Das Wasserstoff-Modell der Bor-Sauerstoff-Regeneration

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WILKING, Svenja, 2017. Das Wasserstoff-Modell der Bor-Sauerstoff-Regeneration

@phdthesis{Wilking2017Wasse-38082, title={Das Wasserstoff-Modell der Bor-Sauerstoff-Regeneration}, year={2017}, author={Wilking, Svenja}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

Das Wasserstoff-Modell der Bor-Sauerstoff-Regeneration Die rekombinationsaktiven Bor-Sauerstoff(BO)-Defekte stellen aktuell den wichtigsten limitierenden Faktor bei der möglichst kostengünstigen Herstellung hocheffizienter Solarzellen auf der Basis von kristallinem Cz-Silizium dar. Auf Solarzellen, die auf Grund dieser BO-Defekte degradiert sind, kann ein Regenerationsverfahren angewandt werden, welches die rekombinationsaktiven Defekte neutralisiert, wodurch erst das vollständige Potential der betroffenen Zellen genutzt werden kann. Dabei wird die Zelle bei leicht erhöhten Temperaturen Ladungsträgerinjektion ausgesetzt.<br />Startpunkt dieser Arbeit war die Beobachtung, dass ein solches Verfahren nur gelegentlich Wirkung zeigte und wenn, dann nur mit hohem Zeitaufwand realisierbar zu sein schien. Ein Modell, das die Funktionsweise der BO-Regeneration beschreiben könnte, lag ebenfalls nicht vor. Es galt also herauszufinden, welche Bedingungen notwendigerweise erfüllt sein müssen, damit die Regenerationsreaktion zuverlässig, kontrollierbar und schnell abläuft. Außerdem sollte ein Modell für die dabei ablaufenden Vorgänge erarbeitet werden, das diese Prozessabhängigkeiten erklären kann.<br /><br />Zu diesem Zweck wurden zunächst Simulationen innerhalb des 3-Zustands-Modells der BO-Defekte durchgeführt, die zur Absteckung relevanter Parameterbereiche und zum Aufzeigen der Grenzen von Regenerationsprozessen herangezogen wurden. Das komplexe Zusammenwirken der vier bekannten Übergangsreaktionen der BO-Defekte (Degradation, Annealing, Regeneration und Destabilisierung) erwies sich dabei als entscheidend in zweierlei Hinsicht: Zum einen wirkt sich die Wahl der experimentellen Parameter, insbesondere aber nicht ausschließlich der Temperatur, direkt auf die eindeutige Interpretierbarkeit experimenteller Ergebnisse im Rahmen des 3-Zustands-Modells aus. Zum anderen legen die unterschiedlichen Aktivierungseigenschaften der vier Übergangsreaktionen fest, welches Langzeit-Gleichgewicht sich zwischen den drei BO-Zuständen (annealt, degradiert und regeneriert) bei verschiedenen Temperaturen und Injektionsbedingungen einstellt. Sowohl Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen konnten bestätigen, dass sich die BO-Defekte unter realen Beleuchtungsbedingungen im Langzeit-Gleichgewicht fast ausschließlich im regenerierten Zustand befinden. Dieses Ergebnis ist von zentraler Bedeutung für die Beurteilung der Langzeitstabilität der Leistung installierter Solaranlagen. Die Destabilisierung im Dunkeln erwies sich ebenfalls als irrelevant während der typischen Betriebsdauer von Solarzellen. Folglich kann die durch die Regeneration erreichte Bevölkerung des regenerierten Zustands der BO-Defekte als stabil angesehen werden. Ein zuverlässiges und industriell umsetzbares Regenerationsverfahren besitzt also hohe wirtschaftliche Relevanz.<br />Da im Laufe dieser Arbeit die Kinetik der BO-Regeneration an vielen Proben untersucht werden sollte, die sich bezüglich ihres Materials oder der auf sie angewandten Prozesse unterscheiden, musste sicher gestellt werden, dass trotz dieser Unterschiede die Vergleichbarkeit der Proben gewährleitet ist. Aus diesem Grund wurde empirisch eine Korrektur erarbeitet, die prozess- oder materialbedingte Injektionsunterschiede in unter den gleichen Bedingungen regenerierten Proben ausgleicht. Diese Korrektur bildete die Grundlage für alle weiteren Vergleiche zwischen der Regenerationskinetik verschiedener Proben und eröffnete die Möglichkeit für die darauf folgenden vielfältigen Untersuchungen zum Einfluss der Wasserstoffkonzentration auf die Regenerationskinetik.<br />Dabei wurden verschiedene bei der Zellherstellung zentrale Prozessschritte abgedeckt und der Nachweis geführt, dass ohne Wasserstoff keine BO-Regeneration möglich zu sein scheint. Zu den zentralen Ergebnissen gehört dabei die Erkenntnis, dass die Fähigkeit von Oberflächenbeschichtungen, während Hochtemperatur-Feuerschritten atomaren Wasserstoff an das Si-Volumen abzugeben, Voraussetzung für das Stattfinden von BO-Regeneration ist, es sei denn, alternative Hydrogenierungsverfahren kommen zum Einsatz. Darauf basierend bestimmt dann die genaue Ausgestaltung des Feuerprozesses die Kinetik anschließender Regenerationsprozesse. Insbesondere erwiesen sich hohe Maximaltemperaturen und hohe Abkühlraten als sehr vorteilhaft. Eine mögliche Erklärung liefert der Einfluss dieser Parameter auf die Wasserstoffkonzentration im Silizium-Volumen bzw. auf dessen Bindungskonfigurationen nach Abschluss des Feuerprozesses.