Imec-ingenjörer bildar snabbare FinFETs från sammansatta halvledare på siliconwafer
Abstrakt
Avancerad karakterisering spelar en viktig roll för ytterligare förbättringar av kostnadseffektiviteten ($/Wp) för solceller. Denna artikel presenterar en översikt över avancerade karakteriseringstekniker som för närvarande används för analys avkiselwafer solceller, antingen i laboratoriet eller i fabrikerna. Tekniker som omfattas inkluderar
luminescensavbildning, livstidsspektroskopi och optiska och elektriska mätningar. Vi presenterar en detaljerad förlustanalys, helt baserad på uppmätta parametrar, som kvantifierar de huvudsakliga förlustprocesserna i kiselwafer-solceller. Denna förlustanalys är helt baserad på högprecisionsmätningar och ger en detaljerad kvantifiering (i
W/cm2) av solcellens effektförluster på grund av främre metallskuggning, främre ytreflektion av det aktiva området, främre ytutrymning, serie- och shuntmotstånd, icke-perfekt aktiv area intern kvanteffektivitet och framåtförspänningen ström vid en-sols maximala effektpunkt. Vi visar också att en grundlig karakterisering av
individuella bearbetningssteg och en detaljerad förlustanalys av de slutliga solcellerna kan användas för att förbättra den genomsnittliga effektiviteten och utbytet av industriella kiselwafer-solceller.
1. Introduktion
Silicon wafer solceller dominerar för närvarande marknaden och deras marknadsandel ökar till och med. Den överväldigande majoriteten av dessa solceller produceras av en tillverkningssekvens som består av följande steg:
i. Ytstruktur inklusive borttagning av sågskador
ii. Fosfordiffusion (antingen tub eller inline diffusion)
iii. Borttagning av fosforsilikatglas
iv. Kiselnitridavsättning
v. Screentryck av främre och bakre metallkontakter
vi. Kantisolering
För varje industriell solcell kommer dess solenergiomvandlingseffektivitet att mätas. En betydande mängd information kan emellertid erhållas från kiselproverna före och efter färdigställandet av kiselskivans solcell. I denna artikel presenteras några typiska processrelaterade frågor som kan extraheras från delvis bearbetade kiselskivor. Dessutom presenteras en bottom-up förlustanalys för en färdig kiselwafer solcell som kvantifierar de sju viktigaste förlustmekanismerna. Denna metod
kan fungera som vägledning vid optimering av kiselwafer-solceller.
2. Karakterisering av delvis bearbetade kiselwafers
2.1. Råwaferanalys genom fotoluminescensavbildning
Photoluminescence (PL) imaging has emerged in the last decade as a very versatile characterisation technique in the field of silicon wafer photovoltaics [1]. Of particular interest is that PL enables us to study partly processed silicon wafers in every step of the solar cell fabrication sequence. As an example, Fig. 1 shows PL intensity images taken on a high-quality and a low-quality multi-Si wafer (PL images taken with the LIS-R1 system from BT Imaging, Australia). The wafers were measured in their as-received state, i.e. no processing step was applied at SERIS. The high-quality wafer has a uniform appearance, apart from a lower intensity edge at the right which can be attributed to the block-casting process. The low-quality wafer has a clearly different appearance with a significant portion of the wafer appearing “dark”. It has been shown by Giesecke et al. that dark areas in raw wafers relate to areas with bulk minority carrier lifetimes of < 10 s [2]. Interestingly, the areas close to the grain boundaries are brighter in the PL image of the low-quality multi-Si wafer. This can be explained by the internal gettering of impurities by the grain boundaries, resulting in higher effective lifetimes in the proximity of grain boundaries in multi-Si with a high impurity content. This multi-Si wafer was clearly cut from either the top or bottom of the ingot. This result clearly shows that PL has the potential to assess the quality of as-received wafers before any processing. This information can be used for incoming quality control or to “bin” the incoming wafers into quality groups and to tailor especially the thermal processing in order to get the optimal cell efficiency for each quality group, instead of processing all wafers in the same way.
