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Characterization of Structured Doping Areas Diffused from Doped CVD Layers on Crystalline Si Substrates

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Masterarbeit/Diplomarbeit
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Zusammenfassung

Due to the special cell design, BC-BJ solar cells require adapted characterization methods, in particular to investigate the junction of the highly doped regions on the cell's rear. The focus of this Master Thesis was the development and implementation of a method to characterize single pn-junctions, which are located on the back of a BC-BJ solar cell. To achieve this objective, an simple process flow was developed to produce suiting samples with a single illuminated pn-junction and two TLM fields. For this purpose, the development of a precise alignment method was essential, which allows alignment with an accuracy of ~20 micrometer. All local processing steps are aligned directly or indirectly with the initially produced pn-junction. This applies to the contact openings, the metallization, and even the illumination mask, which is positioned on the front of the sample during the illuminated J-V curve measurement.
Simulations conducted with Sentaurus Synopsis show, that the characterization method can distinguish samples with and without intrinsic gap region between the highly doped regions on the back of the cell, if this region is not defect free. A difference in the fill factor of 1.9 % between samples with and without the intrinsic gap is expected for the 'zebra structure', without consideration of tunnel recombination, which would further increase this difference. Furthermore, a comparison was made between the simulations programs Sentaurus Synopsis and Quokka, and differences were presented. In the parameter range of a highly efficient IBC solar cells, there is only a small error for the J-V characteristic quantities. In a more detailed investigation with the FELA, differences in the resistance loss at the BSF contact were found, which indicate that this loss channel is differently implemented into the two simulation programs. Due to the general consistency of the simulation results, Quokka was used as a simulation program to illustrate the influence of certain experimental parameters in the analysis.
The difficulties encountered in the preparation of samples with a single pn-junction and the results obtained, were presented in the context of the individual process steps. In particular, the local removal of dielectric layers was discussed. This layer removal is relevant for the creation of the pn-junction, which is formed in a single diffusion process from borosilicate glass and POCl3 gas, but also for the opening of the contact surfaces. The local removal of dielectric layers by means of photolithography and laser ablation (ns and ps pulsed lasers) was carried out, analyzed, and comparisons were drawn between the two methods. The focus was clearly on laser ablation due to the industrial relevance of this method. In addition, J-V measurements show that the applied photolithography process does not provide performance advantages over laser ablation. Consequences of effects such as laser doping (with the ns pulsed laser), surface roughening in overlap areas, and shading CVD material remains were observed, characterized and tested for relevance in the sample production process. As a result, a process could be presented for the production of pn-junctions with and without the intrinsic region.
Furthermore, the contacts were characterized by TLM measurements. Specific contact resistances of 9-24 mOhmcm2 were measured for the deposited Ti/Pd/Ag and Al/Ag contacts. The contact formation takes place directly during the deposition or during a short thermal annealing process. The specific contact resistance values are independent of the selected method of contact opening and the deposited metal. Shunt problems were also analyzed and corrected.
Further relevant findings were obtained with regard to surface passivation. With thermal anneal, a high passivation quality could be achieved with Al2O3 and a-Si passivation. For this purpose, the passivation layers were coated with SiNx and thermally annealed at a temperature between 300 and 420 °C. A recombination parameter J_0 below 30 fA/cm2 was obtained for a 140 Ohm/sq p-type emitter passivated with Al2O3 or a-Si. The J-V measurements also underline the importance of adequate surface passivation. The passivation quality was tested for the rear (BSF, laser treated surface and emitter) and the front surface (texture). The absorption of a-Si was also analyzed because of its relevance for the passivation of the front surface with a-Si.
The processing difficulties seem to be overcome at this time, which is why further sample processing with the presented manufacturing process should lead to a result with high characteristic quantities. In particular the increased lifetime, due to the postponed texturing step, and the non-existent laser doping, due to the use of the ps laser on the entire area that has to be ablated, are an improvement to the last processed samples. With these processed samples, the comparison between samples with and without the intrinsic gap can then be drawn. A clear distinction between these samples would be a milestone for the characterization method and would provide the proof-of-concept. Further investigations, with applied reverse bias voltage or with varied rear surface passivation, could provide additional information on the properties of the pn-junction.
