Spuren- und Strukturanalyse an Ausscheidungen in multikristallinem Solarsilizium
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- Lisa Schumacher
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1 Spuren- und Strukturanalyse an Ausscheidungen in multikristallinem Solarsilizium 3. Photovoltaik-Symposium, Bitterfeld-Wolfen, 4. November 2011 Susanne Richter Mikrostrukturdiagnostik und Analytik Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP Walter-Hülse-Str Halle (Saale) susanne.richter@csp.fraunhofer.de
2 Inhalt Motivation Experimentelle Methoden Lokalisierung von Präzipitaten Überblick über Präzipitattypen Ergebnisse Zusammenfassung
3 Motivation Lokale strukturelle und chemische Eigenschaften beeinflussen η consumer A V + anode? E front contact anti-reflective coating n-si pn-junction p-si back contact space charge region cathode J rec, R p Kristalldefekte (Punktdefekte, Versetzungen, Stapelfehler, Korngrenzen) Dotanden, Metalle ( Durchbruchsmechanismen) Ausscheidungen (SiC, Si 3 ) Einfluss auf Defektbildung, Ladungsträgerlebensdauer, R P, V OC, FF 3
4 Motivation Wo ist die Kenntnis über Präzipitate von Relevanz? 1) Kristallisation Bricks werden standardmäßig durchleuchtet (Intego) Auflösung begrenzt, Bewertung Prozess unzureichend, IR-Mikroskopie vervollständigt Statistik 2) Wafering Inline-Waferdurchleuchtung ebenfalls in Auflösung begrenzt, alternative Verfahren wie Spannungsoptik, akustische Mikroskopie denkbar Fragestellung: Ab wann und welche Präzipitate sind kritisch? (Sägeriefenbildung) 3) Zellprozessierung Lage/Größe bestimmt neben chem. Zusammensetzung Einfluss innerhalb Zelle Neue Zellkonzepte mit lokalen Kontakten bergen weitere Risiken, die eingeschätzt und verstanden werden müssen 4
5 Übersicht über die Präzipitattypen 10 µm 10 µm SiC Partikel Si 3 Stäbe SiC Filamente Si x C y N z Fasern und Netze <10 µm Durchmesser, bis 1 mm µm im Durchmesser <1 µm im Durchmesser, aber bis zu 2-3 mm Länge <500 nm im Durchmesser, Länge bis zu 3 mm (Netze) und 8 mm (Fasern) Polygonaler Durchmesser, separat gewachsen, in Kombination mit SiC Kompakte Partikel, Klusterbildung irreguläre Filamente, teilw. verbunden, auch separates Wachstum Gemeinsame Wachstumszentren, stark vernetzte Strukturen, unterschiedlich filigran J. P. Rakotoniaina et al.; 20th EU-PVSEC (2005) J. Bauer et al., 17th NREL Workshop (2007) 233 S. Richter et al., 25th EU-PVSEC (2010) S. Richter et al., Phys. Stat. Sol. (c) 8, No. 3 (2011) J. Bauer et al., Phys. Stat. Sol. (a) 204 (2007) A.K. Søiland et al., Mat. Sci. in Semicond. Proc. 7 (2004), 39 5
6 Experimentelle Methoden (1) Lokalisierung von Präzipitaten IR Mikroskopie auf Waferlevel Lock-In Thermographie (LIT) & IR-Mikroskopie auf Zellebene (2) Chemische und strukturelle Eigenschaften Transmission Electron Microscopy (TEM) mit Nanospot Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and Selected Area Electron Diffraction (SAED) Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) (3) Elektrische Eigenschaften Scanning Electron Microscopy (SEM) mit Backside Electron Beam Induced Current (BS-EBIC) 4-Punkt-Messung 6
7 Lokalisierung von SiC und Si3N4 Präzipitaten mc-si Scheiben/Waferebene mc-si Zellebene Korngrenze Intego-Durchleuchtung Sägen & Präparation IR-Mikroskopie Hotspots IR-Durchleuchtung eines Bricks Mittels LIT werden Shunts als Hotspots sichtbar Rückseitenpolitur für weitere Analysen benötigt IR-Mikroskopie 7
