Laser treatment of silicon thin-films for photovoltaic applications

Maurer, Claudia; Rau, Uwe; Knoch, Joachim

doi:HT019789987

Laser treatment of silicon thin-films for photovoltaic applications = Laserbehandlung von Dünnschicht Silizium für photovoltaische Anwendungen

Maurer, Claudia^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeClaudia Maurer

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (vii, 165 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-347-1

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment ; 432

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Knoch, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-227350
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/731221/files/731221.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/731221/files/731221.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laser (frei) ; PL (frei) ; Photoluminescense (frei) ; Raman (frei) ; TOPCon (frei) ; a-Si:H (frei) ; amorphous silicon (frei) ; microcrystalline silicon (frei) ; passivated contacts (frei) ; solar cells (frei) ; thin-film silicon (frei) ; uc-Si:H (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Dünnschicht Silizium ist ein bedeutendes Material in der Photovoltaik. Sowohl amorphes (a-Si:H) als auch mikrokristallines (µc-Si:H) Silizium werden seit langem als Absorber in Dünnschicht Solarzellen verwendet. Darüber hinaus wird die Oberflächenpassiverung von Heteroübergangs Solarzellen mit a-Si:H erzielt. Des Weiteren findet Anwendung für Tunneloxid passivierte Kontakte. Dafür ist eine thermische Nachbehandlung des a-Si:H notwendig, wodurch kristalline Anteile im Material entstehen. Dieser Temperschritt wird bei hohen Temperaturen durchgeführt, wodurch Schäden im Tunneloxid entstehen können. Folglich gibt es Überlegungen, amorphes Silizium durch mikrokristallines zu ersetzen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen von Laser Behandlungen auf strukturelle, elektrische und optische Eigenschaften von a-Si:H und µc-Si:H untersucht. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Wasserstoffdiffusion in a-Si:H auf Glassubstraten. Um den Einfluss der Laserbehandlung auf den Wasserstoffgehalt und die Mikrostruktur bewerten zu können, wurde zunächst Raman Spektroskopie in Hinblick auf die Eignung als Analysemethode evaluiert. Dafür wurden a-Si:H Schichten auf infrarot transparenten Substraten deponiert und bei unterschiedlichen Temperaturen im Ofen getempert. Diese Proben wurden sowohl mit Fourier Transformierter Infrarot Spektroskopie, einer etablierten Methode, als auch mit Raman Spektroskopie analysiert. Der Vergleich der Messergebnisse zeigt, dass Raman Spektroskopie geeignet ist, um die relative Änderung des Wasserstoffgehalts in a-Si:H zu bestimmen. Darüber hinaus ist der qualitative Verlauf des Mikrostrukturparameters beider Methoden vergleichbar. Folglich kann der Einfluss einer Laserbehandlung auf den Wasserstoffgehalt und den Mikrostrukturparameter mittels Raman Spektroskopie substratunabhängig analysiert werden. Zur Laserbehandlung von a-Si:H wurde ein Kurzpulslaser mit einem rechteckigen Strahlprofil und einer Wellenlänge von 532 nm verwendet. Sowohl die Behandlungsdauer als auch die Laserleistung wurden bei diesen Experimenten variiert. Zur Vergleichbarkeit der Behandlung mit verschiedenen Parametern wurde die Temperaturentwicklung während der Laserbehandlung aufgezeichnet. Da der Einfluss der Temperatur auf die Diffusion größer ist als der Einfluss der Zeit, wurde die maximale Temperatur verwendet, um die Ergebnisse zu vergleichen. Durch die Laserbehandlung wurde der Wasserstoffgehalt bereits bei einer Behandlungsdauer von 3 s und einer maximalen Prozesstemperatur von 214 °C reduziert. Im Rahmen der Experimente wurde der Wasserstoffgehalt unter die Nachweisgrenze des Raman Spektrometers reduziert. Zusätzlich wurden Finite Element Simulationen zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die intensive Bestrahlung durch den Laser die Diffusion verstärkt, wodurch der Wasserstoffgehalt bei niedrigen Temperaturen und kurzen Behandlungszeiten reduziert wird. Die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften ergibt, dass der Wasserstoffgehalt mit dieser Laserbehandlung über einen weiten Bereich reduziert werden kann, ohne die Hell- und Dunkelleitfähigkeit zu beeinflussen. Aufgrund des reduzierten Wasserstoffgehalts verschiebt sich die Absorptionskante für maximale Prozesstemperaturen T≥ 522 °C zur niedrigeren Energie hin. Ein Anstieg der Absorption bei 1,2 eV und damit ein Anstieg der Defekte tief in der Mobilitätslücke wird erst ab T≥ 603 °C beobachtet. In weiteren Experimenten wurde der Einfluss einer Laserbehandlung auf p-Typ µc-Si:H untersucht. Hierfür wurde die gleiche Laserquelle verwendet wie für die Behandlung von a-Si:H. Die Behandlung unterscheidet sich insofern, dass die behandelte µc-Si:H Fläche mit einem linienförmigen Strahlprofil gescannt wurde. Zunächst wurde der Einfluss auf den spezifischen Widerstand, die Hall Mobilität und die Ladungsträgerdichte auf Glassubstraten untersucht. Der spezifische Widerstand wurde dabei um den Faktor 20 reduziert, während die Hall Mobilität und den Faktor 6.1 und die Ladungsträgerdichte um den Faktor 3,2 erhöht wurden. Eine hohe Dotierstoffkonzentration ist bei selektiven passivierten Feld-Effekt Kontakten besonders wichtig. Je höher die Dotierstoffkonzentration ist, desto größer wird das elektrische Feld, wodurch sich die Selektivität der Kontakte verbessert. Zudem ist eine hohe Leitfähigkeit wünschenswert, um parasitäre Widerstände zu reduzieren. Der für p-Typ µc-Si:H auf Glassubstraten erarbeitete Laserprozess wurde auf Siliziumwafer mit Tunneloxid Passivierung übertragen. An dieser Stelle liegt der Fokus auf dem Einfluss der Laserbehandlung auf die Qualität der Passivierung und den Schichtwiderstand. Die Ladungsträgerlebensdauer wurde durch die Laserbehandlung verdoppelt, während gleichzeitig der Schichtwiderstand reduziert wurde. Die Reduktion des Schichtwiderstandes lässt als Folge der Versuche auf Glassubstraten auf eine Depassivierung der Dotierstoffe und somit eine bessere Feldeffekt Passivierung schließen. Die Laserprozesse wurden mit Temperprozessen im Ofen verglichen. Dabei zeigt sich, dass die höchste Lebensdauer für beide Methoden bei einer vergleichbaren Prozesstemperatur liegt. Hierbei ist zu beachten, dass die Lebensdauer bei den Ofenprozessen nur um 34 % erhöht wurde, während der Laserprozess zu einer Verbesserung von mehr als 100 % erreicht.