2.2. Borttagning av sågskador och texturering
De mottagna kiselskivorna innehåller ett defekt lager på varje yta (fram och bak), som ett resultat av sågprocessen. Minoritetsbärarens livslängd i detta sågskadade skikt är relativt låg på grund av kemiska föroreningar och kristalldefekter som härrör från sågprocessen. Detta defekta skikt avlägsnas genom kemisk bearbetning, vanligtvis i samma steg som används för att strukturera ytorna påsilikonwafer. Det är av avgörande betydelse att det defekta skiktet avlägsnas helt i detta kemiska steg.
Tjockleken på det defekta lagret varierar dock mellan waferleverantörer, så en karakteriseringssekvens krävs för att säkerställa att det defekta lagret tas bort helt. I fig. 2(a) visas ett processflöde som tillåter extraktion av den minimala erforderliga sågskadeetsningstiden (SDE) för en speciell typ av kiselskiva. Symmetriskt passiverade livstidsstrukturer framställs av Si-skivor som har fått olika SDE-tider (KOH vid 80oC). Därefter bestäms den effektiva livslängden av t.ex. fotokonduktansavfall i kvasi-steady state (WCT-120, Sinton Consulting, USA) [3]). Från fig. 2(b) kan vi se att den minimala SDE-tiden är 4 minuter för denna speciella typ av wafer.
Fig. 2. (a) Experimentellt processflöde som används för att bestämma den minimala sågskadaets etsningstid som krävs för en kiselskiva; (b) Den effektiva minoritetsbärarlivslängden för det symmetriskt passiverade livstidsprovet ökar signifikant för att öka sågskadaets etsningstid. För denna typ av Si-wafer, en minimal sågskada etsningstid på 4
minuter bör användas.
2.3. Fosfordiffusion
Standardsättet för emitterbildning är fosfordiffusion, antingen genom inline- eller tubdiffusion. De viktigaste parametrarna av intresse från P-diffusionen är det absoluta värdet av plåtmotståndet och dess laterala enhetlighet. I fig. 3 visas en arkresistanskarta som erhölls genom att ta 49 individuella mätningar med en fyrapunktssond (Crestbox, Napson, Japan) på en mono-Si-skiva. För denna specifika wafer är likformigheten relativt dålig, vilket kan leda till kontaktproblem i den främre Ag-metalliseringen. Mono-Si-skivorna laddades rygg mot rygg i det här fallet för att minimera diffusion av dopmedel in i den bakre ytan av skivan. PL-intensitetsbilden visar dock en högintensiv kant runt wafern som kan tillskrivas parasitisk P-diffusion på baksidan av wafern. Därför bör denna parasitära diffusion tas med i beräkningen i resten av solcellstillverkningssekvensen, eftersom det kan resultera i shuntning av cellen eller dålig kontakt eller passivering på baksidan.
Fig. 3. (a) Uppmätt arkresistansfördelning för en 156 mm bred pseudo-kvadrat n+ diffused p-typ mono-Si wafer med en målarkresistans på 60 Ohm/kvadrat. En tydlig olikformighet observeras, vilket kan orsaka problem i senare skeden av solcellstillverkningen; (b) PL-intensitetsbilden av samma wafer avslöjar dessutom signifikant
olikformigheter på baksidan av skivan relaterade till den icke-optimala rygg-mot-rygg-belastningen av skivorna i tubdiffusionsprocessen.
2.4. Kiselnitridavsättning
Kiselnitrid är för närvarande den senaste antireflektionsbeläggningen (ARC) för kiselwafer-solceller, eftersom filmen minskar reflektionsförluster och samtidigt ger bulk- och ytpassivering. Det är välkänt att den bästa nivån av ytpassivering inte alltid sammanfaller med filmens bästa ARC-egenskaper; därför bör båda fastigheterna behandlas parallellt. I fig. 4 är ARC- och ytpassiveringsegenskaperna avsatta som en funktion av brytningsindexet för kiselnitridfilmen (SiNx). De optiska absorptions- och reflektionsförlusterna bestämdes genom en kombination av strålspårning och överföringsmatrismetoden, som beskrivs i detalj i Ref. [4]. Det kan ses att det är viktigt att beakta både reflektions- och absorptionsförluster som induceras av kiselnitridfilmen på texturerade mono-Si-skivor. Överföringen av filmen bör optimeras eftersom detta begränsar den erhållbara strömmen i solcellen.
