Modeling of Annealing Processes for Ion-Implanted Single-Crystalline Silicon Solar Cells

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  • Ion implantation technology has become economically competitive for solar cell doping in about 2012. The decisive reduction in production costs was achieved by using plasma implantation tools, which allow a throughput of more than 2000 wafers per hour. Implantation technology now opens the door for sophisticated cell concepts with high conversion efficiencies. The present thesis clarifies key questions in the simulation of the associated annealing processes. This is achieved by developing models for the reaction and diffusion kinetics of implanted phosphorus, implanted boron and implantation-induced dislocation loops. These models are based on conceptual ideas that originate from the fieldIon implantation technology has become economically competitive for solar cell doping in about 2012. The decisive reduction in production costs was achieved by using plasma implantation tools, which allow a throughput of more than 2000 wafers per hour. Implantation technology now opens the door for sophisticated cell concepts with high conversion efficiencies. The present thesis clarifies key questions in the simulation of the associated annealing processes. This is achieved by developing models for the reaction and diffusion kinetics of implanted phosphorus, implanted boron and implantation-induced dislocation loops. These models are based on conceptual ideas that originate from the field of microelectronics but have hitherto not been applied to the considerably different fabrication conditions of solar cells. Compared to standard solar cell doping using POCl3 diffusion, ion implantation allows a much better control of the doping process. Besides its immediate advantages though, it comes with the drawback of inevitable implantation damage. This work investigates the question of how implantation damage, in particular dislocation loops, has to be annealed to obtain high-performing solar cells. To address this question, a model for the reaction kinetics of dislocation loops has been developed and shown to be viable for characteristic situations of solar-cell processing. This model is the first one to capture the late stages of Ostwald ripening and the transition from faulted to perfect dislocation loops. The two primary dopant species of interest for solar-cell doping by implantation are phosphorus and boron. Due to the complexity of the diffusion and segregation behavior of phosphorus, its annealing behavior is still under debate today and no generally predictive models exist. In this thesis, a predictive model for phosphorus annealing suitable for the particular requirements of solar cell processing has been developed, calibrated and applied. As part of the model development, a general strategy for an effcient calibration of models describing impurity diffusion via two species has been found. The annealing behavior of boron, on the other hand, is well understood and highly predictive models exist. The plasma implantation tools of the solar cell industry though usually implant BF3 instead of atomic boron. The diffusion behavior of boron in presence of uorine differs fundamentally from that without uorine and no generally valid model for this situation has been available previously. In the present thesis, a comprehensive model for this problem has been implemented and successfully tested. Finally, the models for the annealing behavior of implantation damage, phosphorus and boron were studied with respect to their relevance for the electronic properties of solar cells. In particular, simulated predictions of the dislocation-line density and its associated recombination activity have been compared with recombination-current measurements from a large-scale experimental study performed at the University of Hannover and the ISFH Hameln. The quantitative agreement obtained provides, for the first time, strong evidence that dislocation loops are responsible for implantation damage-related degradation of solar cells. Combining futhermore process simulation with device simulation, main factors that in uence solar-cell performance could be investigated. This allowed to verify assertions from the literature as well as suggesting processing options.show moreshow less
