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Plasma-based surface modification technologies for crystalline silicon photovoltaics

Plasmabasierte Oberflächenmodifizierungstechnologien für kristalline Siliziumphotovoltaik
 
: Seiffe, J.S.

:
Volltext ()

Freiburg, 2013, 228 S. : Ill.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2013
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-91936
Englisch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer ISE ()

Abstract
This thesis deals with the investigation and evaluation of innovative plasma-based technologies for crystalline silicon solar cell manufacturing. For this purpose, various process ideas are developed and evaluated for their feasibility.
First, the possibility to remove the phosphorus-rich surface region of a POCl3 diffused emitter with an SF6 plasma before depositing a surface-passivating anti-reflection coating (ARC) by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) is presented. The challenge for the etching process using a high-throughput, industrial-type inline plasma system is the controlled removal of only ca. 30 nm in a sufficient homogeneity that maintains uniform emitter conductivity. To implement this dry-etching process cost-effectively, it has to be performed in one vacuum step with the deposition of the ARC.
Furthermore, the development of an industrially feasible two-step plasma texturing process for the solar cell’s front side is described. The complex reaction of a silicon surface with an SF6/O2 plasma discharge in a high-throughput inline plasma system is extensively characterized. From the different observations the idea for a two-step plasma-texturing process for polished surfaces is developed. Silicon solar cells based on multicrystalline substrate wafers, are presented as proof of concept. An average efficiency improvement of 0.2 % absolute compared to standard acidic textured solar cells is achieved by just exchanging the surface texturing process. With an additional Al2O3 layer below the silicon nitride to improve the passivation of the plasma-textured surface the conversion efficiency is improved in average by 0.4 % absolute.
Moreover, the development of multifunctional PECVD layers combining any function of dopant source, surface passivation, optics and isolation, which are desirable for crystalline silicon solar cell’s front and rear side coatings, is presented. An extremely simple process is possible by the consequent use of these layers, as the dopant source removal is redundant, no dopant-gas is necessary during the high-temperature diffusion, and a side-selective doping is possible. With a double-layer stack of a phosphorus-doped silicon oxide and a phosphorus-doped silicon nitride, an efficient multifunctional anti-reflection layer is presented. A PECVD double-layer stack of thin aluminum oxide and boron-rich amorphous silicon is presented as multifunctional layer for the rear side of a solar cell.
By consequent usage of the two different multifunctional layers, a few-step production scheme for PERT solar cells becomes possible. A first proof of concept for such a cell process is presented leading to a maximum efficiency of eta = 18.3 % on 145 µm thin Cz silicon. The high open-circuit voltage Voc = 648 mV proves the stability of the surface passivation in face of the high-temperature annealing during the diffusion process.
Additionally to the experimental results, total costs of ownership calculations are presented for the two-step plasma-texturing process and for the multifunctional-layer approach. It is shown that if a flat rear surface is necessary, a polishing saw-damage removal followed by a plasma-texturing process on the front side could become an alternative for multicrystalline solar cells. With the multifunctional-layer approach a considerable cost benefit could be achieved due to the simple process flow.
Last but not least, a theoretical description of the non-equilibrium behavior of surface states during charge carrier decay is described. The determination of the effective charge carrier lifetime from photoconductance decay in transient or quasistatic mode is one of the most important measurements to evaluate surface passivation or material quality in crystalline silicon photovoltaics. In this thesis, the effect of non-equilibrium in the surface-state occupation on the effective charge carrier lifetime measurement is described. An analytical model is presented to describe the non-equilibrium of surface states and its consequence for the measured effective charge carrier lifetimes in transient or quasistatic mode.

 