Fig. 4. (a) Viktad genomsnittlig reflektion, absorption och transmission som en funktion av brytningsindex för SiNx-filmen på alkaliskt strukturerade mono-Si-skivor. Den optiska tjockleken av SiNx-filmen hölls konstant vid 150 och reflektionen, absorptionen och transmissionen modellerades med användning av strålspårning i kombination med överföringsmatrismetoden. De optiska förlusterna vägdes av fotonflödet i AM1.5G-spektrumet; (b) Emittermättnadsströmdensitet mätt genom fotokonduktansavklingning på SiNx-passiverade texturerade mono-Si-skivor med en 70 Ohm/sq n+ diffusion på båda sidor, som en funktion av SiNx-filmens brytningsindex.
När det gäller ytpassivering kan man se att en rad kiselnitridfilmer ger en god nivå av ytpassivering på en n-typ emitter, men att försiktighet bör iakttas om filmen är stabil under en vanlig industriell bränning. Genom att kombinera både ARC- och passiveringsegenskaperna kan den bästa kiselnitridfilmen väljas (i detta fall en kiselnitridfilm med ett brytningsindex på 2,0).
2.5. Screentryck och bränning
Den främre och bakre metallkontakten hos en typisk Si-wafer-solcell bildas genom screentryck och efterföljande sameldning av kontakterna i en eldningsugn. Utmaningen är att få ett lågt seriemotstånd i kombination med en låg rumsligt medelvärde för laddningsbärarrekombination på fram- och baksidan av solcellen. Dessutom bör metalliseringsfraktionen på framsidan av solcellen minimeras. Allvarliga kontaktproblem kan enkelt åtgärdas genom att övervaka fyllningsfaktorn och serieresistansen för cellen (se
Avsnitt 3), kräver dock vissa processproblem rumsligt löst karakterisering för att upptäckas. I fig. 5 visas två elektroluminescens (EL) intensitetsbilder för Si-wafer-solceller med kontaktproblem på fram- och baksidan av solcellen. Bredden på de främre metallgallerlinjerna reduceras ständigt för att minska metalliseringsfraktionen på framsidan av solcellen. Detta kan dock leda till en ökning av serieresistansen orsakad av ledningskonduktansen eller bortkopplade fingrar. Från fig. 5(a) kan det
ses att brutna fingrar mycket lätt kan plockas upp av EL-avbildning. Kontakt- och/eller passiveringsproblem av ryggkontakten kan också enkelt plockas upp från EL-bilder, se fig. 5(b). I detta specifika fall är en spegelbild av brännugnens metallband synlig i bilden, varför den icke-optimala eldningen resulterar i lokal dålig kontakt på baksidan och därigenom minskar solcellens fyllnadsfaktor.
Fig. 5. (a) EL-intensitetsbild av en mono-Si wafer-solcell med brutna Ag-framfingrar; (b) EL-intensitetsbild av en mono-Si wafer-solcell med dålig bakre Al-kontakt.
