Μελέτη με τεχνικές μικροσκοπίας της επαγόμενης από μέταλλο κρυστάλλωσης άμορφου Si, για φωτοβολταϊκές εφαρμογές
Creators: name: Γκανάτσιου, Χριστίνα Ζήση
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διερχόμενης Δέσμης
Επαγόμενη απο μέταλλο κρυστάλλωση του άμορφου πυριτίου
ηλιακές κυψέλες
TEM
Al-induced crystallization
solar cell

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη λεπτών υμενίων με την μέθοδο της Επαγόμενης από Μέταλλο Κρυστάλλωσης Άμορφου Si (metal induced crystallization) και στον χαρακτηρισμό της ποιότητας αυτών με μεθόδους Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ). Τα δείγματα αυτά εξετάζονται ως προς τη μορφολογία και τη δομή με τη μέθοδο ΤΕΜ και αναζητούνται τυχόν ατέλειες δομής οι οποίες επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση των φωτοβολταϊκών κυψελών. Τα λεπτά υμένια που αναπτύχθηκαν αποτελούνται από ένα οξειδωμένο στρώμα Πυριτίου (Si) πάνω στο οποίο εναποτέθηκε ένα στρώμα Αλουμινίου (Al). Πάνω στο στρώμα Αλουμινίου (Al) εναποτέθηκε ένα στρώμα αμόρφου Πυριτίου. Το στρώμα Αλουμινίου (Al) εναποτέθηκε με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) ενώ το στρώμα του άμορφου πυριτίου (a-Si) με τη μέθοδο βομβαρδισμού με ιόντα-sputtering. Μετά απο παρατεταμένη ανόπτηση στους 450οC για αρκετές ώρες επιτεύχθηκε η κρυστάλλωση του άμορφου Πυριτίου (a-Si) και η αναστροφή των στρωμάτων. Μελετηθήκαν συνολικά δύο ομάδες δειγμάτων. Δύο διαφορετικά δείγματα D2001 και F2001 αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν στην πρώτη ομάδα. Και στα δύο δείγματα το ονομαστικό πάχος του στρώματος του άμορφου Πυριτίου (a-Si) είναι 100nm, ένω αυτό του στρώματος Αλουμινίου (Αl) είναι 200nm. Η ανόπτηση πραγματοποιήθηκε σε περιβάλλον αζώτου (Ν2) στους 450oC για 7.5 ώρες στο δειγμα F2001 και για 10 ώρες στο δείγμα D2001. Και στα δύο δείγματα πραγματοποιήθηκε ολική αναστροφή των στρωμάτων έτσι ώστε το στρώμα του Αλουμινίου (Al) να τοποθετηθεί ολόκληρο πάνω απο το στρώμα του κρυσταλλικού Πυριτίου (c-Si) το οποίο έχει πάχος 200-250 nm. Το κρυσταλλικό στρώμα που δημιουργήθηκε είναι υψηλής κρυσταλλικής ποιότητας και αποτελείται από κόκκους διαστάσεων α) 100nm-2.2μm στο δείγμα D2001 και β) 100nm-800nm στο δείγμα F2001. Τρία διαφορετικά δείγματα MPV2, PVG1, και PVG2R αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν στην δεύτερη ομάδα. Αρχικά εναποτέθηκαν 20nm άμορφου Πυριτίου (a-Si) και 10nm Αλουμινίου (Al). Πραγματοποιήθηκε ανόπτηση σε περιβάλλον αζώτου (Ν2) στους 500oC για 4 ώρες και στα τρία δείγματα. Στη συνέχεια αφαιρέθηκε το στρώμα του Αλουμινίου (Al) με χημική εγχάραξη. Στη συνέχεια εναποτέθηκε και σχηματοποιήθηκε ένα στρώμα Αλούμινίου 300 nm με χρήση μάσκας. Πραγματοποιήθηκε ανόπτηση στους 450oC για 1 ώρα σε αέριο σχηματισμού (μίγμα υδρογόνου - αζώτου - forming gas). Με την χρήση του Αλουμινίου (Al) επιτεύχθηκε καλύτερη ποιότητα των κρυστάλλων του στρώματος του κρυσταλλικου Πυριτίου (c-Si). Αυτή η δομή είναι κατάλληλη για χρήση σε συσκευές υψηλής απόδοσης ηλιακών κυττάρων. Το διαφορετικό μέγεθος των κρυστάλλων αποδίδεται στη διαφορετική θερμοκρασία ανόπτησης. Διδυμίες και άλλα σφάλματα δομής παρατηρήθηκαν στους κόκκους Πυριτίου (Si) και αναλύθηκαν. Βασιζόμενοι στα αποτελέσματα και στις αναλύσεις της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ), αναλύεται αλλά και συζητείται ο μηχανισμός της Κρυστάλλωσης του άμορφου Πυριτίου.
description: Al-induced crystallization is used in the present work for the simultaneous crystallization and doping of amorphous Si thin films. The initial structure consists of an oxidized Si layer on top of which a bilayer of Al and a-Si was deposited. The Al layer was deposited by electron gun evaporation, while the a-Si layer by sputtering. After extended annealing at 450 oC for several hours, a-Si crystallization and layer reversal takes place. The crystallized Si layer is highly doped with Al. The obtained structure is adequate for use in high efficiency solar cell devices. Two groups of samples were used at this study. The first one consists of two different samples, sample D2001 and sample F2001. In both of them the nominal thickness of the SiO2 layer was 100nm, while that of the Al and the a-Si layers was 200nm. Annealing was performed in N2 ambient at 450oC for 7.5h in sample F2001 and for 10h in sample D2001. In both cases, full layer reversal took place, so as the Al layer was fully situated on top of the polycrystalline Si layer, of thickness in the range of 200-250 nm. The polycrystalline layer was of high crystalline quality, with grains having size between: a) 150 nm and 2.2 μm for D2001 and b) 100 nm and 800 nm for F2001. The second group consists of three samples, MPV2, PVG1 and PVG2R. In both of them the nominal thickness of the a-Si layer was 20nm, while that of the Al layer was 10nm. Annealing was performed in N2 ambient at 500oC for 4h in all samples. The structural characterization of these films was performed by using conventional and high resolution transmission electron microscopy (TEM). The difference in crystal size is attributed to the different annealing temperature. Twins and other defects are observed in the Si grains and they are analyzed. Based on the TEM results, the mechanism of crystallization is discussed.