Zone-Melting Recrystallization for Crystalline Silicon Thin-Film Solar Cells
Zone-Melting Recrystallization for Crystalline Silicon Thin-Film Solar Cells
Date
2006
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Kieliba, Thomas
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Title in another language
Zonenschmelz-Rekristallisation für kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzellen
Publication type
Dissertation
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Abstract
Thin-film solar cells from crystalline silicon require only a fraction of the high purity absorber material needed for wafer based solar cells. Due to the crystalline structure, the silicon film can be processed into solar cells analogous to multicrystalline silicon wafers - and the cells can reach similar conversion efficiencies.
This work investigates a crystalline silicon thin-film solar cell technology that is based on a so-called high temperature approache. A thin silicon film is applied onto a substrate by chemical vapor deposition (CVD) and subsequently transferred into a coarse-grained structure by zone-melting recrystallization (ZMR). This film acts as a seed film, which is afterwards epitaxially thickened. The final silicon thin film can mainly be processed into solar cells with standard technology.
The ZMR process largely determines the conversion efficiency of the final solar cell, since crystal defects like dislocations or grain boundaries are replicated by the subsequent epitaxial growth. Of special importance are low angle grain boundaries, which are an inevitable feature of the ZMR process and in this connection are called subgrain boundaries. This work examines how dislocations in the epitaxial film are related to subgrain boundaries in the seed film. Experimental results confirm a theory that explained subgrain boundary formation by tilting of subgrains and polygonization of dislocations. Further, the effect of different material and process parameters on dislocation density is examined, like film thickness and ZMR scan speed.
For a quantitative description of the relation between dislocations and electronic film properties, a theoretical model is developed, based upon the work of Donolato (J. Appl. Phys. 84, 2656 - 1998). For the purpose of this work Donolato´s model is extended regarding the use of the quantum efficiency effective diffusion length and the appropriate description of thin devices with a finite thickness and a finite back surface recombination velocity. A technique for automated etch pit density (EPD) mapping has been developed for application of the model to experimental data. Normalized recombination strength values are determined from EPD data and measurements of effective diffusion lengths by spectrally resolved light beam induced current (SR-LBIC). Further, the model can be used to describe the dependence of open circuit voltage on dislocation density.
The last part of this work demonstrates how solar cell conversion efficiency can be improved by a process that is especially adapted to the silicon thin films. With such an optimized process, conversion efficiencies up to 13.5 % (Voc = 610 mV, Jsc = 30.9 mA/cm², and FF = 71.7 %) are demonstrated, for a model substrate with a ~31 µm thick silicon film.
This work investigates a crystalline silicon thin-film solar cell technology that is based on a so-called high temperature approache. A thin silicon film is applied onto a substrate by chemical vapor deposition (CVD) and subsequently transferred into a coarse-grained structure by zone-melting recrystallization (ZMR). This film acts as a seed film, which is afterwards epitaxially thickened. The final silicon thin film can mainly be processed into solar cells with standard technology.
The ZMR process largely determines the conversion efficiency of the final solar cell, since crystal defects like dislocations or grain boundaries are replicated by the subsequent epitaxial growth. Of special importance are low angle grain boundaries, which are an inevitable feature of the ZMR process and in this connection are called subgrain boundaries. This work examines how dislocations in the epitaxial film are related to subgrain boundaries in the seed film. Experimental results confirm a theory that explained subgrain boundary formation by tilting of subgrains and polygonization of dislocations. Further, the effect of different material and process parameters on dislocation density is examined, like film thickness and ZMR scan speed.
For a quantitative description of the relation between dislocations and electronic film properties, a theoretical model is developed, based upon the work of Donolato (J. Appl. Phys. 84, 2656 - 1998). For the purpose of this work Donolato´s model is extended regarding the use of the quantum efficiency effective diffusion length and the appropriate description of thin devices with a finite thickness and a finite back surface recombination velocity. A technique for automated etch pit density (EPD) mapping has been developed for application of the model to experimental data. Normalized recombination strength values are determined from EPD data and measurements of effective diffusion lengths by spectrally resolved light beam induced current (SR-LBIC). Further, the model can be used to describe the dependence of open circuit voltage on dislocation density.
