The Effect of Pull Speed and Heat Treatment on Thermal Donors in Czhocralski Silicon

publishedVersio

Increased sensitivity in near infrared hyperspectral imaging by enhanced background noise subtraction

Near infrared hyperspectral photoluminescence imaging of crystalline silicon wafers can reveal new knowledge on the spatial distribution and the spectral response of radiative recombination active defects in the material. The hyperspectral camera applied for this imaging technique is subject to background shot noise as well as to oscillating background noise caused by temperature fluctuations in the camera chip. Standard background noise subtraction methods do not compensate for this oscillation. Many of the defects in silicon wafers lead to photoluminescence emissions with intensities that are one order of magnitude lower than the oscillation in the background noise level. These weak signals are therefore not detected. In this work, we demonstrate an enhanced background noise subtraction scheme that accounts for temporal oscillations as well as spatial differences in the background noise. The enhanced scheme drastically increases the sensitivity of the camera and hence allows for detection of weaker signals. Thus, it may be useful to implement the method in all hyperspectral imaging applications studying weak signals

Hyperspektral avbildning av fotoluminescens fra silisiumbaserte skiver og solceller

Hyperspectral photoluminescence imaging is a non-destructive characterization method used to study radiative defects in crystalline silicon wafers and solar cells. It provides both spatial distribution and spectral response of these crystal imperfections and impurities. The goal of this research has been to establish hyperspectral photoluminescence imaging as a characterization method. The objectives of this research have been three-fold; to optimize, verify and apply the method. In the optimizing process, an oscillation in the background noise was identified. An enhanced noise removal algorithm was developed, drastically increasing the camera’s sensitivity, allowing even weakly emitting defects to be detected. By application of a macro-lens, the spatial resolution has been improved from 200 to 27 µm. Verification of the method was done by comparing results with several complementary characterization techniques and on various materials. In addition to multicrystalline silicon wafers and solar cells, samples of mono and mono-like crystalline silicon have been characterized with success. The results show that hyperspectral photoluminescence imaging correlates well and in some instances, compared with electroluminescence, yields richer data output. The third objective of this research was to show that the method might be applied as a characterization method in line with other existing methods. This objective has been achieved in two studies. One of these studies has led to a patent application. The conclusion is that Hyperspectral photoluminescence imaging is a method that may be used on par with other characterization methods.Hyperspektral avbildning av fotoluminescens er en ikke-destruktiv karakteriseringsmetode av radiative defekter i krystallinske silisiumbaserte skiver og solceller. Metoden gir både romlig fordeling og spektral respons av disse krystallfeilene og urenhetene. Målet med denne forskningen har vært å etablere hyperspektral avbildning av fotoluminescens som en karakteriseringsmetode. Formålet med denne forskningen har vært tredelt; optimalisere, verifisere og anvende metoden. Underveis i optimaliseringsprosessen ble svingninger i bakgrunnsstøyen identifisert. Det ble utviklet en forbedret algoritme for fjerning av bakgrunnsstøy, noe som gjorde at kameraets sensitivitet økte drastisk og førte til at selv defekter som avga signaler med svak intensitet kunne oppdages. Ved å benytte en makrolinse er den romlige oppløsningen blitt forbedret fra 200 til 27µm. Verifisering av metoden ble gjort ved å sammenligne resultatene med flere komplementære karakteriseringsteknikker og ulike materialer. I tillegg til multikrystallinske silisiumskiver og solceller, har prøver av mono- og mono-lignende krystallinsk silisium blitt karakterisert med suksess. Resultatene viser at hyperspektral billedtaking av fotoluminescens samsvarer godt med andre metoder og at den i noen tilfeller, sammenlignet med elektroluminescens, gir mer rikholdig data. Det tredje formålet med denne forskningen har vært å vise at metoden han benyttes som en karakteriseringsmetode på lik linje med andre eksisterende metoder. Dette er vist i to studier hvorav en av disse har resultert i en patentsøknad. Konklusjonen er at hyperspektral avbildning av fotoluminescens er en metode som kan brukes på lik linje med andre karakteriseringsmetoder.Norwegian Research Council together with Norwegian industrial partners at the FME - SuSolTech center for renewable energy technolog

