Innerhalb dieser Arbeit werden die Wechselwirkungen von interstitiellem Eisen mit Defekten, wie Versetzungen und Ausscheidungen, untersucht. Dazu wurde zunächst das Löslichkeitsverhalten von Eisen im p-dotierten mc-Silizium im Temperaturbereich von 550°C bis 800°C gemessen. An Versetzungsstrukturen konnte in einigen Bereichen eine deutlich erhöhte Konzentration an gelöstem Eisen im as cut Zustand und nach dem Tempern der Probe festgestellt werden. Diese wurde mit der Struktur der Versetzungsanordnung erklärt. An vorhandenen Ausscheidungen im Silizium konnte eine Abnahme der gelösten Eisenkonzentration beobachtet werden. Die Dichte und Morphologie der Ausscheidungen haben dabei einen großen Einfluss. Der Eintrag des Eisens in das Silizium aus Tiegeln mit unterschiedlicher Reinheit während der Kristallisation wurde untersucht. Dabei zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Tiegelreinheit auf die Konzentration am Rand des Blockes, jedoch nur einen geringen Einfluss auf die Eisenkonzentration im Blockinneren.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Untersuchungen zum Einfluss der Züchtungsbedingungen auf die Eigenschaften von multikristallinen (mc) Silizium-Kristallen. Im Mittelpunkt stehen Züchtungsexperimente mit einer gezielten Variation der Züchtungsaufbauten und Züchtungsgeschwindigkeiten. Die gezüchteten Kristalle wurden umfassend charakterisiert im Hinblick auf die Kohlenstoffkonzentration, die Kornstruktur, die Vesetzungsdichte, Verteilung der Ausscheidungen und Ladungsträgerlebensdauer. Zusätzlich wurde die Versetzungsanordnung in Abhängigkeit von der Wachstumsrate bzw. Abkühlrate systematisch untersucht. Als Ergebnis wurde gezeigt, dass die Züchtungsbedingungen die Kohlenstoffkonzentration, die Versetzungsdichte, die Bildung von den Ausscheidungen sowie die Ladungsträgerlebensdauer beeinflussen können, jedoch nicht die Korngröße. Es wurde ein direkter Zusammenhang zwischen Ausscheidungsgebieten und erhöhte Versetzungsdichte beobachtet. Im Rahmen der Arbeit wurde festgestellt, dass die endgültige Versetzungsstruktur sich als Resultat von Gleit- und Erholungsprozessen darstellt.