The last part of this work demonstrates how solar cell conversion efficiency can be improved by a process that is especially adapted to the silicon thin films. With such an optimized process, conversion efficiencies up to 13.5 % (Voc = 610 mV, Jsc = 30.9 mA/cm², and FF = 71.7 %) are demonstrated, for a model substrate with a ~31 µm thick silicon film.
Summary in another language
Dünnschichtsolarzellen aus kristallinem Silicium benötigen nur einen Bruchteil des hochreinen Absorbermaterials, das für eine vergleichbare Solarzelle aus Silicium-Wafern eingesetzt wird. Durch die kristalline Form kann der Siliciumfilm ähnlich wie die heute dominierenden multikristallinen Silicium-Wafer zu Solarzellen prozessiert werden - und es ist ein ähnlich hoher Wirkungsgrad erreichbar.
Diese Arbeit untersucht die Technologie für eine kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzelle basierend auf einem sogenannten Hochtemperaturansatz. Durch Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) wird ein dünner Silicium-Films auf einem Substrat erzeugt und anschließend mittels Zonenschmelz-Rekristallisation (Zone-Melting Recrystallization, ZMR) in eine großkörnige Struktur umgewandelt. Dieser Film bildet eine Keim- oder Saatschicht, die nachfolgend epitaktisch verdickt wird. Der fertige Siliciumfilm kann nun weitgehend mit Standardprozessen zur fertigen Solarzelle weiterverarbeitet werden.
Der Zonenschmelz-Rekristallisationsschritt ist entscheidend für den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle, da Kristalldefekte in der Saatschicht - wie Versetzungen oder Korngrenzen - durch das nachfolgende eptiaktische Wachstum übernommen werden. Von besonderer Bedeutung sind spezielle Kleinwinkelkorngrenzen, die beim ZMR-Prozess unvermeidlich entstehen und die als Subkorngrenzen bezeichnet werden. Die Arbeit untersucht, wie Versetzungen in der epitaktisch gewachsenen Schicht mit Subkorngrenzen in der Saatschicht zusammenhängen. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen eine Theorie, die das Entstehen der Subkorngrenzen durch das Verkippen von Teilkörnern und anschließende Polygonisierung der Versetzungen erklärt. Weiter wird der Einfluss verschiedener Material- und Prozessparameter - wie Schichtdicke und Ziehgeschwindigkeit - auf die Defektdichte analysiert.
Um den Zusammenhang zwischen Versetzungen im Kristallgitter und elektronischen Filmeigenschaften quantitativ zu beschreiben, wird ein theoretisches Modell entwickelt, dass auf der Arbeit von Donolato [J. Appl. Phys. 84, 2656 (1998)] basiert. Donolatos Modell wird hierzu für die Verwendung der Quanteneffizienz-Effektiven-Diffusionslänge angepasst und für die Beschreibung einer dünnne Solarzelle mit endlicher Dicke und endlicher Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit erweitert. Zur Anwendung des Modells auf experimentelle Daten wurde ein Verfahren zur automatisierten Messung der Ätzgrubendichte (Etch Pit Density, EPD) entwickelt. Aus EPD-Daten und Messungen der effektiven Diffusionslänge mittels Spectrally Resolved Light Beam Induced Current (SR-LBIC) können normalisierte Rekombinationsstärken bestimmt werden. Zusätzlich lässt sich mit dem entwickelten Modell die Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung von der Versetzungsdichte beschreiben.
Der letzte Teil der Arbeit zeigt auf, wie der Solarzellen-Wirkungsgrad durch eine an die speziellen Silicium-Filme angepasste Prozessierung verbessert werden kann. Mit einem optimierten Prozess werden auf einem Modellsubstrat mit einer ~31 µm dicken Siliciumschicht Wirkungsgrade bis zu 13,5 % (Voc = 610 mV, Jsc = 30,9 mA/cm² und FF = 71,7 %) demonstriert.
