Publikation: Deposition and Characterisation of Crystalline Silicon
Dateien
Datum
Autor:innen
Herausgeber:innen
ISSN der Zeitschrift
Electronic ISSN
ISBN
Bibliografische Daten
Verlag
Schriftenreihe
Auflagebezeichnung
URI (zitierfähiger Link)
Internationale Patentnummer
Link zur Lizenz
Angaben zur Forschungsförderung
Projekt
Open Access-Veröffentlichung
Sammlungen
Core Facility der Universität Konstanz
Titel in einer weiteren Sprache
Publikationstyp
Publikationsstatus
Erschienen in
Zusammenfassung
In this thesis, crystalline silicon thin films by atmospheric pressure chemical vapour deposition have been studied. These silicon films can be deposited on silicon wafers or transferred to various substrates for photovoltaic applications. One of the main advantages is the flexibility in thickness and doping concentration which allows the application of the silicon thin films in various solar cell concepts. The combination of these films with an industrial solar cell fabrication process has a high efficiency potential and offers a cost reduction as well as reduced material consumption. The key aspects of this publication were the deposition process, the characterisation of silicon thin films and the implementation of these layers into different solar cell concepts. In the following subchapters the main findings will be summarised and suggestions for further investigation will be given.
Silicon Deposition by APCVD at Temperatures from 1150 °C to 850 °C
The silicon deposition by atmospheric pressure chemical vapour deposition (APCVD) using chlorosilanes is described by a set of gas phase and surface reactions. A general and a simplified model of these chemical reactions for the decomposition and the deposition process using TCS as precursor have been discussed. The identified assumptions and limitations of the simplified model underline the importance of process characterisation.
Since the deposition process also depends on the reactor setup, a general description of the lab-type deposition tool RTCVD100 and RTCVD160 was given. The presented characterisation of the deposition homogeneity is crucial for the material characterisation as well as solar cell fabrication and shows the limitations and the influence of the deposition properties. Based on the deposition of cSiTF at 1150 °C an additional process at 1050 °C has been developed.
The correlations between precursor composition, deposition temperature, deposition rate substrates orientation and doping incorporation show the complexity of crystalline silicon thin film (cSiTF) deposition. Therefore, detailed investigations of the deposition process at temperatures between 1150 °C and 850 °C with different gas mixtures have been carried out. The change in deposition rate from 0.5 ± 0.2 µm/min to 2.4 ±0.4 µm/min increases the throughput or allows the reproducible formation of silicon films with a thickness below 500 nm. The basic mechanism for the doping incorporation and the resulting doping range of 1x1015 1/cm³ to 2x1020 1/cm³ for boron and 1x1017 1/cm³ to 3x1020 1/cm³ for phosphorous have been explained. Additionally, the increase in doping incorporation by almost one order of magnitude depending on the Cl/H ratio has been investigated.
Subsequently, the process development has been used to further optimise the deposition of the epitaxial emitters. The deposition of advanced emitter profiles with a thickness from 500 nm to 3.5 µm and the deposition on textured as well as planar wafers has been analysed. Furthermore, the reduction of contact peak thickness from 500 nm to 25-50 nm by diffusion or epitaxial deposition and the influence of the following process step have been discussed.
Apart from the epitaxial deposition on silicon substrates at a deposition temperature from 1150 °C to 950 °C the direct deposition of microcrystalline silicon thin film (µcSiTF) on substrates with intermediate layers between 1050 °C and 850 °C has been realised using APCVD. In addition, the successful deposition of µcSiTF on temperature sensitive substrates like borosilicate glass has been presented. These µcSiTF can be applied as single junction thin film solar cell, as active layer in a tandem solar cell, as diffusion barrier or contact layer and as seed layer for recrystallisation. The basic understanding of this deposition process has been complemented by an investigation about the nucleation process. The experimental results show that the random nucleation density of silicon on SiNx and SiOx by PECVD is increasing with temperature and results in a homogeneous seed layer. However, the etching of thermal SiO2 in hydrogen atmosphere at temperatures above 900 °C reduces the nucleation density on this type of intermediate layer from approximately 270 to 40 counts/mm2.
The presented experimental results and the identified correlations are essential for the optimisation and further development of the deposition processes by APCVD.
Crystallographic Characterisation of Silicon Thin Films
Different measurement methods to characterise the crystallographic properties of cSiTF have been presented. The formation of various defects like etch pits, stacking faults and spikes in the epitaxial layer depending on the deposition temperature, precursor composition as well as substrate orientation have been shown. The increasing number of stacking faults and the change in recombination intensity of those defects at temperatures below 1100 °C can result in a VOC loss of approximately 200 mV.
