Characterization of a laser doping process for crystalline silicon solar cells

Abstract

This thesis characterizes a process for the laser based formation of highly doped layers on crystalline silicon, which was developed at Institut für Physikalische Elektronik (ipe), University of Stuttgart. A first step analyzes silicon, which is laser irradiated without being doped at the same time. This approach allows for separating the effects of the laser process itself from the influence of employed doping precursors. The irradiation leads to a signicant reduction of the minority carrier lifetime in the processed silicon. A thorough characterization of suchlike treated samples shows the incorporation of the impurities oxygen, carbon and nitrogen, up to concentration levels of C = 1019/cm^3. At the same time, an n-type doping occurs within the irradiated surface layers. The doping concentrations are in the range ND = 10^17/cm^3. In spite of the numerously employed characterization methods, a complete identification of the mechanism, which causes the lifetime reduction, is not achieved. However, there exists the strong indication that the incorporated impurities, which lead to the n-type doping, are at the same time responsible for the lifetime degradation. Due to the low thickness d < 500 nm of the laser melted layers, defect induced local lifetimes t_SRH < 10 ns are required to explain the measured effective lifetimes. The examination of laser irradiated high effciency n-type emitters on p-type silicon substrates, the emitters being pre-fabricated by phosphorous furnace diffusion, yields information about the lifetime SRH of laser induced defects inside the emitters. The values found for t_SRH are in the range of 3 ns < t_SRH < 7 ns. These values are in accordance to the results found for irradiated, undiffused samples. The use of optimized laser parameters allows for obtaining very low emitter saturation current densities J0e = 45 fA/cm^2 after the irradiation. An experimental overview over various liquid and sputtered phosphorous precursors reveals strongly differing J0e values of samples, fabricated with different precursors. Considering the laser induced defects allows for predicting the potential for J0e and the open circuit voltage Voc of solar cells, fabricated with the best precursor, to J0e < 100 fA/cm^2 and Voc = 680 mV. This prediction points out that in the vast majority of cases, the defects, induced by the laser treatment itself, do not limit the performance of emitters, fabricated with the ipe process. Solar cells, which were produced in the course of this work, exhibit significantly lower open circuit voltages of maximum Voc = 635mV. In addition, these cells often exhibit low fill factors FF < 70 % and effciencies < 15 %. However, this lower performance is not in contrast to the predicted Voc potential. An analysis shows that mainly technological problems, leading to doping inhomogeneities, cause the lower efficiencies. An additional characterization of aluminium as a precursor material for p-type emitters on n-type silicon substrates shows exceptionally high doping concentrations ND > 10^21/cm^3. Corresponding emitter saturation current densities reach extremely high values of J0e > 10^11 A/cm^2. Consequently, the open circuit voltage Voc of solar cells, fabricated with aluminium doped emitters, is limited to Voc = 550 mV and their effciency to 7 %.

Die vorliegende Arbeit untersucht einen am Institut für Physikalische Elektronik (ipe), Universität Stuttgart, entwickelten Prozess zur lasergestützen Erzeugung hochdotierter Schichten auf kristallinem Silizium. Um die Einflüsse des Prozesses als solchem von denen der dabei eingesetzten Dotierstoffe zu trennen, erfolgt in einem ersten Schritt die Untersuchung von laserbestrahltem Silizium, ohne gleichzeitige Dotierung. Es stellt sich heraus, dass die Laserbestrahlung an sich zu einer deutlichen Reduktion der Minoritätsladungsträgerlebensdauer im prozessierten Silizium führt. Eine ausführliche Charakterisierung von derart behandelten Proben zeigt den Einbau der Fremdatome Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, mit Konzentrationen bis zu C = 10^19/cm^3. Es tritt eine laserinduzierte n-Typ Dotierung innerhalb der bestrahlten Oberflächenschichten auf, mit Dotierkonzentrationen bis zu ND = 10^17/cm^3. Trotz der Vielzahl der eingesetzten Analysemethoden gelingt die Identikation des für den Lebensdauerrückgang verantwortlichen Mechanismus nicht vollständig. Es besteht jedoch die begründete Vermutung, dass die eingebrachten Verunreinigungen, welche die n-Typ Dotierung hervorrufen, gleichzeitig die Ursache für den Lebensdauerrückgang sind. Aufgrund der geringen Dicke d < 500 nm der durch den Laser aufgeschmolzenen Schichten, sind defektinduzierte lokale Lebensdauern t_SRH < 10 ns innerhalb dieser Schichten notwendig, um die gemessenen effektiven Lebensdauern zu erklären. Die Charakterisierung von zuvor ofendiffundierten n-Typ Hocheffzienzemittern auf p-Typ Substraten, welche zusätzlich mit dem Laser bestrahlt wurden, ergibt Werte für die Lebensdauer SRH laserinduzierter Defekte innerhalb der Emitter. Die ermittelten Werte liegen im Bereich von 3 ns < t_SRH < 7 ns, ähnlich den laserbestrahlten, undiffundierten Proben. Die Verwendung optimierter Laserparameter erlaubt es, sehr geringe Emittersättigungsstromdichten J0e = 45 fA/cm^2 nach der Bestrahlung zu erreichen. Ein experimenteller Überblick über unterschiedliche flüssige und gesputterte Phosphor-Dotierstoffe stellt für die unterschiedlichen Phosphorquellen deutliche Unterschiede in den resultierenden Werten für J0e heraus. Für J0e und die Leerlaufspannung von Solarzellen, welche mit dem besten Prekursor hergestellt werden, lässt sich, unter Berücksichtigung der laserinduzierten Defekte, ein Potential von J0e < 100 fA/cm^2 und Voc = 680 mV vorhersagen. Daraus folgt, dass in der großen Mehrzahl der Fälle laserinduzierte Defekte die Leistungsfähigkeit von mit dem ipe-Verfahren laserdotierten Emittern nicht begrenzen. Solarzellen, welche im Verlauf der Arbeit mit den unterschiedlichen Prekursoren hergestellt wurden, weisen deutlich schlechtere Leerlaufspannungen von maximal Voc = 635 mV auf. Zusätzlich erreichen sie meistens nur geringe Füllfaktoren von FF < 70 % und Effizienzen < 15 %. Diese schlechten Leistungswerte stehen jedoch nicht im Widerspruch zum vorhergesagten Voc Potential. Eine Analyse stellt nämlich heraus, dass hauptsächlich technologisch bedingte Dotierinhomogenitäten für die geringeren Wirkungsgrade verantwortlich sind. Eine zusätzlich durchgeführte Untersuchung von Aluminium als Prekursormaterial für p-Typ Emitter auf n-Typ Substraten zeigt außergewöhnlich hohe Dotierkonzentrationen von NA > 10^21/cm^3. Zugehörige Emittersättigungsstromdichten erreichen sehr hohe Werte von J0e > 10^11 A/cm^2. Aus diesem Grund bleiben die Leerlaufspannungen Voc von ebenfalls hergestellten Solarzellen mit Aluminium dotiertem Emitter auf Voc = 550 mV, sowie ihre Wirkungsgrade auf ca. 7 % beschränkt.