Rapid carrier lifetime degradation and regeneration in high-performance multicrystalline silicon wafers

Abstract

Målet med denne masteroppgaven er å øke forståelsen av degradering i p-type høyytelse multikrystallinsk silisium (HPMC-Si) ved bruk av karakteriseringsteknikkene kvasi-likevektstilstand fotokonduktans (QSSPC) og fotoluminescens-avbildning (PL-I) med det formål å bidra til utviklingen av robuste ingeniørløsninger for å forbedre effektiviteten til de passiverte emitter- og baksidekontakt (PERC)-modulene på multikrystallinske silisium (mc-Si)-substrater. Denne solcellearkitekturen har et høyere effektivitetspotensial enn den tidligere industristandarden, men er imidlertid utsatt for en degraderingsprosess kalt lys- og forhøyet temperaturindusert degradering (LeTID) som kan forårsake ugunstige effektivitetstap. Til tross for en betydelig forskningsinnsats, er årsaken til degraderingen fortsatt ukjent, noe som hindrer fremgangen i utviklingen av høyere effektivitets PERC-moduler på p-type HPMCSi-substrater. Kvaliteten på silisiumwaferen har en direkte innvirkning på ytelsen til solcellen, og den er begrenset av urenheter, krystalldefekter og deres interaksjoner. En god indikasjon på solcellens effektivitet er minoritets ladningsbærerens levetid. I dette arbeidet ble LeTID og påfølgende regenerering av ladningsbærerens levetid i industristandard p-type HPMC-Si-wafere studert under belysning (0,5–3 soler) ved høye temperaturer (100–300 °C). Resultatene viser at både den påførte belysningen og temperaturen kan endre reaksjonshastighetene vesentlig. I tillegg ser det ut til at 20 min oppvarming ved 300 °C i mørket før belysning ved høye temperaturer minsker degraderingsgraden og reduserer reaksjonshastighetene. Videre er fullstendigheten av regenereringen merkbart redusert med økende temperaturer. Arrhenius-degraderings- og regenereringsaktiveringsenergiene ble funnet å være mellom henholdsvis 0,64–0,94 eV og 0,77–0,97 eV. Til slutt fant en romlig evaluering at reaksjonshastighetene er avhengige av initial levetid, mens ingen åpenbar trend ble funnet for aktiveringsenergiene.

The aim of this thesis is to gain a further understanding of the degradation in p-type high-performance multicrystalline silicon (HPMC-Si) using quasi-steady state photoconductance (QSSPC) and photoluminescence-imaging (PL-I) characterization techniques to contribute to the development of robust engineering solutions to improve the efficiency of passivated emitter and rear contact (PERC) modules on multicrystalline silicon (mc-Si) substrates. This solar cell architecture has a higher efficiency potential as compared to the previous industry-standard device. However, PERC modules are subjected to a degradation process termed light and elevated temperature-induced degradation (LeTID) which can cause detrimental efficiency losses in the field. Despite the significant research effort, the root cause of the degradation is still unknown, impeding the progress of higher-efficiency PERC modules on p-type HPMC-Si substrates. The quality of the silicon wafer has a direct impact on the performance of a solar cell, and it is limited by impurities, crystal defects and their interactions. A good indication of the efficiency of the solar cell is the minority carrier lifetime. In this work, LeTID and the following regeneration of the carrier lifetime in industry-standard p-type HPMC-Si wafers were studied under illumination (0.5–3 suns) at elevated temperatures (100–300 °C). The results show that both the applied illumination and temperature can substantially alter the reaction rates. Additionally, a 20 min pre-dark anneal (DA) step at 300 °C appears to reduce the degradation extent and slow the reaction rates. Furthermore, the completeness of the regeneration is found to be noticeably reduced with increasing temperatures. The Arrhenius degradation and regeneration activation energies were found to be in the range 0.64–0.94 eV and 0.77–0.97 eV, respectively. Lastly, a spatial evaluation found the reaction rates to be dependent on the initial lifetime, while no obvious trend was found for the activation energies.