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Investigation of particular crystal defects in solar silicon materials using electron beam techniques

Untersuchung ausgewählter Kristalldefekte in Solarsilizium unter Verwendung von Elektronensondenverfahren

  • The aim of this work is to describe and explain the properties of defects in multicrystalline (mc) and thin-film solar silicon (Si). For this reason, investigations with scanning electron microscope methods were performed, namely cathodoluminescence (CL), electron beam induced current (EBIC), electron backscatter diffraction (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM). Additionally, photoluminescence (PL) and reverse-biased electro luminescence (ReBEL) measurements were also conducted. Through correlation of PL, ReBEL and EBIC, it was possible to localize breakdown sites at mc-Si solar cells. Problems that occurred during the thin-film EBIC investigations could be demonstrated and explained. For the first time cross sectional EBIC investigations could be performed on thin-film silicon tandem cells. At mc-Si, it was possible to observe the oxygen related P-line next to the common D1-line luminescence at 10 K clearly distinguishable from each other at once. Furthermore, a hitherto not comprehensively discussed intense luminescenceThe aim of this work is to describe and explain the properties of defects in multicrystalline (mc) and thin-film solar silicon (Si). For this reason, investigations with scanning electron microscope methods were performed, namely cathodoluminescence (CL), electron beam induced current (EBIC), electron backscatter diffraction (EBSD) and transmission electron microscopy (TEM). Additionally, photoluminescence (PL) and reverse-biased electro luminescence (ReBEL) measurements were also conducted. Through correlation of PL, ReBEL and EBIC, it was possible to localize breakdown sites at mc-Si solar cells. Problems that occurred during the thin-film EBIC investigations could be demonstrated and explained. For the first time cross sectional EBIC investigations could be performed on thin-film silicon tandem cells. At mc-Si, it was possible to observe the oxygen related P-line next to the common D1-line luminescence at 10 K clearly distinguishable from each other at once. Furthermore, a hitherto not comprehensively discussed intense luminescence line at 0.93 eV could be described in detail. Through correlation of PL, CL, EBIC, EBSD, and TEM measurements, the origin of the now named Di luminescence at 0.93 eV is postulated to be in connection with Frank partial dislocations, with two energetic levels inside the band gap, one at 112±9 meV below the conduction band and the other at 93±10 meV above the valence band. Finally, it was attempted to explain the behavior of twin boundaries at temperatures below 30 K, where these show an enhanced collection efficiency in comparison to the surrounding grains. An alteration of the local “freeze out” temperature, possibly by a local band gap narrowing, is suggested as a reason. Another conceivable explanation is a breakdown of the diode potential at the grains.show moreshow less
  • Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Auftreten von verschiedenen Defekten sowohl in multikristallinem als auch in Dünnschicht-Solar Silizium zu beschreiben. Die vielfältigen Möglichkeiten wie Defekte im Material auf Grund ihrer Eigenschaften nachgewiesen werden können wurden eingehend untersucht. Dazu wurden Rasterelektronenmikroskopie Verfahren wie Kathodolumineszenz (CL), Elektronenstrahl-induzierte Strom (EBIC) Messungen, rückgestreute Elektronenbeugungsuntersuchungen (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt. Außerdem wurden auch Ergebnisse aus Photolumineszenz (PL) und Elektrolumineszenz unter Sperrvorspannung (ReBEL) zur Defektcharakterisierung herangezogen. Durch die Korrelation von ReBEL, PL und EBIC Daten war es möglich, Durchbruchstellen in mc-Si Solarzellen zu lokalisieren und mögliche Ursachen für diese aufzuzeigen. Die Anwendung von EBIC an dünnen Siliziumschichten sowie die damit verbundenen Präparations-, Mess- und Analyseprobleme konnten gezeigt und erläutert werden. Es war außerdem erstmalsDas Ziel dieser Arbeit ist es, das Auftreten von verschiedenen Defekten sowohl in multikristallinem als auch in Dünnschicht-Solar Silizium zu beschreiben. Die vielfältigen Möglichkeiten wie Defekte im Material auf Grund ihrer Eigenschaften nachgewiesen werden können wurden eingehend untersucht. Dazu wurden Rasterelektronenmikroskopie Verfahren wie Kathodolumineszenz (CL), Elektronenstrahl-induzierte Strom (EBIC) Messungen, rückgestreute Elektronenbeugungsuntersuchungen (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt. Außerdem wurden auch Ergebnisse aus Photolumineszenz (PL) und Elektrolumineszenz unter Sperrvorspannung (ReBEL) zur Defektcharakterisierung herangezogen. Durch die Korrelation von ReBEL, PL und EBIC Daten war es möglich, Durchbruchstellen in mc-Si Solarzellen zu lokalisieren und mögliche Ursachen für diese aufzuzeigen. Die Anwendung von EBIC an dünnen Siliziumschichten sowie die damit verbundenen Präparations-, Mess- und Analyseprobleme konnten gezeigt und erläutert werden. Es war außerdem erstmals möglich EBIC Messungen an Querschnitten von Dünnschicht-Silizium-Tandemzellen erfolgreich durchzuführen und dadurch Informationen über die Rekombinationsaktivität von Defekten in unterschiedlichen Schichten der Zellen zu sammeln. Bei der Durchführung von CL Messungen an mc-Si bei 10 K konnte gezeigt werden, dass die in der Literatur mit Sauerstoffpräzipitaten in Verbindung gebrachte Lumineszenz bei 0.77 eV (P-Linie), auch parallel zur D1-Linie klar unterscheidbar auftreten kann, was bis dahin in dieser Art noch nicht publiziert wurde. Neben der P-Linie konnte eine intensive Lumineszenz bei 0.93 eV festgestellt werden, die ebenfalls bei Raumtemperatur messbar ist. Diese bis dahin nicht umfassend beschriebene Lumineszenz, welche im Laufe der Arbeit die Bezeichnung Di-Linie erhielt, wurde detailliert untersucht und beschrieben. Dazu wurden die Ergebnisse von PL, CL, EBIC, EBSD und TEM miteinander korreliert. Durch die umfassenden Untersuchungen konnte ein Zusammenhang mit Frank Partialversetzungen postuliert werden. Für diese Defektlumineszenz könnten zwei Defektlevel in der Bandlücke, bei 112 ± 9 meV unterhalb des Leitungsbandes und 93 ± 10 meV oberhalb des Valenzbandes, verantwortlich sein. Im letzten Teil der Arbeit wurde versucht, das Sammlungsverhalten von Zwillingskorngrenzen bei Temperaturen unterhalb von 30 K zu erklären. In diesem Temperaturbereich zeigen Zwillingskorngrenzen eine erhöhte Sammlungseffizienz im Vergleich zu den umgebenen Körnern. Als Ursache dafür wird ein lokaler Unterschied in der “Ausfriertemperatur” der Ladungsträger vermutet. Um eine derartige Schwankung auszulösen, könnte eine lokale Verkleinerung der Bandlücke, möglicherweise spannungsinduziert, in Frage kommen. Eine ebenfalls in Betracht kommende Erklärung wäre ein Zusammenbruch des Diodenpotentials im Bereich der Körner.show moreshow less

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Metadaten
Author: Christoph Krause
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34846
Referee / Advisor:Prof. Dr. Martin Kittler
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of final exam:2015/05/04
Release Date:2015/05/12
Tag:CL; Defekte; Di Lumineszenz; EBIC; Silizium
CL; Defects; Di luminescence; EBIC; Silicon
GND Keyword:Solarzelle; Silicium; Zuverlässigkeit
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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