Elektronenmikroskopische Analysen zur Rekombinationsaktivität in multikristallinem Silizium

Abstract

Die Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops in Kombination mit einem EBIC- und EBSD-System ermöglicht es, Solarzellen oder deren Ausgangsmaterialien mit einer hohen Auflösung zu untersuchen. Damit besteht die Möglichkeit, die Mikrostruktur einer Probe zu bestimmen und ausgedehnte Kristalldefekte zu klassifizieren. Die ortsaufgelöste Messung des induzierten Kurzschlussstroms kann schnell und detailliert durchgeführt werden und eröffnet mit der Kühl- und Heizvorrichtung weitere Möglichkeiten zur Defektcharakterisierung.Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde der Fokus auf die elektronenmikroskopische Analyse von Defekten gelegt. Zu Beginn dieser Arbeit wurde die Theorie über Kristalldefekte und die Generation sowie Rekombination von Ladungsträgern dargelegt. Weiterhin wurde das verwendete Rasterelektronenmikroskop vorgestellt und die Funktionsweise des zusätzlich installierten EBSD- und EBIC-Detektors beschrieben. Aufbauend auf diese theoretischen Grundlagen konnten Modelle eröffnet werden, mit denen die Rekombinationsaktivität von Korngrenzen bewertet werden kann.Nach einer eingehenden Aufbauphase des Geräts konnten Messparameter für EBSD- und EBIC-Untersuchungen ermittelt werden, welche aussagekräftige Ergebnisse für multikristallines Silizium liefern. Anschließend wurden mehrere Untersuchungen durchgeführt, um Informationen über die Rekombinationsaktivität multikristalliner Solarzellen zu erhalten. Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse wurden benachbarte Si-Wafer verwendet.Die Untersuchung SiN-Abscheidung zur Passivierung von Korngrenzen in Verbindung mit einem verlängertem Getterschritt ergab, dass ein Großteil willkürlich orientierter Korngrenzen als Getterzentren wirken und während eines Getterschritts Fremdatome binden und so die Materialqualität der angrenzenden Körner verbessern. Anhand der Rekombinationsaktivität wurde erkannt, dass besonders ungeordnete Korngrenzen mit Missorientierungen < 30° dann stark zur Ladungsträgerrekombination beitragen, wenn während der Solarzellenprozessierung auf eine SiN-Abscheidung verzichtet wird. Für geordnete Korngrenzen, den Koinzidenzkorngrenzen, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass Korngrenzen mit einem höheren Ordnungsgrad und somit einer geringen Verzerrung der Bindungen eine niedrige Rekombinationsaktivität zeigen. Nur vereinzelt wird die Ladungsträgerrekombination durch Korngrenzen mit hoher Koinzidenz beeinflusst. Wenn während der Solarzellenprozessierung auch eine SiN-Abscheidung durchgeführt wird, wird die Ladungsträgerrekombination an willkürlich orientierte Korngrenzen bedeutend verringert. Diese Passivierung ist unabhängig vom Dekorationsgrad der Korngrenzen. Geordnete Korngrenzen lassen sich teilweise sogar besser passivieren, allerdings konnte an einigen Koinzidenzkorngrenzen die Rekombinationsaktivität lediglich zu einem gewissen Maß verringert werden. Die absolute Verbesserung des Materials ist somit an manchen Koinzidenzkorngrenzen abhängig vom Kontaminationsgrad. Die Korngrenzorientierung in verschiedenen Blockhöhen besteht zum wesentlichen Anteil (60% bis 80%) aus Korngrenzen, die in der Sigma3-Koinzidenzstruktur vorliegen. Da diese nur selten eine messbare Rekombinationsaktivität aufweisen, üben sie kaum negativen Einfluss auf die Effizienz einer Solarzelle aus. Die Abhängigkeit der Defektpassivierung von verschiedenen Prozesssequenzen wurde anhand von POCl-Diffusionen, SiN-Abscheidungen mit Feuerschritt und deren Kombination bestimmt. Durch eine alleinige SiN-Abscheidung konnte die Materialqualität nicht verbessert werden. In Kombination mit einer vorangegangenen POCl-Diffusion wird hingegen ein Großteil der Defekte passiviert.