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.

Solar photovoltaic energy is already one of the major renewable energy sources and is expected to be one of the most important energy technologies in a sustainable future. Solar cells based on multicrystalline silicon have been the market leader in recent years, but is facing tough competition and is now losing market shares. Improvements to efficiency and/or cost reductions are required for multicrystalline silicon to remain a competitive technology in the realm of photovoltaics.

The efficiency of a multicrystalline solar cell is governed by the quality of the multicrystalline silicon wafer it is based on. This wafer is cut from an ingot produced by a directional solidification process and the wafer quality is dependent on the presence of defects in the ingot from which it is cut, notably dislocations, grain boundaries and impurities. The formation of dislocations and grain boundaries can only be controlled through the solidification process. Thus, to achieve increased control over the presence of these defects, an increased understanding of the interplay between these defects during the solidification is required. The purpose of the work presented in this report is to further the understanding of how dislocation arrays are formed from certain types of grain boundaries.

In this work, 4 artificially grown coincidence site lattice grain boundaries have been inspected with regard to the electronic properties in the vicinity of the grain boundaries, the angular imperfection of the boundaries, and the evolution of dislocation arrays from the boundaries. The grain boundary types are the Σ3{1 1 1}, Σ3{1 1 2}, Σ27{5 5 2}, and Σ27{1 1 5}. The latter has been inspected more in-depth than the 3 former. The investigation techniques that have been used include lifetime mapping by microwave photoconductive decay, optical examination of the samples after defect-delineating etching, and orientation mapping by electron backscatter diffraction.

A strong correlation between reduced lifetime and the presence and extent of dislocation arrays was found. Although all samples exhibited a degradation and defect-presence along the grain boundary, it was much more pronounced for the Σ27{1 1 5}. Upon closer inspection of the Σ27{1 1 5} specimen, the densely dislocated areas were found to be composed of an ensemble of subgrains. It appeared that the origin of the subgrains were dislocation arrays punched out from the centre grain boundary. These arrays were punched out at an angle and turned gradually more towards the vertical growth direction. The dislocation density was found to vary significantly between different subgrains but was relatively homogeneous within subgrains.

The evolution of the disorientation between the bulk of the two main grains in the Σ27{115} sample was probed as a function of the crystal height. However, it could not be decisively determined whether or not the disorientation evolved to become more ideal higher in the ingot.

Also the disorientation evolution of some small-angle grain boundaries and dislocation arrays was inspected. Where the disorientation was of a magnitude that could be detected, the disorientation remained essentially constant. The probed arrays that could be traced all the way to the centre grain boundary did not show any disorientation above the noise levels. It was assumed that these are developing small-angle grain boundaries that are in a too early stage to be detectable.

It was found that adjacent subgrains within a parent crystal seemingly share a direction of rotation relative to the parent crystal. A hypothesis has been put forward that this can be attributed to the origin of these dislocation arrays being the same or related, thus sharing the same Burgers vector. A potential cross-boundary dependency of the rotation of subgrains on the basis of the same hypothesis, due to either transmission of dislocations across the boundary or a relation between sites of origin, has also been discussed.

The local character of the grain boundary was found to be governed by the behaviour of the local subgrains on either side of the boundary.