellt und charakterisiert. Desweiteren wird RTP zum Aufwachsen von thermischem Siliziumdioxid und zur Legierung einer rückseitigen Al-dotierten Schicht zur Oberflächenpassivierung eingesetzt. Ein Solarzellenprozess mit RTP-Prozessen für Diffusion, Vorder- und Rückseitenpassivierung wird entwickelt.
Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Kompatibilität diverser Siliziummaterialien mit RTP. Insbesondere wird untersucht, ob die Ladungsträgerlebensdauer durch einen RTP-Schritt verbessert, erhalten oder erniedrigt wird. Diese Bewertung wird unter Verwendung hoher Prozesstemperaturen sowie steiler Aufheiz- und Abkühlraten durchgeführt.
Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Abschätzung des Potentials von RTP in der Herstellung von Schichten für Siliziumsolarzellen sowie der Bewertung verschiedener Siliziummaterialien bezüglich ihrer Verträglichkeit mit RTP-Prozessen.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

This thesis deals with rapid thermal processing (RTP) and its application to the fabrication of crystalline silicon solar cells. We investigate in detail the new possibilities offered by RTP, which are at least threefold. First, RTP is a remarkable tool to study almost any conceivable thermal cycle, especially those which cannot be studied with conventional furnace processing in quartz tubes (CFP). Second, it is a versatile tool because the same set-up can be used for several different processes. Third, from the viewpoint of solar cell manufacturing, the idea is to replace lengthy CFP processes with optimized RTP processes.
The thesis starts with an overview of RTP and of the underlying physics of optical processing of crystalline silicon wafers. The advantages of RTP in the production of silicon solar cells are mentioned and compared to the characteristics of processing in conventional quartz tube furnaces. We present the different pieces of RTP equipment used in this work including the new in-line RTP furnace featuring the novel walking string wafer transportation system.
In chapter 2, we try to verify the proposed enhanced diffusion of P in Si under illumination with visible and UV photons. A specially designed RTP reactor is used for these investigations. Several P sources of different chemical composition are tested according to their response to diffusion with and without high-energy photon irradiation. Much effort is invested to avoid all problems concerning temperature measurements in RTP units in order to clearly distinguish between thermal and non-thermal effects.
Chapter 3 presents a systematic study of the RTP formation of different types of layers for crystalline silicon solar cells. We investigate the rapid thermal diffusion (RTD) of phosphorus from spin-on sources with different concentrations for emitter formation. The emitter sheet resistance is studied as a function of plateau time and plateau temperature of a standard process. The emitters are characterized with respect to P and electron profiles, dark saturation current and quantum conversion efficiency. The emitter surface is passivated by growth of thin rapid thermal oxides (RTO). The new in-line RTP furnace is used for the diffusion of extremely shallow P emitters. We assess whether the shallow RTD emitters can be contacted by industrially relevant screen-printing of Ag pastes and firing. In the second section, p-type back surface fields are formed by rapid thermal alloying of evaporated and screen-printed Al layers. They are characterized with respect to surface passivation and internal reflection of light. A high-efficiency RTP process sequence consisting of emitter diffusion, oxide front surface passivation and BSF formation from screen-printed Al is developed. Finally, RTO is used for the passivation of p-type surfaces. We demonstrate that there are fundamental differences in the carrier injection level dependency of the Al-BSF and of the thermal oxide surface passivation.
In chapter 4, various standard Si materials are tested for their compatibility with the RTP processes developed in this work. We investigate whether the high carrier lifetime of monocrystalline Si materials like float-zone (FZ) and Czochralski (Cz) is preserved in the case of RTD emitter formation and RTO surface passivation. Afterwards, different types of multicrystalline Si materials are tested with respect to their response to RTP P diffusion and P-Al co-diffusion: block-cast multicrystalline Si made by Deutsche Solar, ribbon growth on substrate (RGS) made by Bayer AG and edge-defined film-fed growth (EFG) provided by RWE SCHOTT Solar. For all types of Si materials, solar cells are prepared using the RTP layers that have been characterized in the previous chapter. We clearly work out which material is compatible with RTP and which material suffers from lifetime degradation or incomplete gettering. Remarkably, some materials in fact benefit from replacing CFP with RTP processes.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Solarzellen, RTP, solar cells, silicon
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690PETERS, Stefan, 2004. Rapid Thermal Processing of Crystalline Silicon Materials and Solar Cells [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 6, 2004
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