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    Laser shallow melting of p-type silicon wafers as substrates for tunnel junctions in tandem solar cells

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    Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente , 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasThe fabrication of tandem solar cells requires a specific connectivity between layers, with specific characteristics such as the case of a tunnel junction that is made of two heavily doped narrow layers of different doping types (e.g. Phosphorus and Boron). When a certain amount of voltage is applied to the edges of the tunnel junction, the result is the alignment of both valence and conduction bands of the different subregions, enabling the electron flux from one cell to another without the need to energy variation of the electron. The Gas Immersion Laser Doping (GILD) technique uses a laser as the source of radiation and a dopant gas. A silicon wafer is inserted inside a compartment with a controlled atmosphere saturated with the doping gas, which receives energy from the laser as pulsed beams, melting and solidifying into a very fast process. When the melting occurs, the dopants penetrate the wafer and remain there upon solidification. When a high concentration of the dopant is confined inside an ultra-shallow depth of the wafer, the probability of forming a tunnel junction is increased. Therefore, before implementing this process, it is necessary to study the interaction between the laser and silicon samples. The purpose of this dissertation is to test and pre-select sample areas that were submitted to an infrared laser irradiation, varying on different sets of parameters, such has laser scan speed, number of scans, infrared transparent window type, among others. Samples will be evaluated regarding their topography, in terms of surface and in-depth melt homogeneity. These samples will be used as tests for the objective of the project in which this dissertation is inserted. The final goal of the project is thus to develop a process of tunnel junction formation with recurse to the GILD technique, using POCl3 as the dopant source and to create abrupt n++/p+ doping profiles (with 10 nm wide). The approach should lead to a scalable and low-cost industrial process for forming tunnel junctions directly integrated in tandem solar cells. Optical analysis of laser interaction on the silicon surface can be notable in slower laser scan speed for more than one successive scattering process. The results show an effective laser processed areas in a p-type Cz-Si wafer rather than in an emitter p++ on an p+ Cz-Si wafer. The chamber and the window that confines the sample in a controlled atmosphere affects positively the melting process when using a Quartz material rather than the Polycarbonate window.A evolução tecnológica tem permitido arranjar solução eficazes para combater a produção de energia à base de combustíveis fósseis. As energias renováveis estão a ser cada vez mais implementadas como fontes de conversão de energia primária para autoconsumo e distribuição na rede. A variabilidade e a inconstância que as fontes de energia renovável apresentam, devem ser colmatadas pontualmente por fontes alternativas ou convencionais de produção de energia, para garantir ao consumidor final de energia a sua utilização. Por definição, uma célula fotovoltaica é um dispositivo elétrico que é afetado pela exposição a certos tipos de radiação, resultando num diferencial em características como a corrente e a tensão. Baseia-se num efeito químico e físico, denominado por efeito fotovoltaico. Através da absorção de fotões por parte de um material semiconductor, ocorre a excitação dos seus eletrões e, consequentemente, a separação do respetivo átomo. É gerada uma diferença de potencial elétrico proporcionada pela separação das cargas. A radiação proveniente do sol é um recurso muito explorado atualmente, para produção de energia de fonte renovável. A irradiância espetral atinge valores máximos na região do infravermelho, permitindo correlacionar o grande destaque que o silício detém no mercado fotovoltaico, já que o intervalo de banda do mesmo encontra-se na região infravermelha, onde converte de forma eficiente grandes quantidades de radiação. O aproveitamento das restantes regiões do espetro solar deverá ser considerado para a implementação nas futuras células solares. O empilhamento de camadas de diferentes materiais, permite abranger uma maior banda de comprimento de onda. A célula de topo permite absorver intervalos de banda superiores, enquanto os fotões que não são absorvidos percorrem a junção até chegar à célula base, onde irá ocorrer a conversão de energia. Uma célula solar tandem como é o caso da perovskita/silício resulta numa célula mais eficiente em que são aproveitados os fotões de diferentes regiões do espetro solar. As células solares tandem são compostas por diferentes sub-células que têm intervalos de banda do espetro solar distintos. Permitem uma maior absorção de fotões pois abrangem um maior intervalo do comprimento de onda. A sua fabricação requer uma interligação complexa entre ambas as camadas denominadas por junção de túnel. Trata-se de uma região altamente dopada com duas camadas com concentração de dopantes distintos, como por exemplo Boro e Fósforo. Ambas as bandas de valência e condução das diferentes camadas alinham-se, possibilitando