Οπτικός και δομικός χαρακτηρισμός πολυκρυσταλλικού πυριτίου για φωτοβολταϊκες κυψέλες ανεπτυγμένου με PECVD και με ανόπτηση Laser

Abstract

Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του δο-μικού και οπτικού χαρακτηρισμού του υμενίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου που χρησιμοποιείται σε micromorph ηλιακές κυψελίδες πολλαπλών επαφών, τεχνο-λογίας λεπτών στρωμάτων. Η εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος ‘Δράση Συνεργασία’, πρόγραμμα συγχρηματοδοτούμενο από το Ελληνικό κράτος και την Ευρωπαϊκή Ένωση στα πλαίσια του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ) 2007 -2013. Η ενεργή περιοχή μίας micromorph ηλιακής κυψελίδας αποτελείται από δύο λεπτές στρώσεις αμόρφου (200nm) και πολυκρυσταλλικού πυριτίου (800nm) σε p-i-n διάταξη. Τα υμένια αυτά εναποθέτονται πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού επι-στρωμένου με ZnO (που παίζει το ρόλο του πρόσθιου ηλεκτροδίου) με Χημική Εναπόθεση Πυριτίου από ατμούς με τη παρουσία πλάσματος (PECVD). Ο συντελεστής απόδοσης μίας micromorph ηλιακής κυψελίδας, όπως και η συνολική της συμπεριφορά, καθορίζεται από την δομή και τα επιμέρους χαρα-κτηριστικά των λεπτών υμενίων που την απαρτίζουν, καθώς από αυτά εξαρτώ-νται η κβαντική απόδοση απορρόφησης του ηλιακού φωτός, οι κινητικότητες των φωτοεπαγόμενων ηλεκτρικών φορέων μέσα στη δομή και η πιθανότητα επανα-σύνδεσης τους. Κρίθηκε λοιπόν αναγκαίος ο λεπτομερής χαρακτηρισμός των υ-μενίων αυτών με χρήση τεχνικών όπως SEM, XRD και φασματοσκοπίας Raman. Από τις εικόνες SEM προέκυψαν τα αδρά χαρακτηριστικά της δομής των δειγ-μάτων μας σε μικρομετρική κλίμακα, ενώ από τα ακτινογραφήματά τους προσδι-ορίστηκε το μέσο μέγεθος των νανοκρυσταλλιτών από ολόκληρο το πάχος του πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Από τα φάσματα Raman και την ανάλυσή τους, που αποτελεί και το κύριος μέρος της εργασίας, προέκυψαν τα ποσοστά των διάφο-ρων φάσεων που αποτελούν το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και με το χαρακτηρι-σμό δειγμάτων με αυξανόμενό πάχος πολυκρυσταλλικού πυριτίου, αναδείχτηκε η ανάστροφα κωνική ανάπτυξη της δομής αυτής. Με τη χρήση ενός μοντέλου φω-νονιακού περιορισμού, μπορέσαμε να υπολογίσουμε τα μεγέθη και τα σχήματα των νανοκρυσταλλιτών από τα φάσματα Raman για τα διαδοχικά πάχη της στρώσης του μcSi και να παρακολουθήσουμε έτσι, την εξάρτηση που αυτά πα-ρουσιάζουν με την αύξηση του πάχους. Στην κατεύθυνση βελτίωσης της απόδοσης της δομής, προχωρήσαμε στη πα-ρασκευή του υμενίου του πολυκρυσταλλικού πυριτίου με ανόπτηση laser αμόρ-φου πυριτίου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ένα Nd:YAG laser στα μήκη κύματος των 1064nm και 266nm, σε κατάλληλη διάταξη που αναπτύξαμε για την μηχανική σάρωση μίας μεγάλης επιφάνειας του δείγματος. Στη εργασία αυτή πα-ρουσιάζονται οι πρώτες προσπάθειες και ο χαρακτηρισμός τους, καθώς και η χαρτογράφηση των ακτινοβολημένων περιοχών ως προς τα ποσοστά κρυσταλ-λοποίησης τα οποία προσδιορίστηκαν με φασματοσκοπία Raman.

In this master thesis are presented the results of structural and optical characterization of thin film poly-Si, which is used in micromorph tandem solar cells. The work was performed within the Program “Competitiveness and Entrepreneurship” and was co-financed by Hellenic Funds and the European Regional Development Fund (ERDF) under the Hellenic National Strategic Reference Framework (NSRF) 2007-2013. The active region of a micromorph solar cell is composed of two thin layers of amorphous (200nm) and polycrystalline silicon (800nm) in p-i-n arrangement. The films were deposited on a glass substrate coated with ZnO (playing the role of the front electrode) by chemical deposition of silicon from vapor in the presence of plasma (PECVD). The Efficiency of a micromorph solar cell, as well as its overall behavior are determined by the structure and the individual characteristics of the thin films that compose it, since they determine the quantum efficiency of the absorption of the sunlight, the electrical mobilities of the photoinduced carriers in the structure and the chance of reconnection. Thus, the detailed characterization of these films using techniques such as SEM, XRD and Raman spectroscopy was deemed necessary. From the SEM images emerged the rough structural characteristics of our samples in micrometric scale, while from their XRD diagrams the average size of nanocrystallites for the entire thickness of the polycrystalline silicon film was determined. From the Raman spectra and their analysis, which is the main part of this thesis, the rates of the different phases that constitute the polycrystalline silicon were obtained. Moreover, the inverted conical growth of this structure was emerged with the characterization of samples with increasing thickness of polycrystalline silicon. By the use of a Phonon Confinement Model (PCM), we were able to estimate the sizes and shapes of nanocrystallites from the Raman spectra of the samples with the successive thicknesses of μcSi and to monitor the dependence that they present with increasing thickness. In order to improve the performance of the structure, we proceeded to the manufacture of polycrystalline silicon by laser annealing of amorphous silicon. For that purpose, an Nd:YAG Laser at 1064nm and 266nm was used, in an appropriate setup where a motorized stepper was utilized for the creation of a large enough, evenly annealed area. Preliminary annealing-processes, with different annealing parameters, have been tested, such as fluence and number of pulses. The annealed material studied by micro-Raman mapping, reveals areas of different quality ranging from amorphous to nanocrystalline Si.