The microcrystalline silicon films by direct deposition have been characterised with EBSD, XRD and µRaman measurements. The crystallographic properties of these layers including a grain size of 2-3 µm and the columnar growth have been determined. Various measurements to determine the electrical material quality of microcrystalline silicon films depending on deposition and post treatment parameters have also been done. These experiments lead to the conclusion that the RTA and RPHP treatments are necessary for a deposition temperature below 1000 °C because the stress and temperature sensitive defects can be reduced.
The limitations of established measurement techniques for the characterisation of cSiTF and the benefit of approaches like the calibrated µRaman, µPL and µLBIC measurements have been shown. Based on a set of calibration samples it is possible to determine the doping concentration above 6x1016 1/cm3 by analysing the Fano resonance. The presented measurements of epitaxial silicon films have been used to investigate the overall material quality and the stress distribution in these layers. Furthermore, the investigation of the growth interface between epitaxial films and the silicon substrates shows no increased stress or recombination activity. However, the influence of the growth regime of epitaxial films on the reflection properties of textures samples has been identified as crucial parameter.
These experiments have been necessary to explain and improve the material quality of cSiTF in general. Furthermore, these measurements prove the applicability of epitaxial emitters for wafer based solar cells.
Lifetime measurements of cSiTF and wafer based solar cells
The challenges and solutions for reliable effective minority carrier lifetime measurements on various cSiTF have been discussed. Based on the upgraded setup and an improved measurement routine the MWPCD signal intensity has been increased from approximately 4 mV to values above 35 mV. In combination with a new analysis algorithm, which incorporates the effect of carrier trapping on the decay transient, it is possible to determine reliable lifetimes below 1 µs of various cSiTF. Additional experiments to determine the influence of the excitation laser wavelength, the excess carrier density, the substrates and the passivation have been evaluated. The measurements of cSiTF deposited in the RTCVD160 show an effective diffusion length of about 90-120 µm and epitaxial cSiTF on recrystallised templates of 50-80 µm. Subsequently, MDP, LBIC and IQE measurements of cSiTF solar cells have been conducted to validate the MWPCD results and to determine the material quality of cSiTF.
Furthermore, QSSPC measurements of silicon wafers with epitaxial emitters and experiments to investigate the material degradation at high temperatures have been presented. The effective lifetime and emitter saturation current measurements underline the successful optimisation of the epitaxial emitter deposition. At 1050 °C the effective minority carrier lifetimes of 200 µs for p-type and 250 µs for n-type show an increase of more than one order of magnitude compared to the standard epitaxial process at 1150 °C. The emitter saturation current of J0e < 45 fA/cm2 for p-type and J0e < 30 fA/cm2 for n-type FZ wafers show the potential for an application of epitaxial emitters into industrial and high efficiency solar cell concepts.
In addition, the lifetime degradation of silicon substrates during the standard deposition process above 1100 °C has been analysed. The experiments show a minor lifetime degradation due to the formation of thermal defects by the high thermal budget and the cooling ramp. However, the diffusion of impurities depending on duration, ambient gas and temperature in the reactor has been identified as the dominating effect. Iron concentrations measurements on reference wafers of 1x108 1/cm3 increases to values of 4x1011 1/cm3 after a 4 min annealing process at 1100 °C. Alternative effects like the formation of mono vacancies and the migration of defects from the silicon surface have also been discussed.
Solar cells using cSiTF and µcSiTF
The properties and possible adjustments to cSiTF solar cells have been investigated using the epitaxial wafer equivalent (EpiWE) concept. An alternative formation of the BSF by diffusion from a gaseous source with similar absorber material quality EPD < 2x104 1/cm² and the integration of a plasma texture have been carried out. An optimisation in absorber thickness to 30 µm and the decrease of open circuit voltages at deposition temperatures below 1100 °C has been presented. Furthermore, the development and a proof of concept of a solar cell process for the n-type cSiTF with p-type epitaxial emitter by APCVD with a record VOC of 655 mV and an efficiency of 13.9 % have been realised.
Additional experiments have been conducted to investigate the different applications for the microcrystalline silicon layers by direct deposition using APCVD below 1000 °C. The presented experiments evaluate the solar cell properties of these layers including the parameters contact resistance, series resistance and material lifetime. The solar cell batches proof the feasibility of these concepts and show a VOC of 466 mV and a current of 14 mA without light trapping and texturing for a 10 µm thick absorber. Additional results and simulation by PC1D lead to the conclusion that the absorber layer has to be reduced to a thickness of 6 µm. Using microcrystalline silicon layers as seed layer on glass in combination with e-beam crystallisation shows voltages of 539 mV. A more industrial feasible approach is the crystallisation by ZMR resulting in voltages of 614 mV [8].
These results and the characterisation of cSiTF solar cells will be used to increase the efficiency and the overall understanding of various cSiTF concepts.