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Bewertung neuartiger, plasmabasierter Herstellungsverfahren für die kristalline Siliziumsolarzellenproduktion. Hierzu wurden verschiedene innovative Prozessideen entwickelt und auf ihre Machbarkeit überprüft.
Zunächst wird die Entwicklung eines möglichen SF6-Plasmaätzprozesses zur Entfernung der stark dotierten Oberfläche eines diffundierten Phosphoremitters mit anschließender plasmaunterstützter Gasphasenabscheidung (PECVD) einer passivierenden Antireflexbeschichtung (ARC) beschrieben. Die Herausforderung in der Entwicklung des Ätzprozesses ist in einer Hochratendurchlaufplasmaanlage kontrolliert 30 nm von der Siliziumoberfläche zu entfernen und dabei eine homogene Emitterleitfähigkeit zu erhalten. Des Weiteren muss die entstehende Oberfläche für die anschließende ARC-Abscheidung ausreichend rückstands- und schädigungsfrei sein, um eine gute Oberflächenpassivierung zu erreichen.
Des Weiteren wird die Entwicklung eines industrietauglichen, zweistufigen Plasmaätzprozesses zur Bildung einer lichteinfangenden Oberflächentexturierung beschrieben. Verschiedene Untersuchungen zur komplexen Reaktion einer Siliziumoberfläche mit einem SF6/O2-Plasma werden präsentiert. Basierend auf den verschiedenen Beobachtungen wird die Idee eines zweistufigen Prozess, der mit wenig Siliziumabtrag von einer polierten Oberfläche zu einer effizienten Oberflächentextur führt, beschrieben. Die Eignung dieses Prozesses wurde anhand multikristalliner Siliziumsolarzellen gezeigt, bei denen im Mittel ein Effizienzgewinn von 0,2 % absolut gegenüber dem standardmäßig verwendeten Texturverfahrens erreicht wird. Mit einer zusätzlich zur ARC aufgebrachten dünnen Aluminiumoxidschicht kann mit der entwickelten Textur sogar ein mittlerer Gewinn von 0,4 % absolut erreicht werden.
Weiterhin wird die Entwicklung von mittels PECVD abgeschiedenen, multifunktionellen Schichten beschrieben, die als Dotierstoffquelle für eine Hochtemperaturdiffusion fungieren und anschließend als Oberflächenpassivierungschicht mit Antireflexwirkung bzw. rückseitenverspiegelnder Wirkung als Bestandteil der Solarzelle erhalten bleiben. Ein extrem einfacher Herstellungsprozess für rückseitendiffundierte und –passivierte Solarzellen wird durch die Anwendung dieser Schichten möglich. Die Entfernung der Dotierstoffquelle sowie eines rückseitigen Emitters wird überflüssig und Phosphor und Bor können gleichzeitig seitenselektiv in den Siliziumwafer diffundiert werden.
Als phosphorhaltige Antireflexbeschichtung wurde ein Zweischichtsystem basierend auf einem phosphorhaltigen Siliziumoxid sowie einem phosphorhaltigen Siliziumnitrid entwickelt. Mit diesem Schichtsystem ist es möglich eine effiziente Oberflächenpassivierung mit einer als Dotierstoffquelle verwendeten Antireflexbeschichtung zu erzielen. Ein Zweischichtsystem bestehend aus einer dünnen Aluminiumoxidschicht und einer borreichen amorphen Siliziumschicht wird als multifunktionelle Beschichtung für die Solarzellenrückseite präsentiert. Die gemeinsame Verwendung der beiden multifunktionellen Schichtsysteme erlaubt eine extrem einfache Prozessierung von beidseitig diffundierten und passivierten sogenannten PERT-Solarzellen. Die Machbarkeit dieses einfachen Prozessflusses wird anhand erster Solarzellen gezeigt, die auf 145 µm dünnen Cz Siliziumwafern bereits einen Spitzenwirkungsgrad von eta = 18,3 % erreichen. Die hohe Offene-Klemmen-Spannung von Voc = 648 mV bestätigt die stabile Oberflächenpassivierung trotz des Hochtemperaturdiffusionsprozesses.
Zusätzlich zu den experimentellen Ergebnissen wird die Berechnung der Gesamtbetriebskosten für die Herstellung von Solarzellen mithilfe der wichtigsten in dieser Arbeit entwickelten Prozesse präsentiert. Es wird gezeigt, dass der zweistufige Plasmatexturprozess für rückseitenpassivierte, multikristalline Solarzellen eine Alternative darstellen kann, da hier eine polierte Rückseite in Verbindung mit einer texturierten Vorderseite von Nöten ist und somit die Einseitigkeit der Plasmatextur zum Vorteil wird. Die Verwendung der multifunktionellen Beschichtung kann zu einem deutlichen Kostenvorteil gegenüber dem heutigen Standardprozess führen.
Zuletzt wird eine theoretische Beschreibung des Einflusses der Besetzungsdynamik von Oberflächenzuständen auf Photoleitfähigkeitsmessungen entwickelt und experimentell überprüft. Die effektive Überschussladungsträgerlebensdauer ist eine enorm wichtige Größe zur Bewertung von Oberflächenpassivierungen oder Materialqualitäten in der kristallinen Siliziumphotovoltaik. Typischerweise wird sie aus dem transienten oder quasistatischen Abklingen der lichtinduzierten Leitfähigkeit bestimmt. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Besetzungsdynamik von Oberflächenzuständen auf diese Messung sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Ein analytisches Modell wird präsentiert, das die beobachteten Abweichungen in guter Übereinstimmung erklären kann.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-389322.html