In situ X-ray radiography and diffraction imaging of the growth of silicon for photovoltaic applications
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Silizium ist ein wichtiges Material in der erneuerbaren Energiegewinnung durch Photovoltaik (PV), da es zu vertretbaren Kosten für die Produktion von Solarzellen hergestellt werden kann. Um effizienteres PV-Silizium zu erhalten, liegt das Hauptaugenmerk auf der Kontrolle der Dichte und der Art der Versetzungen und Korngrenzen in den Siliziumblöcken, da diese die Effizienz der Solarzellen herabsetzen können. Das Ziel meines Projekts war, das Verständnis der Defektentstehung und ihrer Wechselwirkungen in gerichtet erstarrtem Silizium und deren Einfluss auf die PV-Eigenschaften zu vertiefen. Um die Entstehung und das Verhalten von Defekten während des Wachstumsprozesses zu charakterisieren, sind in-situ Beobachtungen der Fest-Flüssig-Grenzfläche und der Defektstruktur notwendig. Wir realisierten dies durch die Verwendung eines Hochtemperaturofens und einer Kombination aus Röntgenradiographie und -beugung am Europäischen Synchrotron (ESRF). Um die schnellen Bewegungen von Versetzungen im Detail beobachten zu können, wurde in einem ersten Schritt die bestehende experimentelle Vorrichtung technisch aufgerüstet. Das neue Bildgebungssystem wurde während zwei Synchrotronkampagnen im Jahr 2018 getestet und eingesetzt und lieferte erfolgreich Daten zur Versetzungs- und Korngrenzendynamik. In Kombination mit ex-situ Analysen, wie Elektronenrückstreubeugung und Dichtemessungen von Ätzgruben, wurde die Versetzungs- und Korngrenzenstruktur der Siliziumkristalle analysiert. Das neue Setup ermöglichte es uns, die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Versetzungen in einem Keimkristall bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt und unter geringen Spannungen zu untersuchen. Dadurch erzielten wir Benchmark-Geschwindigkeitsdaten, die für die Versetzungsmodellierung wichtig sind. Aus den gemessenen Geschwindigkeiten wurde die Aktivierungsenergie der Versetzungen berechnet, die einen Hinweis auf den der Bewegung unterliegenden Mechanismus gibt (Quergleiten und Klettern). Des Weiteren konnten wir zeigen, dass die Versetzungsstruktur im Siliziumkeimkristall entscheidend für die Entstehung von Versetzungsclustern und Subkörnern im aufgewachsenen Kristall ist. Die Charakterisierung von solchen Subkörnern machte deutlich, dass bestimmte Kornorientierungen für die Blockierung oder Weiterverbreitung von Versetzungsreihen verantwortlich sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der verbesserte experimentelle Aufbau wertvolle Einblicke in die Entwicklung von Strukturdefekten während des Aufschmelzens und der anschließenden Erstarrung von Silizium geliefert hat und auch für zukünftige Experimente neuartige Einblicke verspricht. Das Ziel dieses Projekts, die Versetzungsdynamik und -wechselwirkung in-situ zu beobachten, sowie neue Erkenntnisse über Wachstumsmechanismen in Silizium zu bekommen, wurde erreicht.
Publications
- (2019) Simultaneous X-ray radiography and diffraction topography imaging applied to silicon for defect analysis during melting and crystallization, J. Appl. Crystallogr. 52, 1312-1320
Becker, M., Regula, G., Reinhart, G., Boller, E. Valade, J.-P., Rack, A., Tafforeau, P., Mangelinck-Noël, N.
(See online at https://doi.org/10.1107/S1600576719013050) - In situ dislocation kinetic studies study in silicon during heating and solidification, 18th Conference on Defects – Recognition, Imaging and Physics in Semiconductors (DRIP18), 08.-12. September 2019, Berlin, Germany
Becker M., Neves Dias S. W., Regula G., Ouaddah H., Reinhart G., Mangelinck-Noël N.
- Simultaneous in situ X-ray Diffraction Topography and Radiography Imaging for Defect Characterization during Silicon Growth, MRS Fall Meeting & Exhibition, 01.-06. December 2019, Boston, United States
Becker, M., Regula, G., Neves Dias S. W., Ouaddah, H., Reinhart, G., Mangelinck-Noël N.
- Investigation of subgrains in directionally solidified cast mono-seeded silicon and their interactions with twin boundaries. Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 218. 2020, 110817.
Maike Becker, Etienne Pihan, Fabrice Guittonneau, Laurent Barrallier, Gabrielle Regula, Hadjer Ouaddah, Guillaume Reinhart, Nathalie Mangelinck-Noël
(See online at https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110817) - X-ray Based in Situ Investigation of Silicon Growth Mechanism Dynamics—Application to Grain and Defect Formation. Crystals, Vol. 10. 2020, Issue 7, 555.
Hadjer Ouaddah, Maike Becker, Thècle Riberi-Béridot, Maria Tsoutsouva, Vasiliki Stamelou, Gabrielle Regula, Guillaume Reinhart, Isabelle Périchaud et al.
(See online at https://doi.org/10.3390/cryst10070555)
