Direkte Laserablation von dünnen, auf Silizium abgeschiedenen Siliziumnitridschichten durch nichtlineare Absorption

Heinrich, Gerrit

In dem Produktionsprozess von hocheffizienten kristallinen Silizium-Solarzellen werden lokale Öffnungen in dünnen dielektrischen Schichten benötigt. An Stelle von teuren und aufwändigen Photolithographieschritten scheint die direkte Laserablation geeignet zu sein, diese dielektrischen Schichten kostengünstig und schnell zu öffnen.In der vorliegenden Arbeit wird die Ultra-Kurzpulslaserablation von dielektrischen Schichten am Beispiel von dünnen Siliziumnitrideinzelschichten sowie von Aluminiumoxid/Siliziumnitrid-Mehrfachschichten auf Siliziumproben untersucht. Dafür werden zuerst die optischen und strukturellen Eigenschaften der verwendeten dielektrischen Schichten analysiert. Anschließend wird der Einfluss verschiedener Schichteigenschaften (Brechungsindex, Wasserstoffgehalt), Lasereinstellungen (Fluenz, Pulsdauer, Wellenlänge) und Siliziumeigenschaften (Dotierung, Topographie) auf das Ablationsverhalten sowie auf die laserinduzierten Siliziumkristallschäden beschrieben und diskutiert. Aus diesen Ergebnissen wird ein neuartiges [G1]Absorptionsmodell erarbeitet, das die Ursache für die mit dieser Arbeit zum ersten Mal beschriebene direkte Ablation von dünnen dielektrischen Schichten auf Silizium erklärt. Die Erkenntnisse aus den Ablationsuntersuchungen werden in zwei verschiedenen Zelldemonstratoren angewendet und diskutiert. Hierfür werden Solarzellen zum einen nach dem PERC-Konzept und zum anderen nach einem Metallisierungsverfahren, basierend auf der nasschemischen Abscheidung von Nickel, Kupfer und Zinn, hergestellt.Zusätzlich wird in dieser Arbeit ein Programm entwickelt, mit dem das Reflexionsverhalten des ablatierten Bereiches simuliert werden kann.

In the production process of high efficiency crystalline silicon solar cells, local openings in thin dielectric layers are required. Instead of photolithography, direct laser ablation seems to be suitable to open these dielectric layers locally in a low-cost mass production step.In this work, the ultra-short-laser-pulse ablation of thin dielectric silicon nitride layers and stacks of aluminum oxide and silicon nitride on silicon is investigated. For that, first the optical and structural properties of these layers are analyzed. Afterwards, the influence of layer properties (refractive index, hydrogen content), laser parameters (fluence, pulse duration, wavelength) and silicon properties (doping, topography) on the ablation behavior as well as on the laser-induced damage to the silicon crystal are described and discussed. From these results, a novel absorption model is developed which describes the reason of the direct ablation of thin dielectric layers on silicon.The knowledge of these ablation investigations are applied in two different solar cell concepts: PERC solar cells and wet chemical deposited solar cells with nickel, copper and tin.Add to these points, a computer program is developed which simulate the reflection behavior of the laser ablated areas.

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Heinrich, Gerrit: Direkte Laserablation von dünnen, auf Silizium abgeschiedenen Siliziumnitridschichten durch nichtlineare Absorption. 2014.

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