Wafer based solar cells with epitaxial emitter
In the last Chapter the development of n- and p-type solar cell concepts with epitaxial emitters has been presented. Solar cell simulations by PC1D and process simulations by Sentaurus Process have been conducted to determine the potential and limitations of epitaxial emitters by APCVD and to optimise the fabrication process. Based on these simulations and the improvement in material quality, the solar cell batches show record efficiencies of eta = 16.4 % for n-type solar cells and eta = 16.1 % for p-type cells on mc wafers. Optimised deposition process for mc wafers at 1000 °C and for mono crystalline wafers at 1025 °C have been established.
The adjustments in metallisation and passivation lead to optimised concepts and new solar cell processes for epitaxial emitters and for cSiTF concepts as well. The record solar cells with a conversion efficiency of eta = 20.0 % on n-type, FZ and eta = 18.4 % on p-type, FZ proves that epitaxial emitters are able to compete with the state of the art diffusion process. These results are an increase in efficiency of over 2 % absolute over the last 3 years und show the successful process optimisation. The diffusion length Leff > 1500 µm and the similar open circuit voltages compared to the diffused emitter of 658 mV for n-type solar cells also underline their potential for high efficiency and industrial application.
The improvement and the transfer of the epitaxial emitter from a simplified development concept to the high efficiency concepts includes the development of the plasma texture with in-situ selective emitter formation (JSC = + 2.85 mA/cm²) and an epitaxial BSF.
In summary it can be stated that the advancements in process development presented in this thesis have already been used to optimise the current deposition process of cSiTF and will contribute to the ongoing development. Furthermore, the thorough characterisation and the application of alternative characterisation methods will contribute to a better understanding of cSiTF.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Im Rahmen dieser Arbeit wurden dünne, kristalline Siliciumschichten durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck hergestellt und untersucht. Diese Schichten werden auf Siliciumwafer abgeschieden oder für photovoltaische Anwendungen auf andere Substrate transferiert. Einer der Vorteile dieser Schichten ist die Flexibilität des Herstellungsprozesses, welcher es erlaubt, die Schichtdicke und die Dotierkonzentration an diverse Solarzellenkonzepte anzupassen. Die Kombination dieser dünnen, kristallinen Siliciumschichten mit etablierten, industriellen Herstellungsprozessen von Solarzellen hat ein hohes Wirkungsgradpotential. Die Schwerpunkte dieser Arbeit liegen in der Optimierung der Gasphasenabscheidung, der Charakterisierung und der Implementierung dieser Siliciumschichten in verschiedene Solarzellenkonzepte. In den folgenden Unterkapiteln werden die Ergebnisse zusammengefasst und weiterführende Experimente diskutiert.
Silicium Abscheidungen mittels APCVD bei Temperaturen von 1150°C bis 850°C
Die Abscheidung von Silicium mittels Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) unter der Verwendung von Chlorosilanen kann durch einen Satz an Gasphasen- und Oberflächenreaktionen beschrieben werden. Ein allgemeines und ein vereinfachtes Modell dieser chemischen Reaktionen wurden vorgestellt. Die notwendigen Annahmen und die Limitierungen des vereinfachten Modells wurden herausgearbeitet und unterstreichen die Bedeutung einer ausführlichen Prozesscharakterisierung.
Da der Abscheidungsprozess von der Reaktorgeometrie abhängig ist, wurden die Laboranlagen RTCVD100 und RTCVD160 kurz vorgestellt. Außerdem wurde die Abhängigkeit und der Einfluss der Abscheideparameter auf die Abscheidehomogenität und die Materialqualität diskutiert. Basierend auf der Abscheidung von dünnen, kristallinen Siliciumschichten (cSiTF) bei 1150 °C Prozesstemperatur wurden zusätzliche Prozesse < 1050 °C entwickelt. Der Zusammenhang zwischen Prozessgasgemisch, Temperatur, Abscheiderate, Substratorientierung und der Dotierung zeigt die Komplexität der Abscheidung von cSiTF. Aus diesem Grund wurde eine detaillierte Untersuchung der Abscheidungen zwischen 1150 °C und 850 °C mit verschiedenen Gasflusszusammen-setzungen durchgeführt. Die Anpassung der Abscheiderate von 0.5 ± 0.2 µm/min bis 2.4 ±0.4 µm/min erhöht den Durchsatz oder ermöglicht die reproduzierbare Abscheidung von cSiTF mit einer Schichtdicke < 500 nm. Der prinzipielle Mechanismus des Dotierstoffeinbaus während der Abscheidung und der resultierende Dotierbereich von 1x1016 1/cm³ bis 1x1020 1/cm³ für Bor und von 1x1017 1/cm³ bis 2x1020 1/cm³ für Phosphor wurden ebenfalls bestimmt. Zusätzlich wurde der Einfluss des Cl/H Verhältnis und die Kompensation der