Characterization of Multicrystalline Solar Cells Using Hyperspectral Imaging

Hyperspektral avbildning sammen med bruk av bildebehandling og statistiske modeller er en metode som er mye brukt for å undersøke biofysiske prosesser og miljørettede systemer. Metoden har vist seg også å kunne brukes til å karakterisere multikrystallinske silisiumskiver, ved å se på fotoluminescensen fra disse. Multikrystallinske silisiumskiver brukes til å lage solceller og min studie handler om bruk av hyperspektral avbildning for å karakterisere denne type solceller. Dette er nytt, så egnetheten til metoden må vurderes. I denne studien er det belyst multikrystallinske silisiumbaserte solceller med en 808 nm laser slik at elektroner eksiterer og for deretter å bruke et nær infrarødt hyperspektralt kamera, av typen HgCdTe, til å ta bilder, i både spektrale og romlige dimensjoner, av fotoluminescensen som oppstår. Forskjellige urenheter og defekter vil kunne kartlegges, ut fra hvilken del av spekteret fotonene som blir detektert er. Bildene er tatt av celler ved både i romtemperatur og ved 88K. Deretter er det gjort preprosessering og kjørt en MCR analyse av bildene. Studien viser viktigheten av preprosessering for å oppnå best mulig resultat. Metoden for å fjerne systematiske feil ved bruk av mørke områder og fjerning av ikke systematiske feil ved hjelp av tre bilder, har vist seg å fungere godt. Det er også viktig å huske på at MCR-analysen er en matematisk algoritme og at komponentene i resultatet må kontrolleres for fysisk relevans. Kartlegging utført i denne studien, ved bruk av hyperspektral avbildning og MCR-analyse, viste at de kjente emisjonslinjene, D1, D2, D3, VID3, D4 og 0,7 eV blir funnet på solceller av multikrystallinsk silisium. Det viktigste funnet i denne kartleggingen er at de kjente emisjonslinjene kan splittes opp i flere individuelle signaler. Dette tyder på at linjene representerer hver sin gruppe med ulike fysiske prosesser som har tilnærmet like signaler og romlig fordeling. Dette kan forklare hvorfor teorien er såpass sprikende på hva de forskjellige linjene skyldes.M-M

Karakterisering av multikrystallinske solceller ved bruk av hyperspektral avbildning

Hyperspektral avbildning sammen med bruk av bildebehandling og statistiske modeller er en metode som er mye brukt for å undersøke biofysiske prosesser og miljørettede systemer. Metoden har vist seg også å kunne brukes til å karakterisere multikrystallinske silisiumskiver, ved å se på fotoluminescensen fra disse. Multikrystallinske silisiumskiver brukes til å lage solceller og min studie handler om bruk av hyperspektral avbildning for å karakterisere denne type solceller. Dette er nytt, så egnetheten til metoden må vurderes. I denne studien er det belyst multikrystallinske silisiumbaserte solceller med en 808 nm laser slik at elektroner eksiterer og for deretter å bruke et nær infrarødt hyperspektralt kamera, av typen HgCdTe, til å ta bilder, i både spektrale og romlige dimensjoner, av fotoluminescensen som oppstår. Forskjellige urenheter og defekter vil kunne kartlegges, ut fra hvilken del av spekteret fotonene som blir detektert er. Bildene er tatt av celler ved både i romtemperatur og ved 88K. Deretter er det gjort preprosessering og kjørt en MCR analyse av bildene. Studien viser viktigheten av preprosessering for å oppnå best mulig resultat. Metoden for å fjerne systematiske feil ved bruk av mørke områder og fjerning av ikke systematiske feil ved hjelp av tre bilder, har vist seg å fungere godt. Det er også viktig å huske på at MCR-analysen er en matematisk algoritme og at komponentene i resultatet må kontrolleres for fysisk relevans. Kartlegging utført i denne studien, ved bruk av hyperspektral avbildning og MCR-analyse, viste at de kjente emisjonslinjene, D1, D2, D3, VID3, D4 og 0,7 eV blir funnet på solceller av multikrystallinsk silisium. Det viktigste funnet i denne kartleggingen er at de kjente emisjonslinjene kan splittes opp i flere individuelle signaler. Dette tyder på at linjene representerer hver sin gruppe med ulike fysiske prosesser som har tilnærmet like signaler og romlig fordeling. Dette kan forklare hvorfor teorien er såpass sprikende på hva de forskjellige linjene skyldes

