Modeling and characterization of polycrystalline silicon for solar cells and microelectronics

Abstract

The present work models and characterizes the electronic properties of polycrystalline silicon films and solar cells. The analytical and numerical models provide limiting values of solar cell efficiency that can be reached with polycrystalline silicon. These limit efficiencies are of prime interest for the development of the polycrystalline silicon solar cell technology. The electronic characterization of laser-crystallized silicon films given in this work, provides a complete picture of the electronic transport and recombination parameters, which were unknown up to now. Polycrystalline silicon solar cells show a grain size dependence of the electrical output parameters, regardless of the preparation method. This work develops an analytical model considering the recombination in the space-charge region and in the base of the cell, finding that the open circuit voltage and the short circuit current density are linked by a single parameter, which is the effective diffusion length. Additionally, I develop a second model that relates the effective diffusion length to the short-circuit current density and the optical generation rate. Both models constitute new methods to extract the diffusion length in a solar cell. The model is then utilized to explain the grain size dependence of polycrystalline silicon solar cells output parameters over six orders of magnitude of the grain size. I show that the literature data of 10 % efficient cells with grain sizes as small as 10 nm, is explained by a very low grain boundary recombination velocity between 100 and 1000 cm/s. The origin of such low recombination velocities is proposed in a recent paper, which explains that since all the cells with small grains and high efficiency were reported to have a {220} surface texture, the low recombination velocity could be explained by a large amount of defect-free [110]-tilt grain boundaries. A two-dimensional numerical model developed specifically for pin solar cells with small grain sizes, confirms that the efficient cells made from small-grained films, must have grain boundary recombination velocities in the range of 100-1000 cm/s, in agreement with the predictions of the analytical model. The simulations also set bounds upon the efficiency of microcrystalline solar cells: with a grain size and cell thickness around 1 mm, and a recombination velocity between 100 and 1000 cm/s, an efficiency of 10 % can be reached using a pin structure (as confirmed by the record values found in literature); while a higher limit of 15 % is found for pn cells with highly passivated contacts. The higher efficiency limit found in the pn cells is a consequence of the Shockley-Read-Hall recombination statistics, which yields lower recombination rates at defect levels in the center of the energy gap in a doped material, leading to higher open circuit voltages of the pn cells compared to pin cells. To give a more simple picture of the pin cells modeled numerically, an analytical model for the current/voltage characteristics of the pin cell is developed. Unlike the models shown up to now in the literature, the current/voltage equation of the pin structure developed in this work applies to the whole range of applied voltages between short-circuit and open-circuit conditions. I show that this model also explains many features observed in fine-grained silicon pin solar cells, and establish conceptual bridges between the pin and the pn cell. Thus, this model constitutes a new analytical tool to analyze pin solar cells. The electrical characterizations of laser-crystallized silicon show that the films have p-type conduction, with a strong anisotropy of the conductivity due to the elongated shape of the grains. Hall measurements reveal a hole density between 4x1012 and 4x1013 cm-3, indicating a compensated material, and mobilities between 12 and 120 cm2/Vs. The conductivity of the undoped films lies at 10-4 S/cm at room temperature. The temperature-dependent conductivity reveals a distribution of grain boundary barrier heights, which are about 100 meV high. The carrier density and the barrier heights, imply a minimum defect density at the grain boundaries of 1.6x1010 cm-2. The photoconductivity measurements give a mobility-lifetime product of 2.3x10-5 cm2/V, a value that implies a high electronic quality of the films, which explains the high-quality thin-film transistors obtained with this material. These measurements permit to explain the good quality of laser-crystallized silicon, by means of fundamental electronic parameters of the films. Furthermore, this work demonstrates that the use of laser-crystallized silicon may also be considered for vertical electronic devices, by preparing a test-diode structure made from laser-crystallized silicon prepared on a metallic instead of an insulating layer. The model of the pin cell fits the current/voltage characteristics of the diode with mobility-lifetime products greater than 4x10-6 cm2/V, revealing good electronic quality also in these films. The high electronic quality of laser-crystallized silicon films revealed by the electrical characterizations performed in this work, indicates that the application of this material to minority carrier devices, like bipolar junction transistors or solar cells, should deserve further investigation.