Dotierstoffe experimentell untersucht. Die beschriebene Prozessoptimierung ermöglichte anschließend die Abscheidung von angepassten, epitaktischen Emittern auf texturierten und planen Oberflächen mit einer Schichtdicke von 500 nm bis 3.5 µm. Außerdem konnte die Schichtdicke der Kontaktschicht und die damit verbundene Auger-Rekombination von 500 nm auf 25-50 nm reduziert werden. Neben der Abscheidung von epitaktischen Schichten zwischen 1150-950 °C wurde zusätzlich ein APCVD Prozess für mikrokristalline Siliciumschichten (µcSiTF) auf Substraten mit Zwischenschichten für Prozesstemperauren von 1050 °C bis 850 °C realisiert. Zusätzlich wurde die erfolgreiche Abscheidung auf temperaturempfindlichem Borsilikatglas präsentiert. Diese µcSiTF können als aktive Schicht in Solarzellen, als Diffusionsbarriere, Kontaktschicht oder als Saatschicht für die Rekristallisierung verwendet werden. Ein fundamentales Verständnis des Abscheideprozesses wurde mit ausführlichen Untersuchungen zur Nukleation auf SiOx und SiNx Zwischenschichten ergänzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Nukleationsdichte und die Schichthomogenität von Silicium auf PECVD SiNx und SiOx mit steigender Temperatur ansteigen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass das Ätzen von thermischen SiO2 in Wasserstoffatmosphäre ab einer Prozesstemperatur von 900 °C zu einer signifikanten Reduzierung der Nukleationsdichte von ungefähr 270 auf 40 1/mm2 führt.
Die in dieser Arbeit präsentierten experimentellen Ergebnisse und die identifizierten Zusammenhänge können für die Optimierung und die weitere Entwicklung der Abscheidung von Silicium mittels APCVD verwendet werden.
Kristallographische Charakterisierung von dünnen Siliciumschichten
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Messungen wie EBSD, XRD und µRaman zur Charakterisierung der kristallographischen Eigenschaften von cSiTF durchgeführt. Die Bildung von diversen Kristalldefekten wie Ätzgruben und Stapelfehler in epitaktischen Schichten in Abhängigkeit von Temperatur, Gasflusszusammensetzung und Substratorientierung wurden diskutiert. Die steigende Anzahl von Stapelfehlern und die erhöhte Rekombinationsaktivität dieser Defekte für Prozesstemperaturen < 1100 °C, sowie die resultierenden VOC Verluste von bis zu 200 mV wurden präsentiert.
Die µcSiTF wurden durch Messmethoden wie EBSD, XRD und µRaman untersucht. Die kristallographischen Eigenschaften dieser Schichten wie die Korngröße von 2-3 µm und das säulenförmige Wachstum wurden analysiert. Ergänzende Experimente zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften zeigten, dass zusätzliche Prozesse wie RTA und RPHP für Abscheidungen mit einer Prozesstemperatur < 1000 °C notwendig sind, um Spannungen und die Anzahl der Kristalldefekte zu reduzieren.
Die Limitierungen von etablierten Messmethoden zur Charakterisierung von cSiTF und die Vorteile von alternativen Methoden wie µRaman, µPL und µLBIC wurden gezeigt. Basierend auf den durchgeführten Experimenten ist es möglich, die Dotierkonzentration > 6x1016 1/cm3 durch die Analyse der Fano Resonanz von µRaman Messungen zu bestimmen. Die präsentierten µRaman und µPL Messungen von epitaktischen Schichten wurden verwendet, um die allgemeinen Materialeigenschaften zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ein defektfreies und spannungsarmes Wachstumsinterface mit geringer Rekombinationsaktivität herzustellen. Außerdem wurde gezeigt, dass die verschiedenen Abscheideparameter die Art des epitaktischen Wachstums beeinflussen. Die durchgeführten Experimente sind unabdingbar, um die Einflüsse auf die Materialqualität von cSiTF zu verstehen und zu verbessern.
Lebensdauermessungen von cSiTF und waferbasierten Solarzellen
Die zuverlässige Messung der effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauer an verschiedenen cSiTF war ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Durch eine Erweiterung für den Messaufbau der MWPVD und durch die Etablierung einer verbesserten Messroutine konnte die Signalintensität von ungefähr 4 mV auf 35 mV erhöht werden. In Kombination mit einer neuen Auswertung der Messdaten, welche den Einfluss von gefangenen Ladungsträgern berücksichtigt, ist es nun möglich cSiTF mit Lebensdauern von < 1 µs zuverlässig zu bestimmen. Der Einfluss der Wellenlänge des Anregungslasers, der verschiedenen Substrate und der Passivierung wurden in weiterführenden Experimenten bestimmt und bewertet. Die Messungen von cSiTF, hergestellt an der RTCVCD160, zeigen eine effektive Diffusionslänge von 90-120 µm, während die Diffusionslänge von epitaktischen Schichten auf rekristallisierten Substraten im Bereich von 50-80 µm bestimmt wurde. Im Anschluss wurden MDP, LBIC und IQE Messungen von cSiTF durchgeführt, um die Materialqualität der cSiTF zu ermitteln und um die Ergebnisse der MWPCD Messungen zu validieren.