Diese Arbeit untersucht die Technologie für eine kristalline Silicium-Dünnschichtsolarzelle basierend auf einem sogenannten Hochtemperaturansatz. Durch Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) wird ein dünner Silicium-Films auf einem Substrat erzeugt und anschließend mittels Zonenschmelz-Rekristallisation (Zone-Melting Recrystallization, ZMR) in eine großkörnige Struktur umgewandelt. Dieser Film bildet eine Keim- oder Saatschicht, die nachfolgend epitaktisch verdickt wird. Der fertige Siliciumfilm kann nun weitgehend mit Standardprozessen zur fertigen Solarzelle weiterverarbeitet werden.
Der Zonenschmelz-Rekristallisationsschritt ist entscheidend für den Wirkungsgrad der fertigen Solarzelle, da Kristalldefekte in der Saatschicht - wie Versetzungen oder Korngrenzen - durch das nachfolgende eptiaktische Wachstum übernommen werden. Von besonderer Bedeutung sind spezielle Kleinwinkelkorngrenzen, die beim ZMR-Prozess unvermeidlich entstehen und die als Subkorngrenzen bezeichnet werden. Die Arbeit untersucht, wie Versetzungen in der epitaktisch gewachsenen Schicht mit Subkorngrenzen in der Saatschicht zusammenhängen. Die experimentellen Ergebnisse bestätigen eine Theorie, die das Entstehen der Subkorngrenzen durch das Verkippen von Teilkörnern und anschließende Polygonisierung der Versetzungen erklärt. Weiter wird der Einfluss verschiedener Material- und Prozessparameter - wie Schichtdicke und Ziehgeschwindigkeit - auf die Defektdichte analysiert.
Um den Zusammenhang zwischen Versetzungen im Kristallgitter und elektronischen Filmeigenschaften quantitativ zu beschreiben, wird ein theoretisches Modell entwickelt, dass auf der Arbeit von Donolato [J. Appl. Phys. 84, 2656 (1998)] basiert. Donolatos Modell wird hierzu für die Verwendung der Quanteneffizienz-Effektiven-Diffusionslänge angepasst und für die Beschreibung einer dünnne Solarzelle mit endlicher Dicke und endlicher Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit erweitert. Zur Anwendung des Modells auf experimentelle Daten wurde ein Verfahren zur automatisierten Messung der Ätzgrubendichte (Etch Pit Density, EPD) entwickelt. Aus EPD-Daten und Messungen der effektiven Diffusionslänge mittels Spectrally Resolved Light Beam Induced Current (SR-LBIC) können normalisierte Rekombinationsstärken bestimmt werden. Zusätzlich lässt sich mit dem entwickelten Modell die Abhängigkeit der offenen Klemmenspannung von der Versetzungsdichte beschreiben.
Der letzte Teil der Arbeit zeigt auf, wie der Solarzellen-Wirkungsgrad durch eine an die speziellen Silicium-Filme angepasste Prozessierung verbessert werden kann. Mit einem optimierten Prozess werden auf einem Modellsubstrat mit einer ~31 µm dicken Siliciumschicht Wirkungsgrade bis zu 13,5 % (Voc = 610 mV, Jsc = 30,9 mA/cm² und FF = 71,7 %) demonstriert.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
thin-film solar cells,crystalline silicon,zone-melting recrystallization,dislocations,charge carrier lifetime
Conference
Review
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Cite This
ISO 690
KIELIBA, Thomas, 2006. Zone-Melting Recrystallization for Crystalline Silicon Thin-Film Solar Cells [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Internal note
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Examination date of dissertation
September 22, 2006
Method of financing
Comment on publication
Als Ms. gedr.. Berlin : dissertation.de Verlag im Internet GmbH, 2006