o fluxo de eletrões entre ambas sem necessidade de o fotão variar a sua energia. O silício é o material semiconductor mais utilizado para o fabrico de células solares. Consoante o seu grau de cristalinidade, poderá apresentar diferentes eficiências e consequentemente, custos, face à complexidade dos processos em que é submetido. A maioria dos módulos fotovoltaicos utilizados nas centrais são do tipo monocristalino, apresentando uma maior eficiência comparativamente às outras células de primeira geração. A eficiência da tecnologia fotovoltaica pode ser maximizada através de um processo denominado por dopagem. Ao introduzir impurezas em amostras, como por exemplo de silício, a conversão de energia é realizada de forma mais eficaz devido à alteração das propriedades elétricas. Dependendo da natureza das impurezas que serão inseridas nas amostras, será possível obter amostras do tipo p ou do tipo n. A alteração da cristalinidade de uma bolacha de silício afetará as ligações covalentes entre os átomos. A liberdade de movimento de um eletrão em amostras do tipo n, aumentará a condutividade e, consequentemente, a eficiência da célula num todo. A técnica GILD (Gas Immersion Laser Doping) é uma das alternativas para realizar processos de dopagem em silício. É utilizado um laser pulsado como fonte principal de radiação e uma atmosfera com um gás dopante. A amostra de silício permanece confinada num compartimento que possibilite criar uma atmosfera controlada com alta concentração de gás dopante. O laser pulsado incide na superfície da amostra proporcionando a fusão e solidificação intercalada, num processo extremamente rápido. Durante a fusão do silício, o dopante penetra a amostra, que permanece em profundidade quando ocorre a solidificação. Uma elevada concentração de dopante alocada numa camada ultra-fina, propicia a formação de uma junção de túnel. De forma a maximizar a eficácia da dopagem para o resultado pretendido, é fundamental analisar a interação entre o laser e o silício, e todos os fatores que estão associados. A técnica SEM (Scanning Electron Microscopy) é bastante utilizada para estudar a topografia de células após a interação direta com fontes de energia muito elevadas. Um feixe primário de eletrões é disparado diretamente na superfície da amostra que, após o contacto, resulta na emissão de eletrões secundários. Estes são armazenados e filtrados por um sistema de deteção que, consequentemente, irá correlacionar a variação na topografia da superfície amostral. O estudo da interação entre fontes de energia e amostras de silício é fundamental de modo a compreender a os fatores que possibilitam uma melhor homogeneidade superficial. O principal objetivo desta dissertação é testar, analisar e escolher as áreas amostrais que serão submetidas a um processo de irradiação recorrendo a um laser infravermelho, variando um conjunto de parâmetros, tais como, a velocidade de varrimento do laser, o número de repetições de cada ciclo de varrimento, o material que constitui a janela onde incide o laser, entre outros. Futuramente, as amostras que forem escolhidas, serão avaliadas relativamente à sua topografia, tanto em termos superficiais, como na fusão homogénea em profundidade. As amostras serão utilizadas como amostras teste para o objetivo do projeto em que esta dissertação se insere. O projeto tem a finalidade de desenvolver o processo de formação de junções de túnel pelo método de Gas Immersion Laser Doping utilizando como gás dopante o POCl3, de forma a criar uma camada ultra-fina e altamente dopada do tipo n (n++) através de toda a bolacha de silício. Um estudo preliminar acerca da interação entre laser e silício permite compreender de que maneira os vários fatores, tal como o tipo de equipamento, parâmetros e o tipo de amostra de silício utilizada, influenciam a homogeneidade do processo de fusão. Foram estudados e analisados os diferentes resultados comparando diretamente as várias variáveis. O material que constituía a janela onde incidia o laser, a velocidade de varrimento do pulso, a distância entre pontos focais (sucessivos e verticais) e a repetição do varrimento do laser, as diferentes amostras (emissor p++/p+ e bolacha p+, ambos de silício), foram comparados no âmbito desta dissertação. O processo de fabricação deverá conduzir a um método escalável e de baixo custo na produção industrial de junções de túnel para integrar nas células solares tandem. Numa análise microscópica das diferentes áreas amostrais é possível observar que a velocidade de varrimento do laser e o número de repetições dos ciclos de varrimento são as variáveis que mais influenciam na eficácia da fusão do silício. Em velocidades mais baixas do feixe do laser, é possível obter uma maior área cujo laser interagiu com sucesso. Mesmo que existam pequenas zonas escuras, a sucessiva repetição do processo resulta numa correção da zona não tratada. Num emissor sobre um wafer dopado (p++/p+) a interação do laser tornou-se numa fusão deficiente da superfície face à bolacha padrão (bolacha de silício tipo p). A grande concentração de boro na camada superior afeta negativamente a eficácia do processo de varrimento. A fusão homogénea do silício foi afetada positivamente quando utilizada uma janela de Quartzo como superfície transparente que permite a incidência do laser. Face à janela de policarbonato, os fatores óticos dos dois tipos de materiais, são notavelmente relevantes nos resultados obtidos

