Chemnitz, Techn. Univ., Studienarb., 1995.

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Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 1997.

Photovoltaics is an exciting area of research with the potential to completely change the world's energy landscape. Silicon still dominates the photovoltaics market and shows no sign of being overtaken by other materials systems for large scale manufacture. Huge strides have been made in recent years to reduce the cost of solar modules, mainly through the introduction of mass production solar panel plants. However producing very pure single crystalline silicon is still a relatively expensive, energy intensive process. If cheaper less pure silicon could be cast into multi-crystalline ingots, without significant losses to the conversion efficiency this could be a game changer in the photovoltaics industry. For this to happen we need to have greater knowledge and understanding of the role of metallic impurities in solar silicon. If we can find ways to passivate or getter these impurities in cost effective processes that lend themselves to mass production then this would be the key to cost effective solar energy. In the work in this thesis I have investigated some of the most common and most harmful metallic impurities in silicon solar cells using a combination of Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS), Capacitance Voltage (CV) measurements, Secondary Ion Mass Spectroscopy and Tunnelling Electron Microscopy (TEM). The specific transition metals I studied were iron, as it is one of the most common impurities and also titanium and molybdenum, because they are very harmful, have slow diffusivities and hard to get rid of with traditional gettering techniques. I have then looked at using hydrogen to electrically passivate these defects, and show evidence that hydrogen passivation is possible for interstitially incorporated titanium in silicon, but is unlikely to happen for interstitially incorporated iron. Another important part of this thesis was the observation and characterisation of molybdenum nano-precipitates in silicon. We have observed the nano-precipitates both electrically in DLTS, and physically in TEM. The precipitates have very interesting electrical properties, and appear to be very strong minority carrier recombination centres, which would have a very negative effect on solar cell performance. It is possible that these nano-precipitates could form from any of the slow diffusing transition metals, and could be a key reason to explain the efficiency gap between low purity cast silicon and high purity single crystal silicon.

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Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007. / Dt.-Titel: Raman-Spektroskopie an metallische-organische-anorganische Heterostrukturen und Pentacen-basierten OFETs.

Universiẗat, Diss., 2005--Jena.