<br />Zusätzlich dazu stellte sich heraus, dass Vortemperschritte bei mittleren Temperaturen im Bereich zwischen 200°C und 400°C je nach genauer Temperatur und Dauer anschließende Regenerationsprozesse sowohl negativ als auch positiv beeinflussen können. Deshalb wurde eine Beteiligung mehrerer konkurrierender Reaktionen innerhalb des Si-Volumens postuliert, welche sich auf den Bindungszustand von Wasserstoff auswirken können. Dieser bestimmt dann wiederum, ob und in welcher Menge Wasserstoff unter Regenerationsbedingungen innerhalb des Siliziums in einen mobilen Zustand überführt werden kann. Die Resultate werfen ein neues Licht auf die Frage, wie es überhaupt möglich ist, dass bei Temperaturen ab ~60°C eine Reaktion ablaufen kann, in die womöglich atomarer Wasserstoff involviert ist, welcher bei solchen Temperaturen normalerweise kaum vorhanden sein dürfte. Ein Erklärungsansatz stellt die Injektionsabhängigkeit der Bindungsenergie von BH-Paaren dar. Deren Aufbrechen wurde als eine mögliche H-Quelle unter Regenerationsbedingungen identifiziert, was auch ein wesentlicher Grund dafür sein könnte, warum die Regenerationsreaktion nur unter Ladungsträgerinjektion ablaufen kann. Dies ist ein Kernpunkt der vorliegenden Arbeit, der schließlich ein wasserstoffbasiertes Modell der BO-Regeneration überhaupt erst nahe legt.<br />Bezüglich der Materialabhängigkeit der Regenerationskinetik wurde ein Verfahren zur numerischen Trennung verschiedener gleichzeitig auftretender Einflussgrößen vorgestellt und auf Materialien angewendet, die verschiedene Konzentrationen verschiedener Dotanden aufwiesen. Dies führte zu dem Ergebnis, dass mehrere Verunreinigungen, insbesondere aber nicht nur die Akzeptoren Bor und Gallium, in Abhängigkeit ihrer Konzentration im Si-Kristall die BO-Regeneration verzögern. Es wurde diskutiert, wie die Wechselwirkung zwischen unterschiedlichen Verunreinigungen und Wasserstoff in seinen verschiedenen Ladungszuständen in Silizium sowohl die während der BO-Regeneration zur Verfügung stehende Menge Wasserstoff als auch dessen Mobilität und damit schließlich die Regenerationsrate beeinflussen kann.<br /><br />Aus der Kombination dieser experimentellen Resultate wurde das H-Modell der BO-Regeneration entwickelt, in dessen Mittelpunkt die Annahme steht, dass die BO-Regeneration der H-Passivierung von rekombinationsaktiven BO-Defekten entspricht. Dies erfordert das Vorhandensein einer ausreichenden Menge mobilen Wasserstoffs unter Regenerationsbedingungen. Zum einen ist also grundsätzlich eine hohe H-Konzentration im Si-Volumen von Vorteil. Da aber nur atomarer Wasserstoff eine ausreichende Mobilität besitzt, um die beobachteten Vorgänge erklären zu können, ist eine weitere notwendige Bedingung für eine erfolgreiche Umwandlung von BO-Defekten in den regenerierten Zustand, dass vor Beginn des Regenerationsverfahrens Wasserstoff in einem Bindungszustand gespeichert wird, aus dem er unter Regenerationsbedingungen gelöst werden kann. BH-Paare wurden als eine mögliche H-Quelle identifiziert, welche die notwendigen Bedingungen dafür erfüllt. Des Weiteren wurde vorgeschlagen, dass der Ladungszustand des atomaren Wasserstoffs in Silizium, welcher sich durch die für die Regeneration genutzte Beleuchtungsintensität manipulieren lässt, insofern eine entscheidende Rolle spielen könnte, als dass nur die Minderheitszustände H0 (neutral) bzw. H- (negativ geladen) mit dem positiv geladenen BO-Defekt im degradierten Zustand so interagieren können, dass es zu einer H-Passivierung des Defektes kommen kann. Dies kann ein weiterer Grund sein, warum die BO-Regeneration nur unter Ladungsträgerinjektion auftritt. Zusammenfassend konnte so ein Modell entwickelt werden, das eine mögliche Erklärung der Regenerationsreaktion bereitstellt und in Einklang mit allen bisherigen experimentellen Resultaten steht.<br /><br />Die systematische Untersuchung verschiedener wichtiger Prozess- und Materialeigenschaften auf die Regenerationskinetik und das daraus abgeleitete Modell ermöglichte schließlich, den Ablauf des Regenerationsprozesses vorherzusagen und legte damit den Grundstein für die Beschleunigung des gesamten Verfahrens um mehrere Größenordnungen bis hin zur industriellen Realisierung. Es ist damit wahrscheinlich, dass künftige auf Cz-Silizium basierende B-dotierte Solarzellen einen Regenerationsprozess für BO-Defekte durchlaufen werden, der auf den im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erfahrungen und Erkenntnissen basiert. Wilking, Svenja 2017-03-21T13:14:40Z 2017-03-21T13:14:40Z Wilking, Svenja deu 2017

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