Maken en karakterizeren van ultra-dunne kristallijne silicium substraten met een spanningsgeïnduceerde kliefmethode voor fotovoltaïsche toepassingen

Name: Alex Masolin

• Prof. dr. ir. Robert Pierre Mertens (promotor)
• Prof. dr. ir. Jozef Poortmans (mede-promotor)

Om de materiaalkosten te beperken is er behoefte aan een nieuwe techniek voor de productie van dunne (In dit werk wordt een nieuw zaagsnede-vrij proces voor monokristallijne silicium schijven ontwikkeld dat alleen van thermo-mechanische behandelingen gebruik maakt; dit proces wordt SLIM-Cut (voor Stress-geïnduceerde LIft-off Methode) genoemd.
Het proces verloopt als volgt: een laag van een materiaal (metaal of polymeer) met een thermische uitzettingscoëfficiënt sterk verschillend van silicium wordt afgezet op een siliciumsubstraat dat enkele centimeters dik kan zijn. Het systeem gevormd door het silicium substraat en de stress veroorzakende metaal- of polymeer-laag ondergaat daarna een thermische behandeling dat een sterk grensvlak tussen het substraat en de laag creëert. Na afkoeling vertoont de stress veroorzakende laag de neiging meer te krimpen dan het silicium waardoor een spanningsveld in het silicium
substraat ontstaat, mits de binding tussen de laag en het substraat sterk genoeg is om deze spanning te weerstaan.
Wanneer de spanning een drempelwaarde bereikt, tracht het systeem de spanning te relaxeren door een scheur die zich in de stressveroorzakende laag, langs het grensvlak of volledig in het substraat voortplant. Als de mechanische parameters zorgvuldig worden gekozen, bekomt men de derde optie voor het traject van de scheur: deze propageert in het silicium op een bepaalde afstand van het grensvlak, een pad  volgend evenwijdig aan het oppervlak, waarbij een silicium film zich van het substraat los maakt.
De kwaliteit van het resulterende materiaal moet worden geëvalueerdom te zorgen dat deze innovatieve benadering om een silicium–folie te bekomen niet het mogelijke rendement van de zonnecel in gevaar brengt omwille van de elektronische activiteit , de locatie en de dichtheid van defecten. Om die reden, worden Microwave-Detected Photoconductance Decay, Deep-Level Transient Spectroscopy, Electron Spin Resonance en optische inspecties, na defect etsen van het oppervlak van de
folies, uitgevoerd.
Enerzijds omvat een metaal-gebaseerde aanpak een hoge temperatuur,namelijk een temperatuur hoger dan de overgangstemperatuur van bros naar rekbaar silicium. Dit leidt tot een folie van slechte kwaliteit door plastische vervormingen van het materiaal en mogelijke verontreiniging ervan. Vandaag kan gesteld worden dat een metaal-gebaseerde benadering bijhoge temperatuur niet geschikt is voor het vervaardigen van silicium PVmateriaal van goede kwaliteit.
Anderzijds omvat een polymeer gebaseerde aanpak slechts stappen bij lage temperatuur (max 150 ◦ C). De verkregen folie vertoont echter een belangrijke ruwheid en diktevariatie die wel kunnen verminderd worden door het vermijden van manuele
bewerkingen. Analyses van de silicium folie vervaardigd op deze wijze geven aan dat de materiaal kwaliteit behouden blijft; b.v. de waarden vande bulk levensduur en het zeer beperkt aantal defecten bewijzendat dit materiaal een goede kandidaat is voor het vervaardigen van zonnecellen met een hoog rendement.

https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/358121

•   Prof. dr. ir. Robert Pierre Mertens (promotor)
•   Prof. dr. ir. Jozef Poortmans (mede-promotor)
•   Prof. dr. ir. Paul Van Houtte (voorzitter/chairman)
•   Prof. dr. Marc Seefeldt (secretaris/secretary)
•   Prof. dr. ir. Robert Puers
•   Prof. dr. Andre Stesmans
•   Prof. dr. ir. Johan Driesen
•   Prof. dr. João Manuel de Almeida Serra , Universidade de Lisboa