8 Präzipitattypen 10 µm 10 µm SiC Partikel Si 3 Stab SiC Filamente Si 3 Fasern und Netze hexagonal kubisch kubisch Struktur β-si 3 C, O β-sic N-dotiert >10 19 at/cm³ β-sic hoch N-dotiert ~3x10 21 at/cm³ Chemische Zusammensetzung Elektrische Eigenschaften 8 S. Richter, V. Naumann, D. Lausch et al., 25th EU-PVSEC (2010)
9 Chemische Charakterisierung von Si 3 Fasern Negative ToF-SIMS Ionenbilder C O CN DL SiC SiN SiCN AL Oberfläche geätzt mit HF/HNO 3 Lösung enthält C ebenso wie N ( Aura ), hoher O-Gehalt 9 S. Richter, M. Werner et al., 21 st Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes (2011), 27-34
10 Chemische Charakterisierung von Si 3 Fasern Positive ToF-SIMS Ionenbilder Ca Si 2 N 50 µm Invertierte Farbskala genutzt für besseren Kontrast Overlay zeigt Ca an Position von Si 3 Fasern S. Richter, M. Werner et al., st Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes (2011), 27-34
11 Chemische Charakterisierung von Si 3 Netzen Negative ToF-SIMS Ionenbilder C O C 2 50 µm SiCN SiC SiN AL enthält C ebenso wie N, hoher O-Gehalt Lokale Anreicherung von C (siehe C 2 -Ionenbild) S. Richter, M. Werner et al., st Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes (2011), 27-34
12 Chemische Charakterisierung von Si 3 Netzen Positive ToF-SIMS Ionenbilder SiN Al Ca 50 µm Invertierte Farbskala genutzt für besseren Kontrast Overlay zeigt Ca und Al an Position von Si 3 Netz Unterscheiden sich Si 3 Netze & Fasern in Struktur? S. Richter, M. Werner et al., st Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes (2011), 27-34
13 Stöchiometrische Zusammensetzung und Kristallsstruktur von Si 3 Fasern und Netzen Element C N O Si Si 3 Faser vs. Si Matrix [atom %] Si 3 Netz vs. Si Matrix [atom %] TEM Lamelle von Si 3 Faser mit SAED TEM Lamelle von Si 3 Netz mit SAED Hoher Basisgehalt von C (auch in Si Matrix) C Film auf Au TEM Netzchen Kontamination durch Elektronenstrahl unterschiedl. Lamelladicke Verhältnis von C-Gehalt zu Si Matrix für Si 3 Faser >2x höher C-Gehalt ist höher für Si 3 Fasern Si 3 Fasern enthalten mehr O trigonalesα-si 3 mit Gitterkonstanten a = nm und c = nm S. Richter, M. Werner et al., st Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes (2011), 27-34
14 Klassifikation von Präzipitattypen Vergleich von charakteristischen ToF-SIMS Massenpeaks, die für jeden Typ auftreten SiC artige Normalisiertes Intensitätsverhältnis ermöglicht Klassifizierung I = I I SiC SiC + I I SiN SiN Si 3 artige S. Richter, M. Werner et al., st Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells & Modules: Materials and Processes (2011), 27-34
15 Klassifikation von Präzipitattypen 10 µm 10 µm SiC Partikel Si 3 Stab SiC Filamente Si 3 Fasern und Netze hexagonal kubisch kubisch trigonal trigonal β-si 3 β-sic β-sic α-si 3 α-si 3 C, O N-dotiert hoch N-dotiert C, O > C, O >10 19 at/cm³ ~3x10 21 at/cm³ 15
16 Zusammenfassung Basismaterialparameter der Präzipitattypen evaluiert Shuntmechanismen von SiC artigen Präzipitaten erklärt, für einige Si 3 rods angenommen Charakterisierung von Si 3 artigen Fasern und Netzen: Si 3 Fasern enthalten Ca und mehr C, O als Netze Si 3 Netze wirken getternd bzgl. Al, Ca Shuntwirkung nicht unwahrscheinlich aufgrund ausgedehnter Morphologie und der enthaltenen Fremdelemente Klassifikation bezogen auf charakteristische ToF-SIMS Intensitätsverhältnisse möglich und kann genutzt werden z.b. für statistische Auswertung, Einschätzung Prozessparameter u.a. 16
17 Danksagung No.: 03IP607 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 17
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