TY - BOOK

T1 - Ein verbessertes chemisches Modell der POCl3 Diffusion für hocheffiziente Silizium Solarzellen

AU - Jäger, Philip

N1 - Dissertation

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Steigerung der Effizienz von Si-basierten PERC+ Solarzellen durch Optimierung der Emittereigenschaften präsentiert sowie ein verbessertes chemisches Modell zur Diffusion von Phosphor während der POCl3 Diffusion vorgestellt. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit war die Effizienz von PERC Zellen insbesondere durch Rekombination von Ladungsträgern auf der Vorderseite der Solarzelle limitiert. Dies beinhaltet zum einen die Rekombination im mittels POCl3 Diffusion dotierten Emitter, zum anderen die Rekombination unter den Ag-Fingern der Vorderseitenkontakte.Beide Bereiche sollen in dieser Arbeit optimiert werden. Dafür wird zunächst die Ausbildung des selektiven Emitters durch Laserdotierung untersucht. Durch das Beschießen des mit Phosphorsilikatglas (PSG) belegten Wafers mit einem Laser, wird Phosphor (P) aus dem PSG in den Si Wafer eingebracht. Dies senkt den Kontaktwiderstand RC sowie die Rekombination unter den Ag-Fingern J0,Met. Es zeigt sich jedoch, dass es durch das Laserdotieren zum Aufschmelzen der Pyramidenspitzen der texturierten Waferoberfläche kommt. Im ersten Ergebniskapitel werden deshalb die Auswirkungen von zwei Laserquellen mit den Wellenlängen 355 nm und 532 nm auf den Dotierprozess miteinander verglichen. In den folgenden Kapiteln werden Ergebnisse zur Untersuchung der Auswirkungen von Oxidationsschritten während der POCl3 Diffusion (in-situ Oxidation) und nach Abnahme des PSG (ex-situ Oxidation) auf die Emittersättigungsstromdichte J0,e dargestellt. Durch Senkung der Oberflächenkonzentration von P im Si Wafer und Verbesserung der Passiviereigenschaften wird der J0,e-Wert von J0,e =106 fA/cm2 ohne Oxidation auf J0,e =60 fA/cm2 nach in-situ Oxidation und auf J0,e = 22 fA/cm2 nach zusätzlicher ex-situ Oxidation gesenkt. Für busbarlose Zellen wird ein Wirkungsgrad von η = 21,9% erzielt. Ein sich durch die längeren Oxidationszeiten ergebender Verlust im FF kann zunächst auf einen Verlust im pFF und durch Simulation der I-V-Kennlinie mit einem 2-Dioden-Modell auf einen Anstieg von Rekombination mit einem Idealitätsfaktor von 2 (J02) zurückgeführt werden. Abschließend wird durch systematische Variation der Eintreibzeit in O2- und N2-Atmosphäre der Einfluss der Gasphase auf das Diffusionsverhalten von P während der POCl3-Diffusion untersucht. Es zeigt sich, dass bei Eintriebzeiten in O2 zwischen 0 und 120 min der Schichtwiderstand konstant bleibt. Es wird damit zum ersten Mal gezeigt, dass die Diffusion von P aus dem PSG in den Si Wafer vollständig unterdrückt werden kann. Die SiO2 Schichtdicke wächst von dSiO2,O2 = 2 nm auf 10 nm an. Wird nun ein Eintrieb in N2 angeschlossen, nimmt die SiO2 Schichtdicke den temperaturabhängigen Gleichgewichtswert dSiO2,eq an. Es zeigt sich, dass wenn dSiO2,O2 > dSiO2,eq, kein P in den Wafer diffundiert. Nur wenn dSiO2,O2 < dSiO2,eq und N2 Atmosphäre vorliegt, diffundiert P in den Si Wafer. Aus diesen Ergebnissen wird ein detailliertes Modell aufgestellt, welches diese Ergebnisse erklären kann. Es wird angenommen, dass die Diffusion von Si aus dem Wafer durch die SiO2 Schicht zum PSG eine Schlüsselfunktion einnimmt. Nur durch Reaktion von Si mit P2O5 entsteht freier P, welcher in der Lage ist, in den Si Wafer zu diffundieren. In O2 Atmosphäre und bei dSiO2,O2 > dSiO2,eq wird dieser Prozess unterbunden.