In this thesis, a comprehensive study of the electrical properties of carbon-hydrogen (CH) complexes in silicon (Si) and silicon-germanium (SiGe) alloys is presented. These complexes form by the reaction of residual carbon impurities with hydrogen that is introduced either by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma. The complexes were detected and characterized by the deep level transient spectroscopy (DLTS), Laplace DLTS, and minority carrier transient spectroscopy (MCTS) technique. With this approach, properties like the activation enthalpy for carrier emission, the capture cross section, the charge state, and the thermal stability of the complexes were determined. The composition of the complexes was derived from the analysis of their depth profiles in samples with different impurity concentrations. Using these methods, eight carbon-hydrogen related defect levels (E42, E65, E75, E90, E90', E262, H50, H180) and one hydrogen related level (E150) were detected in Si, SiGe alloys and Ge. Hydrogen plasma treatment at temperatures around 373 K introduces four dominant traps in Si at about Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180), and Ev+0.08 eV (H50). E42 and E262 are shown to be two charge states of the same defect. The characteristic field dependence of their emission rate links E42 with the double acceptor level and E262 with the single acceptor level of a CH complex. By comparison of their properties with calculations they are assigned to the anti-bonding configuration of the CH complex (CH_1AB). H180 was previously suggested to be the donor state of the CH_1AB configuration. This hypothesis could not be confirmed. Instead, it is shown that H180 exhibits a barrier for hole capture of about 53 meV, which hinders the reliable determination of its charge state from the field dependence of the emission rate. However, its activation enthalpy is in reasonable agreement with the predicted level position of the acceptor state of the CH_T configuration of CH, where H sits on the tetrahedral interstitial (T) position next to carbon. Therefore, H180 is tentatively assigned to CH_T. H50 is reported for the first time and it appears with concentrations close to the detection limit of the DLTS technique (~1E11 cm^-3). This complicates the determination of its charge state. Nevertheless, theory predicts the acceptor level of the CH_2AB configuration at about Ev+0.07 eV, which is remarkably close to the experimental value of H50. Therefore, H50 is tentatively assigned to the acceptor level of CH_2AB. In contrast, hydrogenation of silicon by wet chemical etching introduces three dominant levels at Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75), and Ec-0.16 eV (E90). Previously, E90 was contradictorily assigned by different authors to the donor and to the acceptor state of the bond-centered configuration of the CH complex (CH_1BC). In this work, this contradiction is resolved. It is shown that two different defect levels (E90 and E90') appear in the DLTS spectra at about 90 K in samples with a low oxygen concentration (< 1E17 cm^-3). The acceptor state of the CH_1BC configuration (E90) can be observed directly after hydrogenation by wet chemical etching or a dc hydrogen plasma treatment at temperatures below 373 K. In contrast, the donor state of a CH_n complex (E90', Ec-0.14 eV), that involves more than one hydrogen atom, is formed by a reverse bias annealing of samples with a net donor concentration of Nd > 1E15 cm^-3. By comparison with theory it is concluded that n > 2. In samples with a high oxygen concentration (> 1E17 cm^-3) E65 and E75 are dominant. Both levels belong to the CH_1BC configuration disturbed by a nearby oxygen atom. The appearance of two levels is the result of two inequivalent positions of the oxygen atom in respect to the CH bond. E42, E90, E262, and H180 are also investigated in diluted SiGe alloys to analyze the influence of alloying on their electrical properties. The presence of Ge atoms in the closest environment of the defects leads to the appearance of additional defect levels close to those observed in pure Si. The relative concentration of these additional defects is in agreement with models of the proposed defect structure of E42, E90, E262, and H180. An increase of the Ge content in SiGe alloys leads to a shift of the defect levels in the band gap of SiGe. An extrapolation of this shift predicts the appearance of E90 and E262 also in pure Ge. A hydrogen related level E150 (Ec-0.31 eV) is indeed observed in hydrogenated n-type Ge. Its concentration is significantly higher after hydrogen plasma treatment than after wet chemical etching. It is shown that E150 contains a single hydrogen atom and involves an unknown impurity, most likely carbon, oxygen, or silicon. E150 represents a reasonable candidate for a CH complex in Ge. / In dieser Arbeit werden die elektrischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Wasserstoff-Komplexen in Silizium (Si) und Silizium-Germanium-Legierungen (SiGe) studiert. Diese