Thin-film silicon is an important material in the fields of photovoltaics. As well as microcrystalline (µc-Si:H), amorphous (a-Si:H) silicon has been used for a long as an absorber in thin-film solar cells. Moreover, the surface passivation of c-Si wafers for heterojunction solar cells is achieved with a-Si:H. In addition, a-Si:H is used as precursor for tunnel oxide passivated contacts. Here, a post-deposition thermal treatment of the a-Si:H layer is mandatory. In doing so, the amorphous silicon develops crystalline phases. This annealing step is conducted at high temperatures, risking damage to the tunnel oxide. As a consequence, there is the idea of replacing amorphous silicon with microcrystalline silicon. In this work, the influence of a laser treatment on the structural, electrical and optical properties of a-Si:H and µc-Si:H was investigated. The diffusion of hydrogen for a-Si:H on glass substrates is thus of special interest. Firstly, the eligibility of Raman spectroscopy to evaluate the influence of a laser treatment on the hydrogen concentration and the microstructure was studied. Therefore, a-Si:H was deposited on infrared transparent substrates. After deposition, the samples were annealed at different temperatures in a furnace. These samples were also analyzed with Fourier Transform Infrared Spectroscopy, a well-established method, in addition to Raman spectroscopy. The comparison of both analysis methods proved that Raman spectroscopy can be used to determine the relative change of the hydrogen concentration of amorphous silicon. In addition, the qualitative evolution of the microstructure parameter is competitive. As a result, Raman spectroscopy can be used to evaluate the influence of a Laser treatment on the hydrogen concentration and the microstructure parameter of amorphous silicon. For the laser treatment of a-Si:H a short-pulse laser with a wavelength of 532 nm and a rectangular beam profile was used. For these experiments, both the treatment time and the Laser power were varied. In order to compare the results obtained with different treatment parameters, the temperature evolution during the laser treatment was recorded. As the impact of the temperature has more impact on the diffusion than the time, the maximum process temperature was used to compare the results. Due to the Laser treatment, a decrease of the hydrogen concentration was already observed for process times as short as 3 s and a maximum process temperature as low as 214 °C. Within the experiments of this study, the hydrogen concentration was reduced below the detection threshold of Raman spectroscopy. In addition, Finite Element simulations were conducted to determine the hydrogen concentration. The simulation results show that the intense irradiation of the laser treatment promotes the hydrogen diffusion, while the hydrogen concentration can be reduced at low temperatures and short treatment times. The analysis of the photo- and dark conductivity revealed that the hydrogen concentration can be reduced over a large parameter range without negative impact on the electrical properties. However, the absorption edge is shifted to lower energies due to the reduced hydrogen concentration. An increase of the sub-bandgap absorption at 1.2 eV and with it an increase of deep defects was not observed for temperatures smaller than ≥603 °C.The influence of a laser treatment on p-type µc-Si:H was investigated in further experiments. Here, the same laser source as for the previous experiments was used. However, the treatment was different than before, as the treated surface was scanned with a line shaped laser beam. First the influence on the resistivity, the hall mobility and the carrier concentration for p-type µc-Si:H on glass substrates were studied. Due to the laser treatment, the resistivity was decreased by a factor of 20, while the hall mobility was increased by a factor of 6.1 and the carrier density by a factor of 3.2.A high doping concentration is of importance for selective field-effect passivated contacts. The higher the doping concentration the higher is the resulting electrical field, while the selectivity of the contacts is improved. In addition, a high conductivity is favorable in order to reduce parasitic resistance. The laser process that was established for p-type µc-Si:H on glass substrates was transferred to tunnel oxide passivated c-Si wafers. For the latter, the focus of the laser treatment is on the passivation quality and the sheet resistance. The minority carrier lifetime was doubled due to the laser treatment, while, at the same time, the sheet resistance could be decreased. As a result of the experiments of glass substrates, the reduction of the sheet resistance implies the de-passivation of dopands and with it, an improved field-effect passivation. These Laser processes were compared to a furnace treatment. The comparison revealed that the highest lifetime was obtained for both methods at a similar process temperature. However, the lifetime was increased by 34 % for furnace annealing while the lifetime of the laser treated samples showed an increase greater than 100 %.

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