Defect engineering strategies for the implementation of Upgraded Metallurgical Silicon in high efficiency solar cell structures
Authors:   , Dasilva Villanueva Nerea 
Published: November 2024

The role of the photovoltaic (PV) industry in the global energy production is undisputed, with estimations indicating that it will exceed tens of TW of installed capacity by 2050. To achieve these goals, it is important that the technology continues to reduce its levelized cost of energy (LCOE) to establish itself as the foundation of the energy transition.

Ninety-five percent of the PV capacity currently installed is based of silicon. The silicon industry relies on ultra-purified substrates through industrial processes with a very high energy demand, in the range of 50 to 75 kWh per kg of material obtained. This means that obtaining high-purity substrates not only involves very high economic costs, but also the greatest environmental impact of the entire photovoltaic value chain. Over the last few decades, several alternative purification routes have been proposed in an attempt to alleviate this problem.

One of these routes is the one that gave rise in the 2000s to Upgraded Metallurgical Grade Silicon (UMG). The production of UMG silicon reduces greenhouse gas emissions by 20% and its energy pay-back time by 25% compared to conventional poly-Si. However, the alternative purification route yields a material of lower intrinsic optoelectronic quality, presenting high amounts of contaminants, which compromise the efficiency of photovoltaic devices.

Within this framework, this dissertation aims to analyze and characterize multicrystalline (mc) UMG-Si substrates in order to evaluate their potential as an alternative to conventional poly-Si, by developing specific strategies that allow their introduction in high-efficiency solar cell structures.

The initial analysis of the material based on its carrier transport parameters reveals substrates characterized by a low photogenerated carrier lifetime due to the presence of impurities not removed during the purification process.

By optimizing defect engineering strategies known as impurity gettering processes, x500 enhancement factors have been achieved, with bulk carrier lifetime values in excess of 500 us after a single process. In addition, an absolute maximum carrier lifetime value of 1.1 ms has been obtained, a result not obtained before on mc UMG-Si.

Defect engineering processes are also beneficial for carrier mobility, with samples tripling the initial values after gettering and reaching values similar to those of reference single-crystalline samples, an effect associated with the elimination of impurity-associated scattering centers.

The study of the impurity profile of the material indicates the presence of numerous metallic and non-metallic species, with a prevalence of transition metals: the presence of Cu, Fe, Cr or Ni, among others, is associated with very short lifetimes due to the increase of defect-assisted recombination. Through the use of direct (mass spectroscopy, ion beam...) and indirect (metastabilities and lifetime spectroscopy) techniques, it has been possible to clearly establish the characteristic impurity profile of the material, identifying Cu precipitates as the dominant impurity after defect engineering processes.

As an overall result, this thesis presents a comprehensive analysis of UMG-Si. Initially, these substrates present high levels of contamination resulting in penalized electronic transport parameters that impede their introduction into industry. By using defect engineering strategies, the optoelectronic parameters of the material can be improved to values comparable to those of substrates obtained by ultrapurification, with carrier lifetimes exceeding 500 us and mobility values comparable to those of very high quality FZ wafers.

A working route that allows to take metallurgically purified silicon to its maximum potential is established, thus obtaining a material no longer penalized by its optoelectronic quality, allowing its implementation in high efficiency solar cell structures and resulting in reduced fabrication costs and environmental impact.

RESUMEN

El rol de la industria fotovoltaica (FV) en la producción energética a nivel global es indiscutible, con estimaciones que plantean superar las decenas de TW de capacidad instalada en 2050. Para conseguir estas metas es importante que la tecnología siga reduciendo su coste nivelado de la energía (LCOE) y estableciéndose como la base de la transición energética.

El 95% de la capacidad FV instalada actualmente es de silicio, basada en sustratos ultrapurificados a través de procesos industriales con una demanda energética muy elevada, en el rango de 50 a 75 kWh por kg de material obtenido. Esto hace que la obtención de sustratos de alta pureza implique costes económicos muy elevados y el mayor impacto ambiental de toda la cadena de valor FV. En las últimas décadas se han planteado diversas rutas alternativas de purificación para paliar este problema.

Una de estas rutas dio lugar en los años 2000 al Si de grado metalúrgico mejorado, UMG-Si. Su producción permite reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 20% y el energy pay-back time en un 25% con respecto al Si convencional (poly-Si). Sin embargo, la purificación alternativa produce un material de menor calidad optoelectrónica intrínseca, presentando cantidades elevadas de contaminantes y comprometiendo la eficiencia de los dispositivos FV.

En este marco se plantea esta tesis doctoral, cuyo objetivo es analizar y caracterizar sustratos multicristalinos (mc) de UMG-Si para evaluar su potencial como material alternativo al poly-Si, mediante el desarrollo de estrategias específicas que permitan su introducción en estructuras de células solares de alta eficiencia.

El análisis inicial del material basado en sus parámetros de transporte de portadores nos revela sustratos caracterizados por bajo tiempo de vida de portadores debido a la presencia de impurezas no eliminadas durante la purificación.

Mediante la optimización de estrategias de ingeniería de defectos conocidas como procesos de gettering, se han alcanzado factores de mejora x500, con valores de tiempo de vida de portadores superiores a 500 us. Se ha obtenido, además, un valor máximo absoluto de tiempo de vida de portadores de 1.1 ms, un resultado no obtenido antes en mc UMG-Si.

Los procesos de ingeniería de defectos resultan también beneficiosos para la movilidad de portadores, con muestras triplicando los valores iniciales después de un proceso de gettering de fósforo y alcanzando valores similares a los de muestras monocristalinas de referencia, un efecto que se asocia a la eliminación de centros de scattering asociados a impurezas.

El estudio de los perfiles de contaminación del material indica la presencia de numerosas impurezas, con prevalencia de metales de transición: la presencia de Cu, Fe, Cr o Ni se asocia a tiempos de vida muy reducidos debido al aumento de la recombinación asistida por defectos. Mediante del uso de técnicas directas (espectroscopía de masa, haz de iones) e indirectas (e.g., espectroscopía de tiempo de vida) se ha conseguido establecer el perfil característico de impurezas del material, identificando los precipitados de Cu como la impureza dominante después de procesos de ingeniería de defectos.

Como resultado global, esta tesis presenta un análisis completo del UMG-Si. Inicialmente, el material presenta altos niveles de contaminación que resultan en parámetros de transporte electrónico que impiderían su introducción en la industria. Mediante el uso de ingeniería de defectos, los parámetros optoelectrónicos del material mejoran hasta equipararse a los del Si convencional, con tiempos de vida superando los 500 us y valores de movilidad comparables a los de obleas FZ de alta calidad.

Se establece así una ruta de trabajo que permite llevar al UMG-Si a su máximo potencial, permitiendo la obtención de un material no penalizado por su calidad optoeléctronica y su implementación en estructuras de célula solar de alta eficiencia, resultando en costes de fabricación e impacto ambiental reducidos.