    Laser Metallization And Doping For Silicon Carbide Diode Fabrication And Endotaxy

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    Silicon carbide is a promising semiconductor material for high voltage, high frequency and high temperature devices due to its wide bandgap, high breakdown electric field strength, highly saturated drift velocity of electrons and outstanding thermal conductivity. With the aim of overcoming some challenges in metallization and doping during the fabrication of silicon carbide devices, a novel laser-based process is provided to direct metallize the surface of silicon carbide without metal deposition and dope in silicon carbide without high temperature annealing, as an alternative to the conventional ion implantation, and find applications of this laser direct write metallization and doping technique on the fabrication of diodes, endotaxial layer and embedded optical structures on silicon carbide wafers. Mathematical models have been presented for the temperature distributions in the wafer during laser irradiation to optimize laser process parameters and understand the doping and metallization mechanisms in laser irradiation process. Laser irradiation of silicon carbide in a dopant-containing ambient allows to simultaneously heating the silicon carbide surface without melting and incorporating dopant atoms into the silicon carbide lattice. The process that dopant atoms diffuse into the bulk silicon carbide by laser-induced solid phase diffusion (LISPD) can be explained by considering the laser enhanced substitutional and interstitial diffusion mechanisms. Nitrogen and Trimethyaluminum (TMA) are used as dopants to produce n-type and p-type doped silicon carbide, respectively. Two laser doping methods, i.e., internal heating doping and surface heating doping are presented in this dissertation. Deep (800 nm doped junction for internal heating doping) and shallow (200 nm and 450 nm doped junction for surface heating doping) can be fabricated by different doping methods. Two distinct diffusion regions, near-surface and far-surface regions, were identified in the dopant concentration profiles, indicating different diffusion mechanisms in these two regions. The effective diffusion coefficients of nitrogen and aluminum were determined for both regions by fitting the diffusion equation to the measured concentration profiles. The calculated diffusivities are at least 6 orders of magnitude higher than the typical values for nitrogen and aluminum, which indicate that laser doping process enhances the diffusion of dopants in silicon carbide significantly. No amorphization was observed in laser-doped samples eliminating the need for high temperature annealing. Laser direct metallization can be realized on the surface of silicon carbide by generating metal-like conductive phases due to the decomposition of silicon carbide. The ohmic property of the laser direct metallized electrodes can be dramatically improved by fabricating such electrodes on laser heavily doped SiC substrate. This laser-induced solid phase diffusion technique has been utilized to fabricate endolayers in n-type 6H-SiC substrates by carbon incorporation. X-ray energy dispersive spectroscopic analysis shows that the thickness of endolayer is about 100 nm. High resolution transmission electron microscopic images indicate that the laser endotaxy process maintains the crystalline integrity of the substrate without any amorphization. Rutherford backscattering studies also show no amorphization and evident lattice disorder occur during this laser solid phase diffusion process. The resistivity of the endolayer formed in a 1.55 omegacm silicon carbide wafer segment was found to be 1.1E5 omegacm which is sufficient for device fabrication and isolation. Annealing at 1000 oC for 10 min to remove hydrogen resulted in a resistivity of 9.4E4 omegacm. Prototype silicon carbide PIN diodes have been fabricated by doping the endolayer and parent silicon carbide epilayer with aluminum using this laser-induced solid phase diffusion technique to create p-regions on the top surfaces of the substrates. Laser direct metallized contacts were also fabricated on selected PIN diodes to show the effectiveness of these contacts. The results show that the PIN diode fabricated on a 30 nm thick endolayer can block 18 V, and the breakdown voltages and the forward voltages drop at 100 A/cm2 of the diodes fabricated on 4H-SiC with homoepilayer are 420 ~ 500 V and 12.5 ~ 20 V, respectively. The laser direct metallization and doping technique can also be used to synthesize embedded optical structures, which can increase 40% reflectivity compared to the parent wafer, showing potential for the creation of optical, electro-optical, opto-electrical, sensor devices and other integrated structures that are stable in high temperature, high-pressure, corrosive environments and deep space applications

