New generation silicon solar cells will most probably be characterized by the implementation of POLO (Polycrystalline silicon on oxide) junctions. POLO junctions are characterized by the presence of an ultra-thin layer of tunneling oxide SiOx between the polycrystalline emitter and the crystalline base of the cell with the function of passivating the emitter and reducing recombination effects. Boron-doped p-type junctions have an inferior passivation quality in comparison to n-type junctions since Boron tends to pile-up at the interface between the emitter and SiOx leading to a passivation degradation. The collaboration between the Physics and Astronomy department of Padova University and the National renewable energy laboratory (US) has shown that Boron can be replaced by Gallium and furnace annealing can be substituted by pulsed laser melting (PLM): nanosecond scale laser pulses induce melting and the subsequent recrystallization of the poly-Si layer leading to the diffusion and incorporation and activation of the dopant atoms while preserving the quality of the tunneling oxide. In this work we test the thermal stability of the dopant atoms during post-laser rapid thermal annealing treatments to investigate diffusion and precipitation phenomena of metastable doping obtained with PLM. The results of this study will be useful to assess the degradation of the junction during contact firing processes, which consist in rapid thermal treatments (750°C, 10s) necessary for the contact deposition in PV cells.

Le celle fotovoltaiche di nuova generazione a base di silicio si basano sull’implementazione della giunzione POLO, che consiste nella presenza di un sottile layer di SiOx tra l’emettitore di poly-Si e il substrato di c-Si con la funzione di passivare l’emettitore e ridurre gli effetti di ricombinazione. Ad oggi nell’industria non è possibile produrre giunzioni con emettitore p-type a base di boro di qualità paragonabile a quelle n-type in quanto il boro tende ad accumulare all’interfaccia tra l’ossido e l’emettitore degradandone la passivazione. La collaborazione tra il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova e il National Renewable Energy Laboratory (US), ha dimostrato che è possibile realizzare i drogaggi p-type usando come drogante p-type il gallio al posto del Boro e sostituendo all’annealing in fornace la tecnica del pulsed laser melting (PLM): impulsi della durata di pochi ns prodotti da un laser ad eccimeri sono usati per indurre la fusione e la ricristallizzazione del silicio policristallino su cui è pre-depositato il drogante permettendo di incorporare e diffondere gli atomi del drogante con concentrazioni di hyperdoping e permettendo di attivarlo elettricamente. In questo lavoro si studia la stabilità dei drogaggi durante trattamenti termici rapidi post-laser per investigare eventuali fenomeni di diffusione e precipitazione di drogaggi metastabili prodotti da PLM. Tali risultati saranno di interesse per prevedere l’eventuale impatto sulle giunzioni elettriche dei processi di contact firing, che consistono in un rapido processo termico per la deposizione dei contatti (750°C, 10s), necessari per la realizzazione dei contatti metallici nelle celle fotovoltaiche.

Drogaggio mediante pulsed laser melting di emettitori passivati per celle solari avanzate basate su Si cristallino

SIVIERO, MATILDE
2021/2022

Abstract

New generation silicon solar cells will most probably be characterized by the implementation of POLO (Polycrystalline silicon on oxide) junctions. POLO junctions are characterized by the presence of an ultra-thin layer of tunneling oxide SiOx between the polycrystalline emitter and the crystalline base of the cell with the function of passivating the emitter and reducing recombination effects. Boron-doped p-type junctions have an inferior passivation quality in comparison to n-type junctions since Boron tends to pile-up at the interface between the emitter and SiOx leading to a passivation degradation. The collaboration between the Physics and Astronomy department of Padova University and the National renewable energy laboratory (US) has shown that Boron can be replaced by Gallium and furnace annealing can be substituted by pulsed laser melting (PLM): nanosecond scale laser pulses induce melting and the subsequent recrystallization of the poly-Si layer leading to the diffusion and incorporation and activation of the dopant atoms while preserving the quality of the tunneling oxide. In this work we test the thermal stability of the dopant atoms during post-laser rapid thermal annealing treatments to investigate diffusion and precipitation phenomena of metastable doping obtained with PLM. The results of this study will be useful to assess the degradation of the junction during contact firing processes, which consist in rapid thermal treatments (750°C, 10s) necessary for the contact deposition in PV cells.
2021
Pulsed laser melting doping of passivated emitters for advanced c-Si solar cells
Le celle fotovoltaiche di nuova generazione a base di silicio si basano sull’implementazione della giunzione POLO, che consiste nella presenza di un sottile layer di SiOx tra l’emettitore di poly-Si e il substrato di c-Si con la funzione di passivare l’emettitore e ridurre gli effetti di ricombinazione. Ad oggi nell’industria non è possibile produrre giunzioni con emettitore p-type a base di boro di qualità paragonabile a quelle n-type in quanto il boro tende ad accumulare all’interfaccia tra l’ossido e l’emettitore degradandone la passivazione. La collaborazione tra il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Padova e il National Renewable Energy Laboratory (US), ha dimostrato che è possibile realizzare i drogaggi p-type usando come drogante p-type il gallio al posto del Boro e sostituendo all’annealing in fornace la tecnica del pulsed laser melting (PLM): impulsi della durata di pochi ns prodotti da un laser ad eccimeri sono usati per indurre la fusione e la ricristallizzazione del silicio policristallino su cui è pre-depositato il drogante permettendo di incorporare e diffondere gli atomi del drogante con concentrazioni di hyperdoping e permettendo di attivarlo elettricamente. In questo lavoro si studia la stabilità dei drogaggi durante trattamenti termici rapidi post-laser per investigare eventuali fenomeni di diffusione e precipitazione di drogaggi metastabili prodotti da PLM. Tali risultati saranno di interesse per prevedere l’eventuale impatto sulle giunzioni elettriche dei processi di contact firing, che consistono in un rapido processo termico per la deposizione dei contatti (750°C, 10s), necessari per la realizzazione dei contatti metallici nelle celle fotovoltaiche.
silicon
doping
laser processing
photovoltaics
solar cells
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