3. Karakterisering av färdiga solceller
För alla solceller mäts en-sol IV-kurvan och energiomvandlingseffektiviteten bestäms. För solcellsforskare är det dock av avgörande betydelse att veta vilka faktorer som begränsar effektiviteten hos en given solcell. Av denna anledning har en ny metod utvecklats vid SERIS som utför en förlustanalys nerifrån och upp för Si-wafer-solceller och kvantifierar de sju viktigaste förlustmekanismerna för en solcell vid 1-sols maximala effektpunkt (MPP), förutsatt att serieresistanskorrigerad MPP-spänning (Vmpp) för cellen förblir konstant [5]. Denna analys är alltså inte avsedd att kvantifiera förlusterna i förhållande till den teoretiska (men praktiskt taget inte uppnåbara) solcellseffektivitetsgränsen. Istället är det tänkt att användas på ett iterativt sätt, genom att bestämma de dominerande förlustmekanismerna i en viss solcell, sedan tillverka en förbättrad version av solcellen, sedan upprepa förlustanalysen och så vidare. Förlustanalysmetoden demonstreras här på en 18,1 % effektiv p-typ Cz mono-Si wafer solcell
tillverkad på SERIS. Cellen har en homogen sändare av n-typ vid den främre ytan och ett fältskikt av legerat bakyta med full yta på den bakre ytan. Både Ag främre och Al bakre kontakten var screentryckta. Förlustmekanismerna som undersökts i SERIS-förlustanalysen är:
Framskärmning av metallgaller
Frontytans reflektans i det aktiva området;
Utrymning av främre ytan
Seriemotstånd
Shuntmotstånd
Icke-perfekt kvanteffektivitet
Diodrekombination
Först bestäms solcellens elektriska egenskaper. I detta arbete användes en ensols IV-testare (SolSim-210, Aescusoft, Tyskland) med en solsimulator av superklass A (WXS-220S-L2, Wacom, Japan). Från ljus-JV-kurvan (visas ej här) härleds standardsolcellsparametrarna: Öppningsspänning Voc, kortslutningsströmtäthet Jsc, fyllfaktor FF, verkningsgrad Eff, maximal effektpunktspänning Vmpp och maximal effektpunktströmtäthet Jmpp. Från den mörka JV-kurvan shuntmotståndet
bestäms av en linjär passning i området -50 mV till 50 mV. Genom att förskjuta en-sols JV-kurvan med Jsc från den fjärde till den första kvadranten (visad i fig. 6) och anta att solcellen följer superpositionsprincipen, seriemotståndet vid ensols maximala effektpunkt (Rs.light) ) bestäms från spänningsskillnaden mellan den mörka och den förskjutna ensols JV-kurvan vid Impp, såsom beskrivs av Aberle et al. [6]. Dessutom bestäms den effektiva diodmättnadsströmtätheten J0.eff och den effektiva idealitetsfaktorn neff från den Rs-korrigerade ljus JV-kurvan. Alla dessa härledda värden är sammanfattade i tabell 1.
.jpg)
Solcellens kvantverkningsgrad bestäms i detta arbete med den differentiella spektrala responsmetoden, med användning av en kombination av modulerat monokromatiskt ljus med steady-state vitt biasljus [7]. Systemet som används i detta arbete (Fimo-210, Aescusoft, Tyskland) har en filterhjulsbaserad monokromator med 34 smalbandsfilter och cellens linjäritet kontrolleras före mätningen. Den externa och interna kvantverkningsgraden för det metallfria området av solcellen visas i fig. 7.
Det metalliserade området på cellens främre yta mättes med hjälp av ett automatiserat 3D-visionsmätningssystem (MeasurVision, Sunny Instruments, Singapore). Reflektansen Raa för den aktiva cellarean beräknas därefter från den uppmätta halvsfäriska reflektansen (Lambda 950, PerkinElmer, USA), den uppmätta metalliseringsfraktionen av den främre ytan och den uppmätta reflektansen för det använda främre metallnätet. IQE för det aktiva området (IQEaa) beräknas sedan med hjälp av den uppmätta metalliseringsfraktionen av cellen och den beräknade Raa för den metallfria arean. IQEaa används nedan för att kvantifiera rekombinationsförlusterna i den kortslutna cellen.