In addition, the concept can be extended to more than one pn-junction per sample. Sufficient information on the contact formation on samples has already been collected in the course of this work, which is why the TLM structure is no longer required on all samples. Adding pn-junctions on a sample has the advantage that a considerably higher number of measurable pn-junctions can be produced. In addition, conclusions about possible processing problems can be classified more easily. Alternating p- and n-doped regions on the entire sample's rear side also represent an approximation to the structure of an IBC solar cell.
Moreover, an examination of the pn-junction using KPFM would be useful. Following the proposal in this work, the pn-junction could be polished at a small angle to the surface so as to obtain a depth resolution of the pn-junction with KPFM measurement. Accordingly, one obtains insight into the doping profile as a resolution in depth.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Aufgrund des speziellen Zellkonzeptes, benötigen BC-BJ Solarzellen angepasste Charakterisierungsmethoden, um insbesondere den Kontaktbereich unterschiedlicher hochdotierter Regionen auf der Zellrückseite zu untersuchen. Im Mittelpunkt dieser Masterarbeit stand die Entwicklung und Umsetzung einer Methode für die Charakterisierung einzelner pn-Übergänge, welche sich auf der Zellrückseite einer BC-BJ Solarzelle befinden. Zum Erreichen dieses Ziels wurde ein industrienaher Prozessfluss zur Herstellung passender Proben mit einem einzelnen beleuchteten pn-Übergang und zwei TLM Feldern erarbeitet. Dafür war die Entwicklung einer präzisen Ausrichtungsmethode wesentlich, welche eine Ausrichtung mit einer Genauigkeit von ~20 Mikrometer ermöglicht. Dabei werden alle lokalen Prozessierungsschritte direkt oder indirekt am anfänglich hergestellten pn-Übergang ausgerichtet. Dies trifft auf die Kontaktöffnung, die Metallisierung und sogar die Beleuchtungsmaske zu, welche auf der Vorderseite der Probe bei der J-V Kurvenmessung positioniert wird.
Durchgeführte Simulationen mit Sentaurus Synopsis zeigen, dass die Charakterisierungsmethode Proben mit und ohne einen wenige Mikrometer breiten intrinsischen Bereich zwischen den hochdotierten Regionen auf der Zellrückseite unterscheiden kann, wenn dieser Bereich nicht defektfrei ist. Eine Differenz im Füllfaktor von 1.9 % zwischen Proben mit und ohne den intrinsischen Bereich wird für die 'Zebra-Muster' Struktur erwartet, ohne Berücksichtigung von Tunnelrekombination, welche diese Differenz weiter erhöhen würde. Desweiteren wurde ein Vergleich zwischen den Simulationsprogrammen Sentaurus Synopsis und Quokka gezogen und Unterschiede dargelegt. Im Parameterbereich einer hocheffizienten IBC Solarzelle ergibt sich lediglich ein geringer Fehler für die charakteristischen Größen. Bei der genaueren Untersuchung mit der FELA konnten Unterschiede für den Widerstandsverlust im BSF Kontakt ausgemacht werden, die darauf hindeuten, dass dieser Verlustkanal in den beiden Simulationsprogrammen unterschiedliche Quellen aufweist. Aufgrund der allgemeinen Übereinstimmung der Simulationsergebnisse wurde Quokka im Lauf der Auswertung als Simulationsprogramm verwendet, um den Einfluss bestimmter experimenteller Parameter zu verdeutlichen.
Die bei der Herstellung von Proben mit einzelnem pn-Übergang aufgekommenen Schwierigkeiten und die erzielten Ergebnisse wurden im Zusammenhang mit den einzelnen Prozessschritten vorgestellt. Dabei wurde insbesondere die lokale Entfernung von dielektrischen Schichten diskutiert. Sie ist relevant für die Herstellung des pn-Übergangs, welcher in einem einzigen Diffusionsprozess aus Bor-haltiger CVD Schicht und POCl3 Gas entsteht, aber auch für die Öffnung der Kontaktflächen. Die lokale Entfernung dielektrischer Schichten mittels Photolithographie und Laserablation (ns und ps gepulster Laser) wurde durchgeführt, analysiert, und es wurden Vergleiche zwischen den beiden Methoden gezogen. Dabei lag der Fokus klar auf der Laserablation aufgrund der industriellen Relevanz dieser Methode. Außerdem zeigen J-V Messungen, dass der angewendete Photolithographie-Prozess keine Leistungsvorteile gegenüber der Laserablation bietet. Konsequenzen von Effekten wie Laser-Doping (mit dem ns gepulsten Laser), Obeflächenaufrauhung in Überlappbereichen und abschattendes verbliebenes Material wurden beobachtet, charakterisiert und auf die Relevanz in dem Probenherstellungsprozess überprüft. Als Ergebnis konnte ein Prozesses zur Herstellung von pn-Übergängen mit und ohne intrinsischen Bereich zwischen den hochdotierten Regionen präsentiert werden.
