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Main Title: Line-shaped continuous wave laser crystallization of silicon on glass
Translated Title: Linienförmige Dauerstrichlaser Kristallisation von Silizium auf Glas
Author(s): Kühnapfel, Sven
Referee(s): Rech, Bernd
Fink, Frank
Molpeceres, Carlos
Gordon, Ivan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Liquid phase crystallization is a promising technology to grow multicrystalline silicon thin films on glass substrates. As part of this work the influence of various sample stacks and materials were examined and their influence on the process window for line-shaped continuous wave laser crystallization is shown. A phase diagram for the crystallization of 10 µm thick silicon layers was recorded and several working points investigated in terms morphology. It is shown that optimized crystallization parameters lead to absorber layers with a preferential grain orientation towards the surface normal and in scanning direction of the laser accompanied by a strong reduction of high angle grain boundaries and the overall grain boundary density. Those morphological changes are correlated to the optoelectronic properties on a device level and ultimately led to a stable record efficiency of 11.8 % for a 9 µm p-type silicon thin film solar cell. A detailed lifetime analysis on a state of the art device was performed in order to identify the origin of low lifetime regions. Subsequently various seed layer crystallization methods are introduced to further improve the material quality. This ultimately resulted in a significantly improved grain sizes, even stronger preferential texture formation and improved electrical properties confirmed by first photoluminescence imaging and Hall measurements.
Die Flüssigphasen-Kristallisation ist eine vielversprechende Technologie zur Herstellung multikristalliner Siliziumdünnschichten auf Glassubstraten. Als Teil dieser Arbeit wurden verschiedene Schichtstapel und Materialien untersucht und deren Einfluss auf das Prozessfenster bei der linienförmigen Dauerstrichlaserkristallisation gezeigt. Ein Phasendiagram für die Kristallisation einer 10 µm dicken Siliziumschicht wurde aufgenommen und eine Vielzahl an Arbeitspunkten auf ihre morphologischen Eigenschaften untersucht. Es konnte gezeigt werden das optimierte Kristallisationsparameter zu einer Absorberschicht mit präferentieller Kornausrichtung zur Schichtnormal und in Zugrichtung des Lasers führen, begleitet von einer starken Reduktion an Großwinkelkorngrenzen und der allgemeinen Korngrenzendichte. Diese morphologischen Änderungen wurden mit den optoelektronischen Eigenschaften auf Bauelementebene korreliert und führten letztendlich zu einem Wirkungsgradrekord von stabilen 11.8 % für eine 9 µm p-dotierte Silizium Dünnschichtsolarzelle. Eine detaillierte Lebensdaueranalyse einer Zelle nach dem aktuellen Stand der Technik wurde durchgeführt um die Ursachen für Regionen niedriger Lebensdauer zu identifizieren. Anschließend wurden verschiedene Saatschicht-Kristallisationsmethoden vorgestellt um die Materialqualität zusätzlich zu verbessern. Dies führte letztendlich zu einem deutlich verbesserten Kornwachstum, einer stärkeren präferentiellen Kornausrichtung und verbesserten elektrischen Eigenschaften, was durch erste Photolumineszenzaufnahmen und Hall-Messungen bestätigt werden konnte.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5555
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5184
Exam Date: 27-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 17-Jun-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::500 Naturwissenschaften::500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): photovoltaic
solar cell
silicon thin film
laser crystallization
liquid phase crystallization
Photovoltaik
Solarzelle
Silizium Dünnschicht
Laserkristallisation
Flüssigphasen Kristallisation
Sponsor/Funder: BMU, 0325446A, Großflächige Laserbehandlung für effiziente Silizium-Dünnschichtsolarzellen - Globe-Si
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Appears in Collections:Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

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