AB - In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur Steigerung der Effizienz von Si-basierten PERC+ Solarzellen durch Optimierung der Emittereigenschaften präsentiert sowie ein verbessertes chemisches Modell zur Diffusion von Phosphor während der POCl3 Diffusion vorgestellt. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit war die Effizienz von PERC Zellen insbesondere durch Rekombination von Ladungsträgern auf der Vorderseite der Solarzelle limitiert. Dies beinhaltet zum einen die Rekombination im mittels POCl3 Diffusion dotierten Emitter, zum anderen die Rekombination unter den Ag-Fingern der Vorderseitenkontakte.Beide Bereiche sollen in dieser Arbeit optimiert werden. Dafür wird zunächst die Ausbildung des selektiven Emitters durch Laserdotierung untersucht. Durch das Beschießen des mit Phosphorsilikatglas (PSG) belegten Wafers mit einem Laser, wird Phosphor (P) aus dem PSG in den Si Wafer eingebracht. Dies senkt den Kontaktwiderstand RC sowie die Rekombination unter den Ag-Fingern J0,Met. Es zeigt sich jedoch, dass es durch das Laserdotieren zum Aufschmelzen der Pyramidenspitzen der texturierten Waferoberfläche kommt. Im ersten Ergebniskapitel werden deshalb die Auswirkungen von zwei Laserquellen mit den Wellenlängen 355 nm und 532 nm auf den Dotierprozess miteinander verglichen. In den folgenden Kapiteln werden Ergebnisse zur Untersuchung der Auswirkungen von Oxidationsschritten während der POCl3 Diffusion (in-situ Oxidation) und nach Abnahme des PSG (ex-situ Oxidation) auf die Emittersättigungsstromdichte J0,e dargestellt. Durch Senkung der Oberflächenkonzentration von P im Si Wafer und Verbesserung der Passiviereigenschaften wird der J0,e-Wert von J0,e =106 fA/cm2 ohne Oxidation auf J0,e =60 fA/cm2 nach in-situ Oxidation und auf J0,e = 22 fA/cm2 nach zusätzlicher ex-situ Oxidation gesenkt. Für busbarlose Zellen wird ein Wirkungsgrad von η = 21,9% erzielt. Ein sich durch die längeren Oxidationszeiten ergebender Verlust im FF kann zunächst auf einen Verlust im pFF und durch Simulation der I-V-Kennlinie mit einem 2-Dioden-Modell auf einen Anstieg von Rekombination mit einem Idealitätsfaktor von 2 (J02) zurückgeführt werden. Abschließend wird durch systematische Variation der Eintreibzeit in O2- und N2-Atmosphäre der Einfluss der Gasphase auf das Diffusionsverhalten von P während der POCl3-Diffusion untersucht. Es zeigt sich, dass bei Eintriebzeiten in O2 zwischen 0 und 120 min der Schichtwiderstand konstant bleibt. Es wird damit zum ersten Mal gezeigt, dass die Diffusion von P aus dem PSG in den Si Wafer vollständig unterdrückt werden kann. Die SiO2 Schichtdicke wächst von dSiO2,O2 = 2 nm auf 10 nm an. Wird nun ein Eintrieb in N2 angeschlossen, nimmt die SiO2 Schichtdicke den temperaturabhängigen Gleichgewichtswert dSiO2,eq an. Es zeigt sich, dass wenn dSiO2,O2 > dSiO2,eq, kein P in den Wafer diffundiert. Nur wenn dSiO2,O2 < dSiO2,eq und N2 Atmosphäre vorliegt, diffundiert P in den Si Wafer. Aus diesen Ergebnissen wird ein detailliertes Modell aufgestellt, welches diese Ergebnisse erklären kann. Es wird angenommen, dass die Diffusion von Si aus dem Wafer durch die SiO2 Schicht zum PSG eine Schlüsselfunktion einnimmt. Nur durch Reaktion von Si mit P2O5 entsteht freier P, welcher in der Lage ist, in den Si Wafer zu diffundieren. In O2 Atmosphäre und bei dSiO2,O2 > dSiO2,eq wird dieser Prozess unterbunden.

U2 - 10.15488/13317

DO - 10.15488/13317

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -