Volumenlebensdauer in Si-Wafern - Institut für Solarenergieforschung

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Bestimmung der Volumenlebensdauer von unpassivierten multikristallinen Siliziumwafern

Die Produktion von waferbasierten Siliziumsolarzellen beginnt in der Regel mit der Untersuchung der angelieferten Rohwafer. In aktuellen Inspektionssystemen werden wesentliche Merkmale wie Form, Kantenausbrüche, Dicke und spezifischer elektrischer Widerstand gemessen. Der nächste wichtige Schritt hin zu einer umfassenden Wafereingangskontrolle ist eine Bestimmung der elektronischen Qualität der Wafer, die eine Definition von Sortierkriterien für eine Klassifizierung von Wafern erlaubt.Das Vorsortieren von Wafern in Kombination mit angepassten Herstellungsverfahren führt zu einer schmaleren Wirkungsgradverteilung und einer höheren elektrischen Gesamtleistung. Die Bestimmung der Volumenlebensdauer τ_b von unpassivierten Rohwafern ohne Oberflächenpassivierung ist hierbei von großer Bedeutung. Allerdings sind Messungen an unpassivierten Rohwafern nur dann sinnvoll, wenn die dort gemessene effektive Ladungsträgerlebensdauer τ_eff eindeutig mit der Volumenlebensdauer in τ_b Bezug steht.

Wir führen quasistatische Photoleitfähigkeitsmessungen an multikristallinen Siliziumwafern vor und nach Abätzen des Sägeschadens so wie nach Oberflächenpassivierung mit Siliziumnitrid (SiN) durch. Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit nach der Passivierung mit SiN liegt unterhalb von 5 cm/s¹. Für Volumenlebensdauern unterhalb von 200 µs ist damit sichergestellt, dass die effektive Ladungsträgerlebensdauer identisch ist mit der Volumenlebensdauer^2,3. Alle Messungen werden bei einer Überschussladungsträgerkonzentration Δn von 4 × 10¹⁴ cm^-3 durchgeführt. Abbildung 25 zeigt gemessene τ_b (SiN-passivierte Wafer) und τ_eff (Rohwafer) Wertepaarsätze a) vor und b) nach Sägeschadensätze als Symbole. Die Linien in Abbildung 25 zeigen das Ergebnis von numerischen Simulationsrechnungen unter Verwendung des Bauelementesimulationsprogramms PC1D⁴.

Abb. 25: Volumenlebensdauer als Funktion der effektiven Ladungsträgerlebensdauer von Wafer a) vor und b) nach Abätzen des Sägeschadens. Während sich die Messdaten der Rohwafer nur unter Annahme eines geschädigten Bereichs von Wd = 2,5 µm Dicke und einer Ladungsträgerlebensdauer von 1 ns beschreiben lassen, werden die Messdaten nach Abätzen des Sägeschadens am besten mit einer Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von S = 2 × 104 cm/s beschrieben.

Der Wert des asymptotischen Ladungsträgerlimits τ_limit hängt kritisch von den Rekombinationseigenschaften der Oberfläche ab und kann daher verwendet werden um die effektive Sägeschadenstiefe zu bestimmen. Die Messdaten der Rohwafer lässt sich nur beschreiben, wenn wir eine 2,5 µm tiefe Schädigung des Kristalls mit einer aus der Schädigung resultierenden Lebensdauer von 1 ns, annehmen. Eine nur durch Ladungsträgerdiffusion beschränkte maximale Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit S von 2 × 10⁵ cm/s ist nicht ausreichend um die Messdaten zu beschreiben. Nach dem nasschemischen Entfernen des Sägeschadens überschätzt die Annahme einer diffusionslimitierten Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit den tatsächlichen Wert erheblich. Mit einem Wert von nur 2 × 10⁴ cm/s lassen sich die Messergebnisse in diesem Fall am besten beschreiben. Abbildung 25 zeigt außerdem deutlich, dass eine Vorhersage der Volumenlebensdauer unterhalb von 20 µs möglich ist. Oberhalb dieses Wertes ist die effektive Ladungsträgerlebensdauer durch Rekombination an der Oberfläche limitiert. Messungen der effektiven Ladungsträgerlebensdauer an unpassivierten Rohwafern erlauben somit keine absolute Vorhersage der späteren Leerlaufspannung bzw. des Zellwirkungsgrades; ein Aussortieren von Wafern die zu potenziell schlechten Solarzellen führen ist jedoch möglich.

Wie aus Abbildung 26 hervorgeht, wird diese These bestätigt durch eine erste Studie, die die effektive Ladungsträgerlebensdauer von 156 × 156 mm² großen unpassivierten Rohwafer mit dem Wirkungsgrad von siebgedruckten Industriesolarzellen verbindet die auf Nachbarwafern gefertigt wurden. Bei einem Wirkungsgradziel von 15,0 ± 0,5 % müssten alle Wafer mit einer effektiven Ladungsträgerlebensdauer von weniger als 0,5 µs aussortiert werden.

Abb. 26: Gemessener Solarzellenwirkunsgrad als Funktion der gemessenen effektiven Ladungsträgerlebensdauer vor Sägeschadensätze. Die Korrelation zwischen den beiden Parametern erlaubt es eine untere Grenze von 0.5 µs für die effektive Ladungsträgerlebensdauer zu definieren um Wafer auszusortieren die einen Wirkungsgrad unter 15 % erzielen würden.

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