Des Weiteren wurden QSSPC Messungen an Solarzellen mit epitaktischen Emittern durchgeführt. Die effektive Lebensdauer und die Emittersättigungsstromdichte unterstreichen die erfolgreiche Optimierung der Abscheidung von epitaktischen Emittern. Für Abscheidungen bei 1050 °C wurden Lebensdauern von 200 µs auf p-Typ und 250 µs auf n-Typ Material gemessen, was einer deutlichen Verbesserung um eine Größenordnung im Vergleich zum Standardprozess bei 1150 °C entspricht. Der Emittersättigungsstrom von J0e < 45 fA/cm2 auf p-Typ und von J0e< 30 fA/cm2 auf n-Typ 10 cm FZ Wafern zeigt das Potential, welches für eine industrielle Umsetzung der epitaktischen Emitter notwendig ist. Außerdem wurde die Lebensdauerdegradation von Siliciumwafern für eine Standardabscheidetemperatur > 1100 °C analysiert. Diese Untersuchungen zeigen einen geringen Einfluss durch die Bildung von thermischen Effekten, aber einen dominierenden Effekt durch die Eindiffusion von Verunreinigungen in Abhängigkeit von Temperatur, Prozessdauer und Gasflusszusammensetzung. Die gemessene Eisenkonzentration in Referenzwafern von 1x108 1/cm3 erhöhte sich durch einen 4 min Temperprozess bei 1100 °C auf 4x1011 1/cm3. Zusätzliche Effekte durch die Bildung von Fehlstellen und die Eindiffusion von Kristalldefekten an der Substratoberfläche konnten nicht nachgewiesen werden.
Solarzellen mit cSiTF oder µcSiTF
Die Eigenschaften und die mögliche Anpassung der cSiTF an verschiedene Solarzellenkonzepte wurden am Beispiel des epitaktischen Waferäquivalents (EpiWE) untersucht. Eine alternative Herstellungsmethode zum epitaktischen BSF mittels in-situ Diffusion aus der Gasphase direkt vor der epitaktischen Abscheidung lieferte ein ähnliches BSF und eine vergleichbare Schichtqualität des Absorber mit einer EPD < 2x104 1/cm². Außerdem wurde die Integration der Plasmatextur für EpiWE mit und ohne epitaktischen Emitter etabliert. Die Optimierung der Absorberdicke auf 30 µm und die Verringerung der VOC für Abscheidetemperaturen < 1100 °C wurden anhand von Solarzellenergebnissen diskutiert. Außerdem wurde ein n-Typ cSiTF Konzept mit epitaktischen p-Typ Emittern entwickelt. Die prozessierte Solarzellencharge hat einen VOC von 655 mV und einen Wirkungsgrad von 13.9 %. Zusätzliche Experimente für verschiedene Anwendungen von µcSiTF mit einer Abscheidetemperatur < 1000 °C wurden durchgeführt. Die Versuche zeigten, dass ein geeigneter Kontaktwiderstand und Serienwiderstand für µcSiTF Konzepte erreicht wurde. Die Solarzellenchargen mit VOC von 466 mV und einen ISC von 14 mA zeigen die erfolgreiche Umsetzung mit einer Absorberdicke von nur 10 µm ohne die optische Optimierung der Strukturen. Die durchgeführten PC1D Simulationen in Verbindung mit der Materialcharakterisierung zeigten, dass der Wirkungsgrad durch die Reduzierung der Absorberdicke auf 6 µm deutlich gesteigert werden kann. Die Verwendung der µcSiTF als Saatschicht für die Rekristallisierung mittels Elektronenstrahl zeigt ein VOC von 539 mV. In Verbindung mit dem ZMR Prozess konnten bereits Spannungen von 614 mV erreicht werden [8]. Die vorgestellten Solarzellenergebnisse und die Charakterisierung der Solarzellen tragen zu einem besseren Verständnis der cSiTF bei und werden in Zukunft dafür verwendet, die verschiedenen cSiTF Konzepte zu verbessern.
Waferbasierte Solarzellen mit epitaktischen Emitter
Abschließend wurde die Entwicklung von n- und p-Typ Solarzellenkonzepten mit epitaktischen Emittern präsentiert. Solarzellen Simulationen mit PC1D und Prozesssimulationen mit Sentaurus Prozess wurden durchgeführt, um das Potential und die Limitierungen der epitaktischen Emitter zu untersuchen. Die optimierte Prozesstemperatur für mc Wafer wurde bei 1000 °C und für monokristalline Wafer bei 1025 °C festgelegt. Einige der entwickelten Konzepte beinhalten auch die selektive, in-situ Plasmatextur SelTex (JSC = + 2.85 mA/cm²) und die Verwendung eines epitaktischen BSF. Die Anpassungen an die Metallisierungs- und Passivierungsprozesse führten zu verbesserten Konzepten für Solarzellen mit epitaktischen Emittern.
Im Anschluss an diese Simulationen und die präsentierte Optimierung der Materialqualität wurden verschiedene Solarzellenchargen mit Rekordwirkungsgraden im Bereich der kristallinen Silicium-Dünnschicht prozessiert. Ein Wirkungsgrad von eta = 16.4 % für Solarzellen auf mc n-Typ Wafern konnte gezeigt werden. Weitere Rekordwirkungsgrade von eta = 20.0 % auf n-Typ FZ und eta= 18.4 % auf p-Typ FZ unterstreichen, dass der epitaktische Emitter im Vergleich zum etablierten, diffundierten Emitter konkurrenzfähig ist. Diese Ergebnisse stellen eine Verbesserung um mehr als 2 % absolut in den letzten drei Jahren dar und zeigen die erfolgreiche Prozessoptimierung. Die erreichten Diffusionslängen von Leff > 1500 µm und die vergleichbare VOC von 658 mV der epitaktischen Emitter auf n-Typ Wafern zeigen das Potential für hocheffiziente Solarzellen und industrielle Anwendungen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Fortschritte in der Prozessentwicklung dieser Arbeit bereits verwendet werden, um die aktuellen Prozesse zu verbessern. Die präsentierte detaillierte Charakterisierung und die Etablierung von alternativen Messmethoden hat und wird dazu beitragen, die Grundlagen der cSiTF besser zu verstehen.
Fachgebiet (DDC)
Schlagwörter
Konferenz
Rezension
Zitieren
ISO 690
RACHOW, Thomas, 2014. Deposition and Characterisation of Crystalline Silicon [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
@phdthesis{Rachow2014Depos-28821,
year={2014},
title={Deposition and Characterisation of Crystalline Silicon},
author={Rachow, Thomas},
address={Konstanz},
school={Universität Konstanz}
}RDF
<rdf:RDF
xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/"
xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/"
xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#"
xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"
xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#"
xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" >
<rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/28821">
<dc:creator>Rachow, Thomas</dc:creator>
<dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/>
<dc:language>eng</dc:language>
<dcterms:alternative>Abscheidung und Charakterisierung von kristallinen Silizium</dcterms:alternative>
<dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/28821/1/Rachow_288211.pdf"/>
<dcterms:title>Deposition and Characterisation of Crystalline Silicon</dcterms:title>
<dc:contributor>Rachow, Thomas</dc:contributor>
<dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2014-08-19T09:16:55Z</dcterms:available>
<dc:rights>terms-of-use</dc:rights>
<foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/>
<void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/>
<dcterms:issued>2014</dcterms:issued>
<dcterms:abstract xml:lang="eng">In this thesis, crystalline silicon thin films by atmospheric pressure chemical vapour deposition have been studied. These silicon films can be deposited on silicon wafers or transferred to various substrates for photovoltaic applications. One of the main advantages is the flexibility in thickness and doping concentration which allows the application of the silicon thin films in various solar cell concepts. The combination of these films with an industrial solar cell fabrication process has a high efficiency potential and offers a cost reduction as well as reduced material consumption. The key aspects of this publication were the deposition process, the characterisation of silicon thin films and the implementation of these layers into different solar cell concepts. In the following subchapters the main findings will be summarised and suggestions for further investigation will be given.<br /><br />Silicon Deposition by APCVD at Temperatures from 1150 °C to 850 °C<br /><br />The silicon deposition by atmospheric pressure chemical vapour deposition (APCVD) using chlorosilanes is described by a set of gas phase and surface reactions. A general and a simplified model of these chemical reactions for the decomposition and the deposition process using TCS as precursor have been discussed. The identified assumptions and limitations of the simplified model underline the importance of process characterisation.<br />Since the deposition process also depends on the reactor setup, a general description of the lab-type deposition tool RTCVD100 and RTCVD160 was given. The presented characterisation of the deposition homogeneity is crucial for the material characterisation as well as solar cell fabrication and shows the limitations and the influence of the deposition properties. Based on the deposition of cSiTF at 1150 °C an additional process at 1050 °C has been developed.