Die vorliegende Arbeit stellt Modellierungen und Charakterisierungen zur Beschreibung der elektrischen Eigenschaften von Schichten und Solarzellen aus polykristallinem Silizium vor. Die analytische und numerische Modelle liefern die für die Photovoltaik wichtige maximale Wirkungsgrade für Solarzellen aus polykristallinem Silizium. Die Charakterisierungen der elektrischen Eigenschaften von laserkristallisierten Siliziumschichten ergeben zum ersten Mal einen vollständigen Blick auf die Transport- und Rekombinationsparameter in diesem Material. Solarzellen aus polykristallinem Silizium zeigen, unabhängig von deren Herstellungsmethoden, eine Abhängigkeit der Ausgangsparameter von der Korngröße. In dieser Arbeit ermittle ich ein analytisches Modell, das Rekombination von Ladungsträger in der Basis und in der Raumladungszone der Solarzelle annimmt. Dieses Modell zeigt, dass die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom allein durch eine effektive Diffusionslänge verknüpft sind. Ein zweites Modell stellt ein Zusammenhang zwischen der Sammlungsfunktion von Ladungsträgern, die Kurzschlussstromdichte, und der effektiven Diffusionslänge dar. Beide Modelle dienen zur Extrahierung der effektiven Diffusionslänge aus Solarzellen. Die analytische Modelle benutze ich zur Beschreibung der Abhängigkeit von Solarzellenparameter polykristalliner Siliziumzellen mit der Korngröße, wobei ich sechs Größenordnungen der Korngröße im Betracht nehme. Die Auswertungen zeigen, dass die Zellen mit niedrigen Korngrößen bis nur 10 nm und Wirkungsgraden bis 10 %, ausschließlich mit sehr niederen Korngrenzrekombinationsgeschwindigkeiten zwischen 100 und 1000 cm/s zu erklären sind. Eine vor kurzem publizierte Arbeit erläutert, dass die niedere Rekombinationsgeschwindigkeit der feinkörnigen Zellen zur Anwesenheit von defektfreien [110]-Kippkorngrenzen, die durch eine Oberflächentextur in der {220}-Richtung hervorgerufen sein dürfte, zurückzuführen ist. Durch zweidimensionale numerische Simulationen von pin-Solarzellen bestätige ich die Ergebnisse aus den analytischen Modellierungen, dass die feinkörnigen Solarzellen Korngrenzrekombinationsgeschwindigkeiten zwischen 100 und 1000 cm/s haben müssen. Die Simulationen ergeben außerdem die maximale Wirkungsgrade für feinkörnigen Siliziumsolarzellen: bei Rekombinationsgeschwindigkeiten zwischen 100 und 1000 cm/s und Zelldicken von 1 mm, erreichen pin Zellen einen Wirkungsgrad von 10 %, während pn Zellen mit passivierten Kontakten bis 15 % erreichen. Der höhere Wirkungsgrad für pn Zellen ist der geringeren Shockley-Read-Hall Rekombination an Defekten in der Nähe der Bandlückemitte zurückzuführen, was zu höhere Leerlaufspannungen führt. Zur Vereinfachung des numerischen Modells, leite ich analytische Ausdrücke für die Dunkel- und Hellkennlinie der pin-Struktur her. Die ermittelten Kennlinien stellen eine (in der Literatur bisher nicht vorhandene) analytische Darstellung der gesamten Kennlinie von pin-Zellen und pin-Dioden. Dieses Modell erklärt auch die Parameter von feinkörnigen Siliziumzellen, und stellt diverse Analogien zwischen pn und pin Solarzellen dar. Die elektrische Charakterisierungen von laser-kristallisiertem Siliziumschichten ergeben eine leichte p-Typ Leitfähigkeit, und eine starke Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit wegen der länglichen Form der Körner. Die Charakterisierungen durch den Hall-Effekt liefern eine mittlere Ladungsträgerkonzentration zwischen 4x1012 und 4x1013 cm-3, die einer hohen Kompensation zurückzuführen ist, und Ladungsträgerbeweglichkeiten zwischen 12 und 120 cm2/Vs. Die Leitfähigkeit liegt bei Raumtemperatur in der Größenordnung von 10-4 S/cm. Die temperaturabhängigen Leitfähigkeitsmessungen ergeben eine Verteilung der Bandverbiegungen an den Korngrenzen, mit einem Mittelwert der Bandverbiegung von etwa 100 meV. Die Bandverbiegung und die mittlere Ladungsträgerkonzentration ergeben eine untergrenze der Korngrenzdefektdichte bei 1.6x1010 cm-2. Diese niedrige Defektdichte spiegelt sich auch in dem hohen Wert des mt-Produkts von 2.3x10-5 cm2/V aus der Abhängigkeit der Photoleitfähigkeit mit der Korngröße wider. Der hohe Wert des mt-Produkts spricht für eine gute elektrische Qualität der Schichten, die sich bisher nur durch die hohen Feldbeweglichkeiten der Feldeffektransistoren abschätzen ließ. Des Weiteren zeige ich, dass die Herstellung von vertikal strukturierten Dioden aus laserkristallisierten Siliziumschichten möglich ist. Die Schichten sind auf einer Metall- anstatt Isolatorschicht kristallisiert. Die Auswertungen der Strom-Spannungskennlinien dieser Test-Dioden durch das in dieser Arbeit vorgestelltes Modell der pin Diode ergeben ein mt-Produkt von 4x10-6 cm2/V. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass auch die auf Metall kristallisierten Schichten gute elektronische Eigenschaften zeigen. Die gute elektronische Qualität vom Laserkristallisierten Silizium weist darauf hin, dass weitere Untersuchungen der Minoritätsladungsträgereigenschaften sinnvoll wären. Solche Untersuchungen sollten sich mit der Frage befassen, ob sich laserkristallisiertes Silizium ausschließlich für Feldeffektransistoren eignet, oder ob es auch für Minoritätsladungsträgerbauelemente wie Solarzellen oder Bipolartransistoren geeignet ist.