Light-induced degradation due to Cu precipitation in crystalline silicon: Modeling and impact on PERC solar cells

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Savin, Hele, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.contributor.advisor Haarahiltunen, Antti, Dr., Aalto University, Department of Micro and Nanosciences, Finland
dc.contributor.author Vahlman, Henri
dc.date.accessioned 2018-04-12T09:02:48Z
dc.date.available 2018-04-12T09:02:48Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-7922-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7921-9 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/30618
dc.description.abstract Copper is a common element in the environment and hence a difficult contaminant to control on silicon device manufacture lines. In p-type Si devices (e.g. solar cells), even very low copper concentrations can lead to copper-related light-induced degradation (Cu-LID), that is, degradation of the bulk minority carrier lifetime under excess carrier injection.  As copper concentrations even below the detection limits of analytical methods can cause Cu-LID, it is necessary to identify its presence directly from device-level effects, which can be perturbed by the simultaneous occurrence of other light-induced degradation (LID) mechanisms. Hence, the first aim of this work is to clarify the properties of Cu-LID that enable its distinction from other LID mechanisms at the solar cell level. Thus, strong LID observed in industrial passivated emitter and rear contact (PERC) solar cells was characterized, and complemented with an analysis of the effects of corona charging on lifetime sample wafers; a method that has earlier been used in the detection of Cu-LID. The results reveal that Cu-LID in solar cells can be recognized based on its relatively fast degradation rate and laterally heavy degradation patterns on extended defects. On the other hand, Cu-LID and another LID mechanism called Sponge-LID showed mutually similar properties, and further investigations possibly involving lifetime spectroscopic methods are necessary to clarify their relationship.  The second objective of the thesis is to deepen the theoretical understanding of Cu-LID. Hence, a physical model based on a theory of electrostatically limited copper precipitation was derived, which together with a previously published Schottky junction model of metal precipitates enables the modeling of Cu-LID directly at the minority carrier lifetime level. Agreement between the model and experiments was obtained in most of the investigated cases. Consequently, the different material properties and environmental conditions that affect the strength of Cu-LID were identified. Theoretically, the strength of Cu-LID is mostly affected by the Cu and the doping concentrations, and the density of heterogeneous nucleation sites, all of which influence the final precipitate size that was found to reside between few to few tens of nanometers in radius. These results provide confirmation for the precipitation theory of Cu-LID, and provide insights for mitigating its effects in silicon devices. en
dc.description.abstract Kupari on yleinen alkuaine, ja siten hankalasti kontrolloitava epäpuhtaus piikomponenttien tuotantolinjoilla. Jo hyvin pienet kuparikonsentraatiot p-tyypin piikomponenteissa (esim. aurinko- kennoissa) voivat johtaa kuparin aiheuttamaan valodegradaatioon, eli vähemmistövarauksen- kuljettajien bulkkielinajan lyhenemiseen ylimäärävarauksenkuljettajainjektion aikana.  Jo analyyttisten mittausmenetelmien herkkyysrajat alittavat kuparikonsentraatiot voivat johtaa kuparin aiheuttamaan valodegradaatioon. Siksi on tärkeää tunnistaa kyseinen ilmiö suoraan komponenttitason vaikutuksista, jotka voivat sekoittua samanaikaisesti ilmeneviin muihin valo- degradaatiomekanismeihin. Tämän työn ensimmäinen tavoite on selkeyttää niitä aurinkokenno- tasolla ilmeneviä piirteitä, joita voidaan hyödyntää kuparin aiheuttaman valodegradaation erottamisessa muista valodegradaatiomekanismeista. Teollisissa passivoidun emitterin ja takaosan omaavissa aurinkokennoissa ilmennyttä voimakasta valodegradaatiota karakterisoitiin, ja analyysiä täydennettiin tutkimalla koronavarauksen vaikutusta elinaikanäytteissä, jota on aiemmin käytetty menetelmänä kuparin aiheuttaman valodegradaation tunnistamisessa. Tuloksista ilmenee, että aurinkokennojen kupariin liittyvä valodegradaatio voidaan tunnistaa suhteellisen nopean degradaationopeuden perusteella, sekä hiladefektien päällä ilmenevästä voimakkaasta degradaatiosta. Kupariin liittyvän valodegradaation ja toisen valodegradaatiomekanismin, ns. Sponge-LID:n välillä kuitenkin havaittiin samankaltaisia ominaisuuksia, ja lisätutkimukset esim. elinaikaspektroskopiaa hyödyntäen ovat tarpeen näiden mekanismien suhteen selkeyttämiseksi.  