Empirical optimization and implementation of boron emitter on n-type silicon solar cells using BBR3 liquid source

• Autor(es): Silva, Rodrigo Amaro e
• Data: 2014
• Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10451/15931
• Origem: Repositório da Universidade de Lisboa
• Assunto(s): Si tipo-n; Camada p+; Fonte líquida de BBr3; BSG; BRL
• Tipo de Documento: Dissertação de mestrado
• Idioma: Inglês
• Orientador(es): Cañizo Nadal, Carlos del; Silva, José Almeida, 1973-
• Contribuidor(es): Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014

O presente trabalho aborda o estudo e optimização de um processo de difusão com fonte líquida de BBr3 para a formação de uma camada p+ em substrato de silício de tipo-n, sendo este passo uma das maiores limitações actuais para a implementação de células solares de alta eficiência de custo acessível baseadas neste material e com emissor de boro. Uma revisão do estado da arte e apresentada, com os seguintes tópicos: propriedades do silício de tipo-n e seu contexto histórico; metalização e passivação de camadas p+; propriedades de um emissor de boro e difusão de boro baseada numa fonte líquida de BBr3. De seguida, um estudo experimental de diversos parâmetros do processo de difusão e o seu impacto no emissor obtido, sendo os parâmetros: temperatura do borbulhador de BBr3 (e desejável estabilidade); fluxo de N2; fluxo de N2-BBr3; espaçamento entre bolachas na estrutura de suporte e a duração da etapa de pré-depósito. Para cada experiência procurou-se verificar a presença de uma capa rica em boro (BRL) e avaliar a homogeneidade da difusão através de uma avaliação visual do óxido formado e medidas de resistividade de capa. Posteriormente, um processo de difusão em que apenas era dopada uma bolacha foi testado para dopar diversas bolachas num só processo, tendo depois exigido uma optimização dos parâmetros de difusão. A remoção da BRL foi testada através de uma oxidação química e de uma oxidação térmica. Concluindo, verificou-se que um bom controlo da temperatura do borbulhador e um requisito e que esta deveria estar a pelo menos 20ºC de forma a se obter uma dopagem eficaz. Todos os outros parâmetros mostraram ter impacto no emissor obtido e no óxido formado apesar de não se ter obtido nenhuma dopagem nem oxido que fossem homogéneos. Obter um óxido homogéneo e um requisito crucial já que pode indicar tanto uma dopagem como a formação de uma BRL também homogéneas, permitindo uma remoção eficaz da camada que induz recombinação tendo sido verificado que para os óxidos heterogéneos obtidos, tanto a oxidação química como térmica apenas resultaram numa remoção parcial da BRL. Verificou-se ainda que um processo de difusão estudado para uma única bolacha não e imediatamente conversível para dopar várias bolachas num só processo já que uma dopagem ineficaz foi obtida e portanto requerendo uma optimização de parâmetros adicional. Finalmente, são ainda sugeridas linhas de trabalho futuro de forma a dar sequencia ao presente trabalho.

The present work focus on the study and optimization of a BBr3 diffusion process for a p+ layer formation on n-type Si wafers, as it is currently one of the main limitations for the implementation of cheap high-efficiency solar cells based on this material with a boron emitter. A state of the art review is presented, covering the following topics: n-type silicon properties and its historical context; p+ layer metallization and passivation; boron emitter properties and boron diffusion based on a BBr3 liquid source. Next, an experimental study of several diffusion process parameters and their impact on the resulting emitter is presented, being the parameters: BBr3 bubbler temperature (and desirable stability); N2 flow; N2-BBr3 flow; wafer spacing in the boat structure and predeposition step duration. For each experiment it was verified the presence of a BRL while evaluating the diffusion homogeneity through a visual evaluation of the formed oxide and sheet resistance measurements. Afterwards, a selected single-wafer process was tested for batch process conversion, which then required a parameters optimization. The removal of the BRL through both chemical and thermal oxidation was also tested. In conclusion, it was verified that a good control of the bubbler temperature is required and that it should be at least at 20 ºC in order to obtain an effective doping. All other parameters showed to have an impact in the formed emitter and resulting oxide, although no homogeneous doping nor oxide thickness were achieved. The formation of a homogeneous oxide is a crucial requirement as it can indicate a good homogeneity in both the doping and BRL formation, impeding an effective removal of this recombination-inducing layer. This was verified as both oxidation techniques tested resulted in only a partial removal of the BRL. It was also verified that a single-wafer process is not immediately convertible into a batch process as an ineffective doping was obtained, therefore requiring further parameter optimization. Finally, future work lines are suggested in order to go on with the present work.