Characterization of Multicrystalline Solar Cells Using Hyperspectral Imaging

Hyperspektral avbildning sammen med bruk av bildebehandling og statistiske modeller er en metode som er mye brukt for å undersøke biofysiske prosesser og miljørettede systemer. Metoden har vist seg også å kunne brukes til å karakterisere multikrystallinske silisiumskiver, ved å se på fotoluminescensen fra disse. Multikrystallinske silisiumskiver brukes til å lage solceller og min studie handler om bruk av hyperspektral avbildning for å karakterisere denne type solceller. Dette er nytt, så egnetheten til metoden må vurderes. I denne studien er det belyst multikrystallinske silisiumbaserte solceller med en 808 nm laser slik at elektroner eksiterer og for deretter å bruke et nær infrarødt hyperspektralt kamera, av typen HgCdTe, til å ta bilder, i både spektrale og romlige dimensjoner, av fotoluminescensen som oppstår. Forskjellige urenheter og defekter vil kunne kartlegges, ut fra hvilken del av spekteret fotonene som blir detektert er. Bildene er tatt av celler ved både i romtemperatur og ved 88K. Deretter er det gjort preprosessering og kjørt en MCR analyse av bildene. Studien viser viktigheten av preprosessering for å oppnå best mulig resultat. Metoden for å fjerne systematiske feil ved bruk av mørke områder og fjerning av ikke systematiske feil ved hjelp av tre bilder, har vist seg å fungere godt. Det er også viktig å huske på at MCR-analysen er en matematisk algoritme og at komponentene i resultatet må kontrolleres for fysisk relevans. Kartlegging utført i denne studien, ved bruk av hyperspektral avbildning og MCR-analyse, viste at de kjente emisjonslinjene, D1, D2, D3, VID3, D4 og 0,7 eV blir funnet på solceller av multikrystallinsk silisium. Det viktigste funnet i denne kartleggingen er at de kjente emisjonslinjene kan splittes opp i flere individuelle signaler. Dette tyder på at linjene representerer hver sin gruppe med ulike fysiske prosesser som har tilnærmet like signaler og romlig fordeling. Dette kan forklare hvorfor teorien er såpass sprikende på hva de forskjellige linjene skyldes.M-M

Hyperspectral photoluminescence imaging of silicon wafers and solar cells

Hyperspectral photoluminescence imaging is a non-destructive characterization method used to study radiative defects in crystalline silicon wafers and solar cells. It provides both spatial distribution and spectral response of these crystal imperfections and impurities. The goal of this research has been to establish hyperspectral photoluminescence imaging as a characterization method. The objectives of this research have been three-fold; to optimize, verify and apply the method. In the optimizing process, an oscillation in the background noise was identified. An enhanced noise removal algorithm was developed, drastically increasing the camera’s sensitivity, allowing even weakly emitting defects to be detected. By application of a macro-lens, the spatial resolution has been improved from 200 to 27 µm. Verification of the method was done by comparing results with several complementary characterization techniques and on various materials. In addition to multicrystalline silicon wafers and solar cells, samples of mono and mono-like crystalline silicon have been characterized with success. The results show that hyperspectral photoluminescence imaging correlates well and in some instances, compared with electroluminescence, yields richer data output. The third objective of this research was to show that the method might be applied as a characterization method in line with other existing methods. This objective has been achieved in two studies. One of these studies has led to a patent application. The conclusion is that Hyperspectral photoluminescence imaging is a method that may be used on par with other characterization methods

Spectral Characteristics and Spatial Distribution of Thermal Donors in n-Type Czochralski-Silicon Wafers

publishedVersio

Hyperspectral photoluminescence imaging of defects in solar cells

The present work is a demonstration of how near infrared (NIR) hyperspectral photoluminescence imaging can be used to detect defects in silicon wafers and solar cells. Chemometric analysis techniques such as multivariate curve resolution (MCR) and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) allow various types of defects to be classified and cascades of radiative defects in the samples to be extracted. It is also demonstrated how utilising a macro lens yields a spatial resolution of 30 µm on selected regions of the samples, revealing that some types of defect signals originate in grain boundaries of the silicon crystal, whereas other signals show up as singular spots. Combined with independent investigation techniques, hyperspectral imaging is a promising tool for determining origins of defects in silicon samples for photovoltaic applications

Oxygen-related defects in n-type Czochralski silicon wafers studied by hyperspectral photoluminescence imaging

publishedVersio