Porous silicon for thin solar cell fabrication

Abstract

The thesis on hand considers the preparation and the characterization of porous silicon for the fabrication of monocrystalline silicon thin layers and solar cells. The reduction of the solar cell thickness decreases the material consumption, offers the fabrication of mechanically flexible cells, and enhances the physical properties of solar cells. Therefore, the goal of this work is to fabricate free-standing thin monocrystalline silicon solar cells. The layer transfer process, which is based on a double layer of porous silicon, provides an economical production of thin film silicon solar cells with thicknesses d between d = 20 and d = 50 µm beneath foreign superstrates. The superstrate complicates both the further processing of the cell back side and the series connection of cells. This work develops a new technique for the integrated series connection from transfer cells. This technique is based on laser machining of the transfer cells after the transfer onto the superstrate. The resulted integrated module produces 0.74 W/g. As the transfer process quality depends mainly on porous silicon structural properties, this work presents a new non-destructive method to estimate the porosity of single as well as multi layer porous silicon systems through its optical properties by means of the white-light-interferometry. This thesis applies the new method in two applications: The first application is the study of the dissolution mechanism of silicon in hydrofluoric acid during anodization. The study shows that heavily doped p+-type wafers consume three holes, while lightly doped p-type wafers consume only two holes during porous silicon formation to dissolve one silicon atom. The number of consumed holes indicates the kind of the electrochemical reaction, by which silicon atoms dissolve during the anodization. The second application is the enhancement of the lateral homogeneity of porous silicon on 6" wafer to increase the yield of the layer transfer process. The measurements agree with the two dimensional conductive medium simulation of the etching cell. The experiments together with the simulation result in a new etching setup for porous silicon production. The new setup enhances the porous silicon lateral homogeneity by about 10 % and also increases the yield Y of the layer transfer process from Y = 30 % to Y = 70 %. This thesis introduces a new technique, which produces free-standing monocrystalline silicon thin-films. This technique uses the selective formation of porous silicon on different doped silicon. Porous silicon forms on p-type regions, while n-type regions on the same wafer act as a masking layer against the electrochemical reaction. Modeling the Si/electrolyte interface shows that n-type doped islands need a higher potential than p-type silicon to flow a certain current, and hence n-type regions act as a mask during porous silicon formation. Laser doping technique enables the simple patterning of different doped regions without the need of masking or high temperature annealing steps. This technique produces patterned buried continuous cavities beneath the epitaxy layer. Separation takes place by cutting the epitaxy layer at the cavity edges. A free-standing 47.6 µm thin solar cell with efficiency \eta = 17.0 % and an area A = 1.1 cm2 is achieved by a simple back side metallization on a back surface field layer. This work deepens the understanding of porous silicon formation mechanisms and offers a new characterization method of its structural properties. A comprehensive study of the well established layer transfer process and its disadvantages leads to a new technique producing free-standing thin monocrystalline silicon layers and solar cells.