  • Um das Jahr 2012 wurde die Ionenimplantationstechnologie für die Solarzellendotierung durch starke Kostensenkung konkurrenzfähig. Die Kostensenkung wurde durch den Einsatz von Plasmaimplantationsanlagen ermöglicht, die einen Durchsatz von mehr als 2000 Siliziumscheiben pro Stunde erreichen. Die Ionenimplantation öffnet nun die Tür für die industrielle Fertigung von hocheffizienten Solarzellen. Die vorliegende Arbeit klärt Schlüsselfragen in der Simulation der dazu benötigten Ausheilprozesse. Dies geschieht durch die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Reaktionskinetik von Versetzungsringen und des Ausheilverhaltens von Phosphor und Bor. Dabei wird wird meist auf KonzeptenUm das Jahr 2012 wurde die Ionenimplantationstechnologie für die Solarzellendotierung durch starke Kostensenkung konkurrenzfähig. Die Kostensenkung wurde durch den Einsatz von Plasmaimplantationsanlagen ermöglicht, die einen Durchsatz von mehr als 2000 Siliziumscheiben pro Stunde erreichen. Die Ionenimplantation öffnet nun die Tür für die industrielle Fertigung von hocheffizienten Solarzellen. Die vorliegende Arbeit klärt Schlüsselfragen in der Simulation der dazu benötigten Ausheilprozesse. Dies geschieht durch die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der Reaktionskinetik von Versetzungsringen und des Ausheilverhaltens von Phosphor und Bor. Dabei wird wird meist auf Konzepten aufgebaut, die ursprünglich aus der Mikroelektronik stammen, aber bisher nicht auf die Herstellungsbedingungen von Solarzellen angewendet wurden. Im Vergleich zum Standarddotierverfahren von Solarzellen über Diffusion mit POCl3 als Dotiersto ffquelle ist die Ionenimplantation ein erheblich kontrollierterer Prozess. Sie hat jedoch den unvermeidbaren Nachteil der Schädigung des Siliziumsubstrats. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Siliziumscheiben mit implantationsinduzierten Versetzungsringen prozessiert werden müssen, um verlustfrei funktionierende Solarzellen zu erhalten. Dazu wurden bestehende Modellierungsans ätze für die Ausheilkinetik von Versetzungsringen zu einem neuen Modell weiterentwickelt. Dies ist das erste Modell, das den Übergang von stapelfehlerbehafteten zu stapelfehlerfreien Versetzungsringen und deren anschließende Auflösung beschreibt. Es konnte erfolgreich auf die charakteristischen Anforderungen der Solarzellenfertigung angewendet werden. Die zwei wichtigsten Dotieratome für die Solarzellenimplantation sind Phosphor und Bor. Zur Beschreibung des Ausheilverhaltens von Phosphor gibt es keine allgemein gültigen Modelle. Das liegt zum einen daran, dass der schnell-diffundierende Phosphor für die Mikroelektronik uninteressant ist, und zum anderen an der Komplexität seines Diffusions- und Segregationsverhaltens. In dieser Arbeit wurde ein vorhersagekräftiges Modell zur Beschreibung des Ausheilverhaltens von Phosphor für die besonderen Anforderungen der Solarzellenprozessierung entwickelt, kalibriert und angewendet. Dabei wurde eine allgemeine Strategie für die effiziente Kalibration von Modellen erarbeitet, die die Diffusion über zwei Arten von Punktdefekten beschreiben. Das Ausheilverhalten von Bor ist dagegen sehr gut verstanden und vorhersagekräftige Modelle existieren. Die Plasmaimplantationsanlagen der Solarzellenindustrie implantieren jedoch nicht atomares Bor, sondern BF3. Die Diffusion von Bor in Anwesenheit von Fluor unterscheidet sich stark von der Diffusion ohne Fluor. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal ein umfassendes Modell für dieses Problem entwickelt und erfolgreich getestet. Schließlich wurden die neuen Versetzungsring-, Phosphor- und Bormodelle bezüglich ihrer Relevanz für die elektronischen Eigenschaften von Solarzellen untersucht. Insbesondere wurden simulierte Vorhersagen für Versetzungsliniendichten und ihre assoziierten Rekombinationsaktivitäten mit Messungen von Rekombinationsströmen verglichen, die an der Universität Hannover und dem ISFH Hameln durchgeführt wurden. Die erhaltene quantitative Übereinstimmung von Simulation und Experiment ist der erste starke Hinweis darauf, dass Versetzungsringe, und keine anderen Defekte, für die Degradation von Solarzellen durch Implantationsschäden verantwortlich sind. Diese Übereinstimmung bestätigt weiterhin die Gültigkeit des entwickelten Versetzungsringmodells. Durch die Kombination der neuen Prozesssimulationsmodelle mit Bauteilsimulation konnten darüber hinaus mehrere Behauptungen der Literatur überprüft und Hauptfaktoren für die Prozessoptimierung identifiziert werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Fabian Alexander Wolf
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-49068
Referee:Peter Pichler
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2014/06/17
Release Date:2014/07/30
Tag:silicon solar cell
SWD-Keyword:solar cell
Pagenumber:176
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
PACS-Classification:60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 61.00.00 Structure of solids and liquids; crystallography (for surface, interface, and thin film structure, see section 68)
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