Ferner wurden die Kontakte mit TLM Messungen charakterisiert. Spezifische Kontaktwiderstände von 9-24 mOhmcm2 wurden für die aufgedampftne Ti/Pd/Ag und Al/Ag Kontakte gemessen. Die Kontaktbildung findet bereits direkt beim Aufdampfen oder während eines kurzen Sintervorgangs statt. Die spezifischen Kontaktwiderstandswerte sind unabhängig von der gewählten Methode der Kontaktöffnung und des aufgedampften Metalls. Des weiteren wurden Shunt-Probleme analysiert und behoben.
Weitere relevante Erkenntnisse wurden im Bezug auf die Oberflächenpassivierung gewonnen. Mit thermischer Behandlung konnte eine hohe Passivierqualität mit Al2O3 und a-Si Passivierung erreicht werden. Dafür wurden die Passivierschichten mit SiNx beschichtet und zwischen 300 und 420 °C thermisch ausgeheilt. Für einen mit Al2O3 oder a-Si passivierten 140 Ohm/sq p-Typ Emitter konnte ein Rekombinationsparameter J0 unter 30 fA/cm2 werden. Die J-V Messungen unterstreichen außerdem die Wichtigkeit einer adäquaten Oberflächenpassivierung. Die Passivierqualität wurde für die Rückseite (BSF, Laser behandelte Oberfläche und Emitter) und die Vorderseite (Textur) untersucht. Die Absorption von a-Si wurde ebenfalls analysiert, da sie relevant für die Passivierung der Vorderseite mit a-Si ist.
Die Prozessierungsschwierigkeiten scheinen zu diesem Zeitpunkt weitestgehend überwunden zu sein, weshalb eine weitere Probenprozessierung mit dem vorgestellten Herstellungsprozess zu einem Ergebnis mit hohen Kennwerten führen sollte. Dabei sind insbesondere die erhöhte Lebensdauer infolge des retardierten Texturierungsschritts und das nicht-vorhandene Laser-Doping aufgrund der Verwendung des ps Lasers auf der gesamten zu ablatierenden Fläche eine Verbesserung zu den letzten prozessierten Proben. Mit den prozessierten Proben kann dann der Vergleich zwischen Proben mit und ohne dem intrinsischen Bereich gezogen werden. Eine klare Unterscheidbarkeit dieser Proben wäre ein Meilenstein für die Charakterisierungsmethode und würde den Machbarkeitsnachweis liefern. Weitere Untersuchungen, bei angelegter Sperrspannung oder mit variierter Rückseitenpassivierung, könnten zusätzliche Informationen über die Eigenschaften des pn-Übergangs liefern.
Außerdem kann das Konzept auf mehr als einen pn-Übergang pro Probe ausgeweitet werden. Genügend Information über die Kontaktierbarkeit der Proben wurde bereits im Laufe dieser Arbeit gesammelt, weshalb die TLM Struktur nicht mehr auf allen Proben benötigt wird. Weitere pn-Übergänge auf einer Probe zu haben birgt den Vorteil, dass sich so eine erheblich höhere Anzahl an messbaren pn-Übergängen herstellen lässt. Außerdem sind Rückschlüsse auf mögliche Prozessierungsprobleme klarer zuzuordnen. Alternierende p- und n-Regionen auf der gesamten Probe stellen des Weiteren eine Annäherung an die Struktur einer IBC Solarzelle dar.