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Erzeugung und die Charakterisierung von porösem Silizium, um dünne monokristalline Silizium-Schichten und Solarzellen herzustellen. Die Reduzierung der Solarzellendicke spart Material, ermöglicht die Herstellung flexibler Solarzellen und verbessert darüberhinaus die physikalischen Eigenschaften der Solarzelle. Deshalb ist der Hauptziel dieser Dissertation die Herstellung von freistehenden dünnen Silizium-Solarzellen. Der am ipe entwickelte Transferprozess bietet eine ökonomische Produktion dünner Solarzellen mit einer Dicke d zwischen d = 20 und d = 50 µm. Dabei haftet die Solarzelle durch ein Epoxidharz am Fremdsuperstrat. Der Transferprozess ermöglicht die Herstellung von 50 µm dünnen Silizium-Solarzellen auf Glas mit einem Wirkungsgrad \eta = 16.9 %. Der Transferprozess basiert auf einem Zweischichtsystem aus porösem Silizium, welche aus einer niedrigporösen oberen Schicht und einer darunter befindliche hochporöse Schicht besteht. Der Transferprozess hat drei Nachteile: i) Das auf der Zelle befestigte Glassuperstrat erschwert die Modulverschaltung, da die Vorderseitenkontakte unter dem Glas verborgen sind. ii) Das Prozessfenster ist sehr eng und dadurch ist die Prozessausbeute sehr niedrig. iii) Das Epoxidharz absorbiert stark im langwelligen Wellenlängenbereich und begrenzt dadurch die Leistung der Zelle. Außerdem begrenzt das Epoxidharz die Prozesstemperatur der Rückseite, da sich seine optischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verschlechtern. Diese Dissertation tritt diesen Nachteile auf drei Ebenen entgegen. Die erste Ebene einwickelt eine neue Technik zur Minimodul-Verschaltung aus Transfer-Solarzellen. Diese Technik benutzt Laserbearbeitungschritte zur Herstellung eines integrierten Minimodules aus Zellen, die auf ein einzelnes Glassuperstrat übertragen werden. Das dabei enstehende Modul zeigt Siliziumausnutzung USi, was einer Verdopplung der Siliziumausnutzung von Wafer-basierten Hocheffizienzmodulen entspricht. Die zweite Ebene verbessert den Transferprozess durch Untersuchungen am porösen Silizium. Da die Qualität des Transferprozesses hauptsächlich von den strukturellen Eigenschaften des porösen Siliziums abhängt, präsentiert diese Arbeit eine zerstörungsfreie Methode um die Porosität von sowohl einzelner poröser Schichten als auch von mehreren aufeinander liegenden porösen Schichten zu ermitteln. Die Methode misst und wertet die Weißlichtinterferometrie aus, die von porösem Silizium auf Silizium-Wafer reflektiert wird. Diese Dissertation setze die entwickelte Methode nach zwei Anwendungen ein: Die erste Anwendung untersucht den Auflösungsmechanismus von Silizium während der Anodisation in Flusssäure. Die Untersuchung zeigt dass während der Ausbildung des porösen Siliziums der hoch dotierte p+-Typ Wafer drei Defektelektronen (Löcher) und bei einem niedrig dotierten p-Typ Wafer nur zwei Löcher pro gelösten Silizium-Atom verbrauchen. Die Zahl der verbrauchten Löcher kennzeichnet die Art der elektrochemischen Reaktion, mit der sich die Silizium-Atome während der Anodisation auflösen. Die zweite Anwendung benutzt die Porositätsbestimmung-Methode zur Ermittlung der lateralen Homogenität von porösem Silizium auf 6" Wafer. Dieses Experiment führt zum Bau einer neuen Ätzvorrichtung. Die neue Ätzvorrichtung verbessert die laterale Homogenität des porösen Siliziums um 10 %. Außerdem steigt die Ausbeute Y des Transferprozesses mit der neuen Ätzvorrichtung von Y = 30 % auf Y = 70 %. Die dritte Ebene stellt ein neues Verfahren zur Herstellung freistehender monokristalliner Silizium-Dünnschichten vor. Dieses Verfahren nutzt die selektive Ausbildung von porösem Silizium auf unterschiedlich dotiertem Silizium. Poröses Silizium bildet sich auf p-Typ Bereichen, während n-Typ Regionen auf dem selben Wafer als Maske gegen die elektrochemische Reaktion agieren. Die Modellierung der Grenzfläche zwischen Silizium und Elektrolyt zeigt dass n-dotierte Inseln eine höhere Spannung als p-dotiertes Silizium benötigt, um eine bestimmte Stromdichte zur Bildung von porösem Silizium fließen zu lassen. Laserdotierung ermöglicht die einfache Strukturierung von unterschiedlich dotierten Regionen ohne eine Maskierung oder Hochtemperatur-Tempern zu benötigen. Dieses Verfahren erzeugt strukturierter verborgener durchgängiger Hohlraum unter der Epitaxieschicht. Die Abtrennung erfolgt durch Herausschneiden der Epitaxieschicht an den Hohlraumkanten. Mit einem einfachen Rückseiten-Prozess erreichen die freistehenden 47.6 µm dünne Solarzelle einen Wirkungsgrad \eta = 17.0 % und eine Fläche A = 1.1 cm2. Diese Dissertation vertieft das Verständnis der Ausbildungsmechanismen des porösen Siliziums und bietet eine neue Methode, um die strukturellen Eigenschaften des porösen Siliziums zu bestimmen. Eine umfassende Untersuchung des am ipe bestehenden Transferprozesses und seine Nachteile führen zu einem neuen Verfahren zur Herstellung von freistehenden monokristallinen dünnen Silizium-Schichten und Solarzellen.