    Fabrico de junções de túnel para células solares de dupla junção de alto rendimento

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    Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O objetivo desta dissertação é delinear um processo para a formação de uma junção de túnel, a ser incorporada numa célula fotovoltaica de multijunção, através de uma técnica que não exija constrangimentos de temperatura, seja facilmente escalável para a produção industrial e de custo reduzido. A procura por uma técnica que preenchesse estes requisitos levou à escolha do processo GILD (Gas Immersion Laser Doping), sendo este de baixo custo, uma vez que o laser é muito menos dispendioso do ponto de vista energético que um forno resistivo, já que permite tratamento térmico local, e tem possibilidade de ser realizada em larga escala quando associado a uma cabeça galvanométrica ou uma mesa x-y. Além disto, a junção produzida não impede que a célula de topo seja potencialmente depositada através de um processo que utilize temperaturas relativamente elevadas (superiores a 200ºC). Um laser do tipo pulsado oferece muito controlo no processo de fusão do silício, com a possibilidade de o programar em termos de densidade energética, frequência e duração do pulso. Esta técnica nunca foi utilizada para a formação de junções de túnel com vista a aplicação em células solares (uma vez que os objetivos das experiências já existentes são a aplicação eletrónica), sendo uma inovação na arquitetura fotovoltaica. A técnica GILD foi reportada pela primeira vez em 1989. Neste primeiro artigo, era a amostra que se deslocava relativamente ao laser, utilizando uma mesa x-y. Na experiência delineada para esta dissertação, optou-se pela aplicação de um laser de rastering, que altera a posição do feixe, mantendo a wafer de silício fixa. Foi também selecionado um laser diferente do que é normalmente reportado na bibliografia (por exemplo 308 nm XeCl), com um comprimento de onda de 1064 nm (Nd:YAG), combinado com uma lente f-teta, que permite assegurar que o feixe está sempre focado na superfície da amostra independentemente da zona desta onde incide. O dopante a ser aplicado na experiência programada é o POCl3 (Cloreto de Fosforila) e, embora a dopagem com fósforo para aplicações fotovoltaicas não seja inovadora, esta fonte ainda não foi reportada noutros processos deste género. Para o ambiente da câmara onde se realiza a dopagem foram estudados dois métodos diferentes: baixa pressão e pressão atmosférica. Para cada um foram elaborados esquemas, estudadas as vantagens, desvantagens e as especificações, optando-se por realizar a técnica à que utiliza pressão ligeiramente superior à atmosférica, uma vez que diminui o risco de fugas e permite a utilização de outros materiais (mais baratos) para os diferentes componentes do sistema. Esta dissertação, estando incluída no primeiro ano de um projeto de deposição de junções de túnel através de um processo escalável e de baixo custo, focou-se sobretudo em pesquisa bibliográfica sobre temas relevantes para esta área e, principalmente, sobre a técnica GILD aplicada no passado, comparando trabalhos e resultados.The aim of this dissertation is to outline a process for the formation of a tunnel junction, to be incorporated on a multijunction photovoltaic cell, through a technique that does not require temperature constraints, is easily scalable for industrial production and cost-effective. The search for a technique that met these requirements led to the choice of the process GILD (Gas Immersion Laser Doping), this being low cost, as the laser is much less expensive from an energy point of view than a resistive furnace, since it allows local heat treatment, and has the possibility of being performed on a large scale when associated with a galvanometric head or an x-y table. In addition, the produced junction does not prevent the top cell from being potentially deposited through a process that uses relatively high temperatures (above 200 ºC). A pulsed laser offers a lot of control in the silicon fusion process, with the