I den sista delen av analysen beräknas effektförlusterna (i mW/cm2) vid solcellens MPP för var och en av de sju studerade förlustmekanismerna, förutsatt att cellen följer superpositionsprincipen. De optiska förlusterna och förlusterna på grund av en icke-perfekt IQEaa beräknas genom att vikta uppmätta data med AM1.5G-spektrumet, varvid den beräknade strömförlusten vid kortslutning omvandlas till en effektförlust vid MPP genom multiplikation med Vmpp. De resistiva förlusterna och framåtförspänningen
ström beräknas vid MPP-förhållanden, med hjälp av solcellens uppmätta värden från Tabell 1 och den ekvivalenta endiodskretsmodellen. Vår analys antar alltså att skillnaden mellan Jsc och Jmpp helt och hållet beror på den ytterligare rekombination som utlöses i enheten av framåtförspänningen, vilket är sant om cellen följer superpositionsprincipen och shuntresistansen är tillräckligt hög. Effektförlustresultaten av denna analys ges i tabell 2. Som nämnts ovan antar analysen att den serieresistanskorrigerade maximala effektpunktspänningen förblir konstant. Det kan ses att för just denna cell är effektförlusten på grund av den icke-perfekta IQEaa dominerande (37%), följt av effektförlusten på grund av främre metallskuggning (24%). Det kan också ses att den totala strömförlusten vid MPP (12,6 mA/cm2) kombinerat
med den uppmätta Jmpp adderas till 47,2 mA/cm2, vilket är mycket nära den totala möjliga strömmen från AM1.5G-spektrumet för våglängder upp till 1200 nm (47,0 mA/cm2). Därför har alla större fotonströmförlustprocesser tagits med i beräkningen.
4. Slutsatser
I denna artikel har vi visat att en betydande mängd information kan extraheras från delvis bearbetade kiselskivor, genom att tillämpa en rad karakteriseringstekniker. Vidare har vi presenterat en metod för effektförlustanalys för solceller av kiselskivor som kvantifierar de sju huvudsakliga effektförlustmekanismerna vid cellens maximala effektpunkt baserat på en bottom-up-analys. Metoden antar att cellens Vmpp förblir konstant när de olika förlustmekanismerna elimineras; således,
den bör användas iterativt vid förbättring av solceller, eftersom Vmpp också kommer att förändras. Denna analys kan enkelt anpassas till andra solcellstekniker som t.exSi tunn film, CIGS och CdTe-baserade solceller och till solcellsmoduler. Som beskrivs i detta dokument spelar avancerad karakterisering en nyckelroll för att förbättra effektiviteten och utbytet av solcellsteknik.
Referenser
[1] Trupke T, Bardos RA, Schubert MC, Warta W. Fotoluminescensavbildning av kiselwafers. Appl. Phys. Lett. 2006; 89:044107.
[2] Giesecke JA, The M, Kasemann M, Warta W. Rumsligt upplöst karakterisering av kisel-as-cut wafers med fotoluminescensavbildning. Prog. Fotovolt. 2009; 17:217.
[3] Sinton RA, Cuevas A. Kontaktlös bestämning av ström-spänningsegenskaper och minoritetsbärarlivslängder i halvledare från fotokonduktansdata i kvasi-steady-state. Appl. Phys. Lett. 1996; 69:2510.
[4] Duttagupta S, Ma F, Hoex B, Mueller T, Aberle AG. Optimerade antireflektionsbeläggningar med kiselnitrid på texturerade kiselytor baserat på mätningar och flerdimensionell modellering. Proc. Internationell konf. på Material för
Advanced Technologies 2011, Symposium O, Singapore; Energy Procedia, 2011.
[5] Aberle AG, Zhang W, Hoex B. Avancerad förlustanalysmetod för solceller av silikonwafer. Proc. SiliconPV 2011 Conf. (1st International Conf. on Crystalline Silicon Photovoltaics), Freiburg, Tyskland; Energy Procedia, 2011, volym 8, sid. 244-9.
[6] Aberle AG, Wenham SR, Green MA. En ny metod för noggranna mätningar av solcellers klumpade serieresistans. Proc. 23:e IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Louisville, USA; 1993, sid. 133-8.
[7] Metzdorf J. Kalibrering av solceller. 1: Metoden för differentiell spektral responsivitet. Appl. Optics 1987; 26:1701
Källa: Sciencedirect
För mer information, besök vår hemsida:www.powerwaywafer.com, send us email at [email protected] or [email protected]