<br />The correlations between precursor composition, deposition temperature, deposition rate substrates orientation and doping incorporation show the complexity of crystalline silicon thin film (cSiTF) deposition. Therefore, detailed investigations of the deposition process at temperatures between 1150 °C and 850 °C with different gas mixtures have been carried out. The change in deposition rate from 0.5 ± 0.2 µm/min to 2.4 ±0.4 µm/min increases the throughput or allows the reproducible formation of silicon films with a thickness below 500 nm. The basic mechanism for the doping incorporation and the resulting doping range of 1x1015 1/cm³ to 2x1020 1/cm³ for boron and 1x1017 1/cm³ to 3x1020 1/cm³ for phosphorous have been explained. Additionally, the increase in doping incorporation by almost one order of magnitude depending on the Cl/H ratio has been investigated.<br />Subsequently, the process development has been used to further optimise the deposition of the epitaxial emitters. The deposition of advanced emitter profiles with a thickness from 500 nm to 3.5 µm and the deposition on textured as well as planar wafers has been analysed. Furthermore, the reduction of contact peak thickness from 500 nm to 25-50 nm by diffusion or epitaxial deposition and the influence of the following process step have been discussed.<br />Apart from the epitaxial deposition on silicon substrates at a deposition temperature from 1150 °C to 950 °C the direct deposition of microcrystalline silicon thin film (µcSiTF) on substrates with intermediate layers between 1050 °C and 850 °C has been realised using APCVD. In addition, the successful deposition of µcSiTF on temperature sensitive substrates like borosilicate glass has been presented. These µcSiTF can be applied as single junction thin film solar cell, as active layer in a tandem solar cell, as diffusion barrier or contact layer and as seed layer for recrystallisation. The basic understanding of this deposition process has been complemented by an investigation about the nucleation process. The experimental results show that the random nucleation density of silicon on SiNx and SiOx by PECVD is increasing with temperature and results in a homogeneous seed layer. However, the etching of thermal SiO2 in hydrogen atmosphere at temperatures above 900 °C reduces the nucleation density on this type of intermediate layer from approximately 270 to 40 counts/mm2.<br />The presented experimental results and the identified correlations are essential for the optimisation and further development of the deposition processes by APCVD.<br /><br />Crystallographic Characterisation of Silicon Thin Films<br /><br />Different measurement methods to characterise the crystallographic properties of cSiTF have been presented. The formation of various defects like etch pits, stacking faults and spikes in the epitaxial layer depending on the deposition temperature, precursor composition as well as substrate orientation have been shown. The increasing number of stacking faults and the change in recombination intensity of those defects at temperatures below 1100 °C can result in a VOC loss of approximately 200 mV.<br /><br />The microcrystalline silicon films by direct deposition have been characterised with EBSD, XRD and µRaman measurements. The crystallographic properties of these layers including a grain size of 2-3 µm and the columnar growth have been determined. Various measurements to determine the electrical material quality of microcrystalline silicon films depending on deposition and post treatment parameters have also been done. These experiments lead to the conclusion that the RTA and RPHP treatments are necessary for a deposition temperature below 1000 °C because the stress and temperature sensitive defects can be reduced.<br /><br />The limitations of established measurement techniques for the characterisation of cSiTF and the benefit of approaches like the calibrated µRaman, µPL and µLBIC measurements have been shown. Based on a set of calibration samples it is possible to determine the doping concentration above 6x1016 1/cm3 by analysing the Fano resonance. The presented measurements of epitaxial silicon films have been used to investigate the overall material quality and the stress distribution in these layers. Furthermore, the investigation of the growth interface between epitaxial films and the silicon substrates shows no increased stress or recombination activity. However, the influence of the growth regime of epitaxial films on the reflection properties of textures samples has been identified as crucial parameter.<br />These experiments have been necessary to explain and improve the material quality of cSiTF in general. Furthermore, these measurements prove the applicability of epitaxial emitters for wafer based solar cells.<br /><br />Lifetime measurements of cSiTF and wafer based solar cells<br /><br />The challenges and solutions for reliable effective minority carrier lifetime measurements on various cSiTF have been discussed. Based on the upgraded setup and an improved measurement routine the MWPCD signal intensity has been increased from approximately 4 mV to values above 35 mV. In combination with a new analysis algorithm, which incorporates the effect of carrier trapping on the decay transient, it is possible to determine reliable lifetimes below 1 µs of various cSiTF. Additional experiments to determine the influence of the excitation laser wavelength, the excess carrier density, the substrates and the passivation have been evaluated. The measurements of cSiTF deposited in the RTCVD160 show an effective diffusion length of about 90-120 µm and epitaxial cSiTF on recrystallised templates of 50-80 µm. Subsequently, MDP, LBIC and IQE measurements of cSiTF solar cells have been conducted to validate the MWPCD results and to determine the material quality of cSiTF.