possibility of programming it in terms of energy density, frequency and pulse duration. This technique has never been used for the formation of tunnel junctions for application in solar cells (since the objectives of existing experiences are the electronic application), being an innovation in photovoltaic architecture. The GILD technique was first reported in 1989. In this first report it was the sample that moved with respect to the laser, using a x-y table. In the setup outlined in this dissertation, we opted for the application of a rastering laser, which alters the position of the beam, keeping the silicon wafer fixed. A laser was also selected other than that normally reported in the bibliography (e.g. 308 nm XeCl), with a wavelength of 1064 nm (Nd:YAG), combined with an f-theta lens, which allows to ensure that the beam is always focused on the sample surface regardless of the area of this where it focuses. The dopant to be applied in the programmed experience is POCl3 (phosphoryl chloride) and although phosphorus doping for photovoltaic applications is not innovative, this source has not yet been reported in other processes of this kind. For the environment of the chamber where doping is performed, two different methods were studied: low pressure and atmospheric pressure. For each one, schemes were elaborated, the advantages, disadvantages and specifications were studied, choosing to perform the technique at a pressure slightly higher than atmospheric, since it decreases the risk of leakage and allows the use of other materials (cheaper) for the different components of the system. This dissertation, being included in the first year of a project of deposition of tunnel junctions through a scalable and low-cost process, focused mainly on bibliographic research on topics relevant to this area and, mainly, on the GILD technique applied in the past, comparing works and results

    Development and modeling of a low temperature thin-film CMOS on glass

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    The push to develop integrated systems using thin-film transistors (TFT) on insulating substrates (i.e. glass) has always been limited due to low-mobility semiconducting films such as amorphous and polycrystalline silicon. Corning Incorporated is developing a new substrate material known as silicon-on-glass (SiOG). It is intrinsically better than amorphous and polycrystalline silicon materials due to its single crystal nature of the silicon film. This however does not mitigate the challenges associated with low temperature CMOS process and fabrication. The first generation of TFTs fabricated at RIT showed the potential of SiOG as a viable substrate material, but were plagued by considerable short comings such as high leakage and low transconductance. As part of this study, refinements to TFT processing on SiOG have demonstrated significant improvement to TFT performance and uniformity, showing increase transconductanace/mobility, lower subthreshold swing, tighter VT distributions, and near symmetrical NFET and PFET operation about 0 V. With these improvements minimal steps have been added to the manufacturing process, keeping simple and adoptable by the flat panel display (FPD) industry. Device modeling clearly demonstrates the key areas important to electrical operation, such as dopant activation, interface charge/trap reduction, and workfunction engineering. It addition, modeling and simulation have helped to explain the governing physics of device operation explaining non-ideal effects such as gate induced drain leakage (GIDL) and various mobility degradation mechanism. An overview of device design, process refinements and device operation is presented. Process modifications and resulting benefits are discussed along with CMOS integration on SiOG

    Laser Chemical Processing (LCP) of Poly-Silicon Thin Film

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    Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

    An uncooled mid-wave infrared detector based on optical response of laser-doped silicon carbide.