Komplexe bilden sich durch Reaktion von Kohlenstoff-Verunreinigungen mit Wasserstoff, welcher durch nasschemisches Ätzen oder eine Wasserstoffplasma-Behandlung eingebracht wird. Der Nachweis und die Charakterisierung der Defekte erfolgte mit den Methoden der Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS), Laplace DLTS und der Minoritätsladungsträgertransientenspektroskopie (MCTS). Damit wurden Eigenschaften wie die Aktivierungsenergie der Ladungsträgeremission, die Einfangquerschnitte, der Ladungszustand und die thermische Stabilität der Komplexe bestimmt. Die Zusammensetzung der Komplexe wurde durch eine Analyse der Tiefenprofile ermittelt, welche in Proben mit verschiedenen Verunreinigungskonzentrationen gemessen wurden. Mit diesen Methoden wurde acht Kohlenstoff-Wasserstoff-korrelierte Defektniveaus (E42, E65, E75, E90', E90, E262, H50, H180) in Si und SiGe und ein Wasserstoff-korreliertes Niveau in Ge nachgewiesen. Eine Wasserstoffplasma-Behandlung bei Temperaturen um 373 K erzeugt vier dominante Defektniveaus in Si bei Ec-0.06 eV (E42), Ec-0.52 eV (E262), Ev+0.33 eV (H180) und Ev+0.08 eV. Es wird gezeigt, dass E42 und E262 zwei Ladungszustände desselben Defektes sind. Die charakteristische Feldabhängigkeit der Emissionsrate zeigt, dass E42 der Doppel-Akzeptor- und E262 der Einfach-Akzeptor-Zustand eines CH-Komplexes ist. Durch Vergleich der beobachteten Eigenschaften mit theoretischen Berechnungen werden beide Niveaus der antibindenden Konfiguration des CH-Komplexes (CH_1AB) zugeordnet. Das Niveau H180 wurde in der Literatur bisher mit dem Donator-Zustand der CH_1AB-Konfiguration in Verbindung gebracht. Diese Hypothese konnte nicht bestätigt werden. Es wird gezeigt, dass H180 eine Barriere für den Löchereinfang von etwa 53 meV besitzt, was die Bestimmung des Ladungszustandes aus der Feldabhängigkeit der Emissionsrate erschwert. Die Aktivierungsenergie von H180 stimmt jedoch befriedigend mit der berechneten Aktivierungsenergie des Akzeptorzustandes der CH_T-Konfiguration überein, bei der H auf der T-Zwischengitterposition sitzt. Daher wird H180 vorläufig dem CH_T-Komplex zugeordnet. Das Niveau H50, welches zum ersten Mal hier beschrieben wird, wird nur mit sehr geringen Konzentrationen nachgewiesen. Dies erschwert die Bestimmung des Ladungszustandes. Die Aktivierungsenergie von H50 stimmt jedoch auffallend gut mit dem von der Theorie vorhergesagten Akzeptorniveau von CH_2AB (Ev+0.07 eV) überein. Daher wird H50 vorrübergehend CH_2AB zugeordnet. Das Einbringen von Wasserstoff in Silizium durch nasschemisches Ätzen führt zu drei dominanten Defektniveaus bei Ec-0.11 eV (E65), Ec-0.13 eV (E75) und Ec-0.16 eV (E90). E90 wurde bisher widersprüchlich von verschiedenen Autoren dem Donatorzustand und dem Akzeptorzustand der bindungszentrierten Konfiguration (CH_1BC) des CH-Komplexes zugeordnet. Dieser Widerspruch konnte aufgelöst werden. Es wird gezeigt, dass in Silizium mit niedrigem Sauerstoffanteil (< 1E17 cm^-3) zwei verschiedene Defektniveaus (E90 und E90') bei etwa 90 K in den DLTS-Spektren erscheinen, welche nur mit der Laplace DLTS-Technik aufgelöst werden können. Der Akzeptorzustand der CH_1BC-Konfiguration kann direkt nach nasschemischem Ätzen oder einer Wasserstoffplasma-Behandlung bei 373 K beobachtet werden. Im Gegensatz dazu wird durch eine Sperrspannungs-Temperung in Proben mit einer Donatorkonzentration von Nd > 1E15 cm^-3 der Donatorzustand eines CH_n-Komplexes (E90', Ec-0.14 eV), welcher mehr als ein Wasserstoffatom enthält, gebildet. Durch Vergleich mit theoretischen Berechnungen wird n > 2 geschlussfolgert. Die Niveaus E65 und E75 sind in Proben mit einem hohen Sauerstoffanteil (> 1E17 cm^-3) dominant. Beide Niveaus gehören zu einer durch ein O-Atom verzerrten CH_1BC-Konfiguration. Das Auftreten von zwei Niveaus wird durch zwei nicht-äquivalente Positionen des O-Atoms bezüglich der CH-Bindung erklärt. Die Eigenschaften von E42, E90, E262 und H180 wurden ebenfalls in verdünnten SiGe-Legierungen untersucht. Es wird gezeigt, dass Ge-Atome in der direkten Umgebung der Defekte zusätzliche Defektniveaus erzeugen, die in der Bandlücke nahe zu den Si-Defektniveaus liegen und von durch Ge-Atomen verzerrten Defekten stammen. Die beobachteten relativen Konzentrationen dieser Ge-korrelierten Niveaus kann mit Modellen der atomaren Struktur der Defekte erklärt werden. Eine Verschiebung der Defektniveaus proportional zum Ge-Anteil in der Legierung wurde beobachtet. Eine Extrapolation dieser Verschiebung legt den Schluss nahe, dass E90 und E262 auch in reinem Ge beobachtbar sein sollten. Tatsächlich wurde ein Wasserstoff-korrelierter Defekt E150 (Ec-0.31 eV) in n-Typ Germanium beobachtet. Die Konzentration von E150 ist nach einer Wasserstoffplasma-Behandlung wesentlich höher als nach nasschemischen Ätzen. Es wird gezeigt, dass E150 ein einzelnes Wasserstoffatom und ein noch unbekanntes Verunreinigungsatom enthält, höchstwahrscheinlich Kohlenstoff, Sauerstoff oder Silizium. Damit ist E150 ein sehr wahrscheinlicher Kandidat für einen CH-Komplex in Germanium.