<br />Furthermore, QSSPC measurements of silicon wafers with epitaxial emitters and experiments to investigate the material degradation at high temperatures have been presented. The effective lifetime and emitter saturation current measurements underline the successful optimisation of the epitaxial emitter deposition. At 1050 °C the effective minority carrier lifetimes of 200 µs for p-type and 250 µs for n-type show an increase of more than one order of magnitude compared to the standard epitaxial process at 1150 °C. The emitter saturation current of J0e < 45 fA/cm2 for p-type and J0e < 30 fA/cm2 for n-type FZ wafers show the potential for an application of epitaxial emitters into industrial and high efficiency solar cell concepts.<br />In addition, the lifetime degradation of silicon substrates during the standard deposition process above 1100 °C has been analysed. The experiments show a minor lifetime degradation due to the formation of thermal defects by the high thermal budget and the cooling ramp. However, the diffusion of impurities depending on duration, ambient gas and temperature in the reactor has been identified as the dominating effect. Iron concentrations measurements on reference wafers of 1x108 1/cm3 increases to values of 4x1011 1/cm3 after a 4 min annealing process at 1100 °C. Alternative effects like the formation of mono vacancies and the migration of defects from the silicon surface have also been discussed.<br /><br />Solar cells using cSiTF and µcSiTF<br /><br />The properties and possible adjustments to cSiTF solar cells have been investigated using the epitaxial wafer equivalent (EpiWE) concept. An alternative formation of the BSF by diffusion from a gaseous source with similar absorber material quality EPD < 2x104 1/cm² and the integration of a plasma texture have been carried out. An optimisation in absorber thickness to 30 µm and the decrease of open circuit voltages at deposition temperatures below 1100 °C has been presented. Furthermore, the development and a proof of concept of a solar cell process for the n-type cSiTF with p-type epitaxial emitter by APCVD with a record VOC of 655 mV and an efficiency of 13.9 % have been realised.<br />Additional experiments have been conducted to investigate the different applications for the microcrystalline silicon layers by direct deposition using APCVD below 1000 °C. The presented experiments evaluate the solar cell properties of these layers including the parameters contact resistance, series resistance and material lifetime. The solar cell batches proof the feasibility of these concepts and show a VOC of 466 mV and a current of 14 mA without light trapping and texturing for a 10 µm thick absorber. Additional results and simulation by PC1D lead to the conclusion that the absorber layer has to be reduced to a thickness of 6 µm. Using microcrystalline silicon layers as seed layer on glass in combination with e-beam crystallisation shows voltages of 539 mV. A more industrial feasible approach is the crystallisation by ZMR resulting in voltages of 614 mV [8].<br />These results and the characterisation of cSiTF solar cells will be used to increase the efficiency and the overall understanding of various cSiTF concepts.<br /><br />Wafer based solar cells with epitaxial emitter<br /><br /><br />In the last Chapter the development of n- and p-type solar cell concepts with epitaxial emitters has been presented. Solar cell simulations by PC1D and process simulations by Sentaurus Process have been conducted to determine the potential and limitations of epitaxial emitters by APCVD and to optimise the fabrication process. Based on these simulations and the improvement in material quality, the solar cell batches show record efficiencies of eta = 16.4 % for n-type solar cells and eta = 16.1 % for p-type cells on mc wafers. Optimised deposition process for mc wafers at 1000 °C and for mono crystalline wafers at 1025 °C have been established.<br />The adjustments in metallisation and passivation lead to optimised concepts and new solar cell processes for epitaxial emitters and for cSiTF concepts as well. The record solar cells with a conversion efficiency of eta = 20.0 % on n-type, FZ and eta = 18.4 % on p-type, FZ proves that epitaxial emitters are able to compete with the state of the art diffusion process. These results are an increase in efficiency of over 2 % absolute over the last 3 years und show the successful process optimisation. The diffusion length Leff > 1500 µm and the similar open circuit voltages compared to the diffused emitter of 658 mV for n-type solar cells also underline their potential for high efficiency and industrial application.<br />The improvement and the transfer of the epitaxial emitter from a simplified development concept to the high efficiency concepts includes the development of the plasma texture with in-situ selective emitter formation (JSC = + 2.85 mA/cm²) and an epitaxial BSF.<br />In summary it can be stated that the advancements in process development presented in this thesis have already been used to optimise the current deposition process of cSiTF and will contribute to the ongoing development. Furthermore, the thorough characterisation and the application of alternative characterisation methods will contribute to a better understanding of cSiTF.</dcterms:abstract>
<dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/28821/1/Rachow_288211.pdf"/>
<dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2014-08-19T09:16:55Z</dc:date>
<dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
<bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/28821"/>
<dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
</rdf:Description>
</rdf:RDF>