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    This dissertation focuses on an uncooled Mid-Wave Infra-Red (MWIR) detector was developed by doping an n-type 4H-SiC with Ga using the laser doping technique. 4H-SiC is one of the polytypes of crystalline silicon carbide, a wide bandgap semiconductor. The dopant creates an energy level of 0.30 eV, which was confirmed by optical spectroscopy of the doped sample. This energy level corresponds to the MWIR wavelength of 4.21 µm. The detection mechanism is based on the photoexcitation of electrons by the photons of this wavelength absorbed in the semiconductor. This process modifies the electron density, which changes the refraction index and, therefore, the reflectance of the semiconductor is also changed. The change in the reflectance, which is the optical response of the detector, can be measured remotely with a laser beam such as a He-Ne laser. This capability of measuring the detector response remotely makes it a wireless optical detector. The variation of refraction index was calculated as a function of absorbed irradiance based on the reflectance data for the as-received and doped samples. A distinct change was observed for the refraction index of the doped sample, indicating that the detector is suitable for applications at 4.21 µm wavelength. The Ga dopant energy level in the substrate was confirmed by optical absorption spectroscopy. Secondary ion mass spectroscopy (SIMS) of the doped samples revealed an enhancement in the solid solubility of Ga in the substrate when doping is carried out by increasing the number of laser scans. Higher dopant concentration increases the number of holes in the dopant energy level, enabling photoexcitation of more electrons from the valence band by the incident MWIR photons. The detector performance improves as the dopant concentration increases from 1.15×1019 to 6.25×1020 cm-3. The detectivity of the optical photodetector is found to be 1.07×1010 cm·Hz1/2/W for the case of doping with 4 laser passes. The noise mechanisms in the probe laser, silicon carbide MWIR detector and laser power meter affect the performance of the detector such as the responsivity, noise equivalent temperature difference (NETD) and detectivity. For the MWIR wavelength 4.21 and 4.63 µm, the experimental detectivity of the optical photodetector of this study is found to be 1.07×1010 cm·Hz1/2/W, while the theoretical value is 2.39×1010 cm·Hz1/2/W. The values of NETD are found to be 404.03 and 15.48 mK based on experimental data for an MWIR radiation source of temperature 25°C and theoretical calculation respectively. The doped SiC also has a capability of gas detection since gas emission spectra are in infrared range. Similarly, the sensor is based on the semiconductor optics principle, i.e., an energy gap is created in a semiconductor by doping it with an appropriate dopant to ensure that the energy gap matches with an emission spectral line of the gas of interest. Specifically four sensors have been fabricated by laser doping four quadrants of a 6H-SiC substrate with Ga, Al, Sc and P atoms to detect CO2, NO, CO and NO2 gases respectively. The photons, which are emitted by the gas, excite the electrons in the doped sample and consequently change the electron density in various energy states. This phenomenon affects the refraction index of the semiconductor and, therefore, the reflectivity of the semiconductor is altered by the gas. The optical response of this semiconductor sensor is the reflected power of a probe beam, which is a He-Ne laser beam in this study. The CO2, NO, CO and NO2 gases change the refraction indices of Ga-, Al-, Sc- and Al-doped 6H-SiC, respectively, more prominently than the other gases tested in this study. Hence these doped 6H-SiC samples can be used as CO2, NO, CO and NO2 gas sensors respectively
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