Työn toinen tavoite on syventää kuparin aiheuttamaan valodegradaatioon liittyvää teoreettista ymmärrystä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi johdettiin fysikaalinen malli perustuen sähkö- staattisten vaikutusten rajoittamaan kuparin erkautumiseen, joka yhdessä aiemmin julkaistun metallierkaumien Schottky-liitosmallin kanssa mahdollistaa kupariin liittyvän valodegradaation mallintamisen suoraan vähemmistövarauksenkuljettajien elinajan tasolla. Mallin ja kokeiden välillä havaittiin yhdenmukaisuus useimmissa tutkituista tapauksista. Kuparin aiheuttaman valo- degradaation voimakkuus riippuu teoreettisesti pääosin kupari- ja seostuskonsentraatioista, ja heterogeenisten ydintymispaikkojen tiheydestä. Kaikki ym. suureet vaikuttavat erkaumien lopulliseen kokoon, joiden säteen pääteltiin olevan muutamien ja muutamien kymmenien nanometrien välillä. Yllämainitut tulokset vahvistavat erkautumisteoriaa kuparin aiheuttaman valoerkautumisen perimmäisenä syynä, ja antavat näkemyksiä kyseisen häviömekanismin aiheuttamien vaikutusten pienentämiseen piikomponenteissa. fi
dc.format.extent 112 + app. 62
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 59/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: H. Vahlman, M. Wagner, F. Wolny, A. Krause, H. Laine, A. Inglese, M. Yli-Koski, H. Savin. Light-induced degradation in quasi-monocrystalline silicon PERC solar cells: Indications on involvement of copper. Physica Status Solidi A, 214(7):1700321, 2017. DOI: 10.1002/pssa.201700321
dc.relation.haspart [Publication 2]: H. Vahlman, A. Haarahiltunen, W. Kwapil, J. Schön, A. Inglese, H. Savin. Modeling of light-induced degradation due to Cu precipitation in p-type silicon. I. General theory of precipitation under carrier injection. Journal of Applied Physics, 121(19):195703, 2017. DOI: 10.1063/1.4983454
dc.relation.haspart [Publication 3]: H. Vahlman, A. Haarahiltunen, W. Kwapil, J. Schön, A. nglese, H. Savin. Modeling of light-induced degradation due to Cu precipitation in p-type silicon. II. Comparison of simulations and experiments. Journal ofApplied Physics, 121(19):195704, 2017. DOI: 10.1063/1.4983455
dc.relation.haspart [Publication 4]: A. Inglese, H. Vahlman, W. Kwapil, J. Schön, H. Savin. Characterization of light-activated Cu defects in silicon: Comparison with the recombination activity of metal precipitates. Physica Status Solidi C, 14(7):1700103, 2017.
dc.relation.haspart [Publication 5]: H. Vahlman, A. Haarahiltunen, W. Kwapil, J. Schön, M. Yli-Koski, A. Inglese, C. Modanese, H. Savin. Effect of low-temperature annealing on defect causing copper-related light-induced degradation in p-type silicon. Energy Procedia, 124:188–196, 2017. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.09.314
dc.subject.other Electrical engineering en
dc.title Light-induced degradation due to Cu precipitation in crystalline silicon: Modeling and impact on PERC solar cells en
dc.title Kuparin erkautumisen aiheuttama valodegradaatio kiteisessä piissä: Mallinnus ja vaikutukset aurinkokennoihin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Sähkötekniikan korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Electrical Engineering en
dc.contributor.department Elektroniikan ja nanotekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Electronics and Nanoengineering en
dc.subject.keyword silicon en
dc.subject.keyword solar cell en
dc.subject.keyword copper en
dc.subject.keyword LID en
dc.subject.keyword precipitation en
dc.subject.keyword pii fi
dc.subject.keyword aurinkokenno fi
dc.subject.keyword kupari fi
dc.subject.keyword valodegradaatio fi
dc.subject.keyword erkautuminen fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7922-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Savin, Hele, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
dc.opn Kissinger, Gudrun, Dr., Institute for High Performance Microelectronics, Germany
dc.contributor.lab Electron Physics Group en
dc.rev Turek, Marko, Dr., Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics, Germany
dc.rev Dubois, Sébastien, Dr., French Alternative Energies and Atomic Energy Commission, France
dc.date.defence 2018-04-20
local.aalto.acrisexportstatus checked 2019-02-23_1007


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account