Formation of Dislocation Arrays from CSL-type Grain Boundaries in Solar Silicon

Abstract

Fotovoltaisk solenergi er allerede en av de store fornybare energikildene og forventes å være en av de viktigste energiteknologiene i en bærekraftig fremtid. Solceller basert på multikrystallinsk silisium har vært en markedsleder de siste årene, men står overfor tøff konkurranse og mister markedsandeler. Forbedringer i effektivitet og/eller en kostnadsreduksjon er nødvendig for at multikrystallinsk silisium skal forbli en konkurransedyktig teknologi innen fotovoltaikken. Effektiviteten til en multikrystallinsk solcelle avhenger av kvaliteten på den multikrystallinske silisiumwaferen som cellen er basert på. Waferen kuttes fra en ingot produsert ved rettet størkning. Waferkvaliteten avhenger igjen av tilstedeværelsen av defekter i ingoten den er kuttet fra – spesielt dislokasjoner, korngrenser og urenheter. Dannelsen av dislokasjoner og korngrenser kan kun styres gjennom størkningsprosessen. For å oppnå økt kontroll over disse defektene, er det derfor nødvendig med en økt forståelse av samspillet mellom disse defektene under størkningen. Hensikten med arbeidet som presenteres i denne rapporten er å forbedre forståelsen av hvordan samlinger av dislokasjoner dannes fra bestemte typer korngrenser. I dette arbeidet har 4 fabrikerte korngrenser med sammenfallende gitterposisjoner (såkalt «coincidence site lattice») blitt inspisert med hensyn til de elektroniske egenskapene i nærheten av korngrensene, grensenes vinkelfeil og utviklingen av dislokasjonssamlinger fra grensene. Korngrensetypene er Σ3{1 1 1}, Σ3{1 1 2}, Σ27{5 5 2} og Σ27{1 1 5}. Sistnevnte har blitt inspisert mer dyptgående enn de 3 førstnevnte. Undersøkelsesteknikkene som har blitt brukt inkluderer levetidskartlegging ved «microwave photoconductive decay», optisk undersøkelse av prøvene etter defektavdekking ved hjelp av etsing og orienteringskartlegging ved «electron backscatter diffraction». En sterk sammenheng mellom redusert levetid og omfanget av dislokasjonssamlinger ble funnet. Selv om alle prøvene viste levetidsnedsettelse og nærvær av defekter langs korngrensen, var det mye mer utpreget for Σ27{1 1 5}. Ved nærmere inspeksjon av Σ27{1 1 5}-prøven ble det funnet at de tett dislokerte områdene var utgjort av en stor mengde subkorn. Det så ut til at opprinnelsen til subkornene var dislokasjonssamlinger sendt ut fra sentrumskorngrensen. Disse dislokasjonssamlingene var sendt ut i en vinkel og svingte gradvis mer mot den vertikale vekstretningen. Dislokasjonstettheten ble funnet å variere betydelig mellom forskjellige subkorn, men var relativt homogen innad i subkornene. Utviklingen av disorienteringen mellom de to hovedkornene i Σ27{115}-prøven som en funksjon av krystallhøyden ble undersøkt. Det kunne imidlertid ikke påvises at disorienteringen utviklet seg til å bli mer ideell høyere i ingoten. I tillegg ble disorienteringsutviklingen av noen småvinkelkorngrenser og dislokasjonssamlinger inspisert. Der hvor disorienteringen var stor nok til å kunne detekteres, forble disorienteringen hovedsakelig konstant. De undersøkte dislokasjonssamlingene som kunne spores helt til sentrumskorngrensen, viste ingen disorientering over støynivåene. Det ble antatt at disse er begynnende småvinkelkorngrenser som er i et for tidlig stadium til å kunne påvises. Det ble funnet at tilstøtende subkorn innad i en krystall tilsynelatende deler en rotasjonsretning i forhold til foreldrekrystallen. Det er blitt fremsatt en hypotese, som sier at dette kan tilskrives opprinnelsen til disse dislokasjonssamlingene, som enten er den samme eller er relatert til hverandre. Dermed har dislokasjonssamlingene samme Burgers-vektor. En potensiell mulighet for at denne rotasjonsavhengigheten av subkorn eksisterer på tvers av korngrenser, på grunn av transmisjon av dislokasjoner over grensen eller et slektsskap mellom dislokasjonenes opprinnelsessteder, har også blitt diskutert. Den lokale karakteren til korngrensen ble funnet å være styrt av adferden til de lokale subkornene på hver side av grensen