Darüber hinaus wäre eine Untersuchung des pn-Übergangs mittels KPFM sinnvoll. Dem Vorschlag in dieser Arbeit folgend, könnte der pn-Übergang in einem kleinen Winkel zur Oberfläche poliert werden, um so eine Tiefenauflösung des pn-Übergangs zu erhalten. Auf diese Weise erlangt man tiefenaufgelöste Einsicht in das Dotierprofil.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

c-Si, CVD, pn-junction, characterization technique, IBC solar cell, laser ablation, laser photolithography, Sentaurus Synopsis, Quokka

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ISO 690DUPUIS, Yannick, 2017. Characterization of Structured Doping Areas Diffused from Doped CVD Layers on Crystalline Si Substrates [Master thesis]. Konstanz: Universität
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This applies to the contact openings, the metallization, and even the illumination mask, which is positioned on the front of the sample during the illuminated J-V curve measurement.&lt;br /&gt;Simulations conducted with Sentaurus Synopsis show, that the characterization method can distinguish samples with and without intrinsic gap region between the highly doped regions on the back of the cell, if this region is not defect free. A difference in the fill factor of 1.9 % between samples with and without the intrinsic gap is expected for the 'zebra structure', without consideration of tunnel recombination, which would further increase this difference. Furthermore, a comparison was made between the simulations programs Sentaurus Synopsis and Quokka, and differences were presented. In the parameter range of a highly efficient IBC solar cells, there is only a small error for the J-V characteristic quantities. In a more detailed investigation with the FELA, differences in the resistance loss at the BSF contact were found, which indicate that this loss channel is differently implemented into the two simulation programs. Due to the general consistency of the simulation results, Quokka was used as a simulation program to illustrate the influence of certain experimental parameters in the analysis.&lt;br /&gt;The difficulties encountered in the preparation of samples with a single pn-junction and the results obtained, were presented in the context of the individual process steps. In particular, the local removal of dielectric layers was discussed. This layer removal is relevant for the creation of the pn-junction, which is formed in a single diffusion process from borosilicate glass and POCl3 gas, but also for the opening of the contact surfaces. The local removal of dielectric layers by means of photolithography and laser ablation (ns and ps pulsed lasers) was carried out, analyzed, and comparisons were drawn between the two methods. The focus was clearly on laser ablation due to the industrial relevance of this method. In addition, J-V measurements show that the applied photolithography process does not provide performance advantages over laser ablation. Consequences of effects such as laser doping (with the ns pulsed laser), surface roughening in overlap areas, and shading CVD material remains were observed, characterized and tested for relevance in the sample production process. As a result, a process could be presented for the production of pn-junctions with and without the intrinsic region.&lt;br /&gt;Furthermore, the contacts were characterized by TLM measurements. Specific contact resistances of 9-24 mOhmcm2 were measured for the deposited Ti/Pd/Ag and Al/Ag contacts. The contact formation takes place directly during the deposition or during a short thermal annealing process. The specific contact resistance values are independent of the selected method of contact opening and the deposited metal. Shunt problems were also analyzed and corrected.&lt;br /&gt;Further relevant findings were obtained with regard to surface passivation. With thermal anneal, a high passivation quality could be achieved with Al2O3 and a-Si passivation. For this purpose, the passivation layers were coated with SiNx and thermally annealed at a temperature between 300 and 420 °C. A recombination parameter J_0 below 30 fA/cm2 was obtained for a 140 Ohm/sq p-type emitter passivated with Al2O3 or a-Si. The J-V measurements also underline the importance of adequate surface passivation. The passivation quality was tested for the rear (BSF, laser treated surface and emitter) and the front surface (texture). The absorption of a-Si was also analyzed because of its relevance for the passivation of the front surface with a-Si.&lt;br /&gt;The processing difficulties seem to be overcome at this time, which is why further sample processing with the presented manufacturing process should lead to a result with high characteristic quantities. In particular the increased lifetime, due to the postponed texturing step, and the non-existent laser doping, due to the use of the ps laser on the entire area that has to be ablated, are an improvement to the last processed samples. With these processed samples, the comparison between samples with and without the intrinsic gap can then be drawn. A clear distinction between these samples would be a milestone for the characterization method and would provide the proof-of-concept. 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