aalto1 untyped-item.component.html
Engineering of black silicon emitters towards application in industrial solar cells
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
46
Series
Abstract
Black silicon (b-Si) in a solar cell emitter enhances light absorption but introduces challenges such as increased surface recombination and excessive doping during thermal diffusion. Surface recombination can be controlled by passivating b-Si with a 20 nm thick atomic layer deposited (ALD) Al2O3; however, its excellent passivation is observed to deteriorate when thicker, 55 nm, films are used in our group. This work investigates the causes of this effect and explores ways to improve the passivation. The literature lacks data on the use of 55 nm ALD Al2O3 films for both planar and b-Si surfaces and provides no explanation for the observed degradation in passivation. This study explores whether post-deposition annealing temperature is the limiting factor for passivation performance. Experimental results identify 400°C as the optimal post-deposition annealing temperature for 55 nm Al2O3 film on b-Si, enhancing carrier lifetime from the previously reported 100 µs to 1 ms. Annealing at temperatures above 400°C results in a significant drop in carrier lifetime. Despite the improvement in passivation of 55 nm ALD Al2O3 b-Si, its performance falls short compared to the 20 nm counterpart. This study demonstrates progress in passivation with thick Al2O3 films on b-Si and points out the need for further research to understand the underlying causes of the phenomenon.
The challenge of excessive doping of b-Si had been addressed with ion implantation, which offers precise control over the resulting doping. However, it remains unclear whether b-Si emitters can withstand variations in ion implantation conditions. The second part of the thesis investigates the sensitivity of b-Si emitters to variations in ion implantation tools, beamline and parallel beam tool configurations, and stationary and quad implantation techniques. The results demonstrate that b-Si emitters are robust against such variations with most samples exhibiting uniform doping. Implantation with beamline implanters results in emitter saturation current of less than 10 fA/cm-2. Parallel beam implanters yield higher emitter saturation currents of more than 30 fA/cm-2, suggesting a need for an optimization. Quad mode implantation shows a slight improvement in emitter performance. The study suggests the integration of b-Si emitters into solar cells is possible, provided ion implantation becomes viable for industrial use.
Musta pii (b-Si) aurinkokennon emitterissä parantaa valon absorptiota, mutta tuo mukanaan haasteita, kuten lisääntyneen pintarekombinaation ja termisen diffuusion aiheuttaman liiallisen seostuksen. Pintarekombinaatiota voidaan hallita passivoimalla b-Si:tä 20 nm:n paksuisella atomikerroskasvatetulla (ALD) alumiinioksidilla (Al2O3). Tämän erinomaisen passivoinnin on kuitenkin meidän ryhmässämme havaittu heikkenevän, kun käytetään paksumpaa 55 nm:n ohutkalvoa. Tässä työssä tutkitaan kyseisen ilmiön syitä ja etsitään tapoja, joilla passivointia voitaisiin parantaa. Kirjallisuuskatsaus b-Si:n passivointiin 55 nm:n paksuisella ALD Al2O3 ohutkalvolla paljastaa tiedonpuutteen tällaisten paksujen kalvojen käytöstä sekä planaareille että b-Si pinnoille, eikä kirjallisuudesta löydy selitystä havaitulle passivoinnin heikkenemiselle. Tässä työssä tutkitaan, onko ALD:n jälkeisen lämpökäsittelyn lämpötila passivoinnin rajoittava tekijä. Kokeellinen työ paljastaa, että 55 nm:n paksuiselle ALD Al2O3 näytteelle optimaalinen lämpötila on 400°C. Lisäksi, elinaika nousee 100 µs:sta 1 ms:iin. Lämpökäsittely yli 400°C lämpötiloissa aiheuttaa elinajan jyrkän laskun. Passivoinnin parantumisesta huolimatta, 55 nm:n paksuinen ALD Al2O3 kalvo ei saavuta 20 nm:n kalvon pintapassivoinnin tasoa. Lisätutkimusta tarvitaan kyseisen ilmiön perinpohjaiseksi ymmärtämiseksi.
B-Si:n liiallinen seostus on ratkaistu käyttämällä ioni-implantointia, joka tarjoaa tarkan hallinnan seosatomien määrään. On kuitenkin epäselvää, kuinka herkkiä b-Si emitterit ovat pieniin vaihteluihin ioni-implantointiin käytettävien laitteiden ja implantointimenetelmien osalta. Myös tähän kysymykseen vastataan tässä työssä. Tulokset osoittavat, että b-Si emitterit kestävät hyvin tällaisia vaihteluita, ja suurimmassa osassa näytteistä seostus on tasalaatuista. Beamline-implantterilla suoritetut implantoinnit tuottavat emitterit, joiden emitterisaturaatiovirta on alle 10 fA/cm-2. Parallel beam-implantterilla doupattujen emittereiden emitterisaturaatiovirta ylittää 30 fA/cm-2 viitaten optimoinnin tarpeeseen. Quad-implantointimenetelmällä on hyvin vähäinen vaikutus emitterin suorituskykyyn. Näin ollen, tutkimus osoittaa, että b-Si emitterit soveltuvat aurinkokennoihin, mikäli ioni-implantointi tulee teolliseen käyttöön.