To be able to mitigate the climate change and disasters that will come with it and to ensure economic growth, there is a need for change. A good start is more renewable energy and less harmful emissions. It is known that solar energy is sustainable and made from an endless source, the sun. However, it is not known how much impact the photovoltaic solar panels have through its entire lifecycle, from extraction of raw materials to End of Life management. This study has investigated photovoltaic solar panels' full life cycle to see how sustainable they really are. Including where the biggest opportunities for improvement of environmental, financial and social sustainability within the value chain is found. The results have been obtained by conducting a literature study, interviews with people with expertise of different parts of the value chain and finally calculations have been made to compare and visualize the findings. Two main ways to improve the PV panels’ negative impact in terms of environmental, financial and social sustainability have been established. Firstly, the study suggests the importance of implementing advanced recycling within the value chain. Recycling a high percentage of materials in the PV panel, and reusing the recovered material in production will decrease the energy consumption and harmful emissions significantly, alongside increasing circularity of critical materials and bring both financial and social benefits. Secondly, moving the better part of the production to Europe from China would also decrease the negative impact of the PV panels, especially the environmental and social impact, the study could however not find sufficiently good arguments for financial improvement to move the production to Europe. To be conclusive, this subject would need further studies. / För att kunna lindra klimatförändringar och de medföljande katastroferna och säkerställa den ekonomiska tillväxten finns det ett stort behov av förändring. En bra start är att använda mer förnybar energi och som bidrar till färre skadliga utsläpp. Det är känt att solenergi är hållbart med bränsle från en oändlig källa, solen. Det är emellertid inte känt hur stor påverkan solcellspanelerna har under hela dess livscykel, från utvinning av råvaror till dess panelens liv är över. Denna studie har undersökt solcellspanelernas hela livscykel för att se hur hållbara de egentligen är. Studien har även studerat var de största möjligheterna för förbättring av miljömässig, finansiell och social hållbarhet inom värdekedjan finns. Resultaten har erhållits genom att genomföra en litteraturstudie, intervjuer av personer med expertis inom olika delar av värdekedjan och slutligen har beräkningar gjorts för att jämföra och visualisera resultaten. Två huvudsakliga sätt att förbättra solpanelernas negativa påverkan när det gäller miljömässig, ekonomisk och social hållbarhet har identifierats. För det första föreslår studien vikten av att implementera avancerad återvinning inom värdekedjan. Återvinning av en hög andel material i solcellspanelen och återanvändning av det återvunna materialet i produktionen kommer att minska energiförbrukningen och skadliga utsläpp avsevärt samt förbättra cirkuläriteten av kritiska material och medföra både ekonomiska och sociala fördelar. För det andra skulle förflyttning av den större delen av produktionen till Europa från Kina också minska de negativa effekterna av solcellspaneler, särskilt de miljömässiga och sociala effekterna, studien kunde dock inte hitta tillräckligt med goda argument för att en förflyttning av produktionen till Europa skulle leda till en ekonomisk förbättring. För att detta ska vara avgörande skulle detta ämne behöva ytterligare studier.

Die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen in multikristallinem Silicium wird von Kupfer und anderen metallischen Verunreinigungen wie Eisen mitbestimmt. Das Hauptziel der Arbeit war es, die Verteilung von Kupfer und dessen Wirkung auf die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen genauer zu untersuchen. Dazu wurden optische und elektrische Untersuchungen an gezielt mit Metallen verunreinigten Modellmaterialien durchgeführt. Nicht alle Versetzungen sind rekombinationsaktiv. Es konnte gezeigt werden, dass der Anteil rekombinationsaktiver Versetzungen am Gesamtinventar und die Hintergrunddiffusionslänge von der Verunreinigung mit Metallen abhängig sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Proben, die Diffusionsexperimenten unterzogen wurden, deuten auf unterschiedliches Ausscheidungsverhalten von Kupfer und Eisen hin sowie auf Wechselwirkungen mit Versetzungen und Korngrenzen, die mit der Diffusionstemperatur und den Abkühlbedingungen in Zusammenhang stehen.

In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Homogenisierung von Widerstandsprofilen entlang von phosphordotierten, gerichtet erstarrten, multikristallinen Silizium (mc-Si) Blöcken für PV-Anwendungen untersucht. Die im Rahmen der Dissertation durchgeführte analytische Untersuchung konzentriert sich auf den Phosphortransport in der Siliziumschmelze, an der Grenzfläche zwischen Kristall und Schmelze, an der Schmelzenoberfläche und in der Gasphase oberhalb der Schmelze. Es wurden drei Prozessparameter identifiziert, die den stärksten Einfluss auf die Phosphorverteilung in multikristallinen Blöcken haben: die Durchmischung der Schmelze, der Gesamtgasdruck in der Anlage und der Gasfluss über der Schmelze. Variationen in der Stärke der TMF sind sinnvoll, um die Phosphorverteilung entlang der Barrenhöhe zu beeinflussen. Ein schwaches TMF bewirkt eine gleichmäßigere Dotierstoffverteilung und führt zu einem verringerten spezifischen Widerstand des Blocks in den Anfangsstadien der Kristallisation, während ein starkes TMF einen signifikanten Effekt auf die Phosphorverdampfung hat und zu einem Anstieg des spezifischen Widerstandes zum Ende des Blocks hin führt. Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die Verringerung des Gasdrucks zu einer deutlich verstärkten Phosphorverdampfung von der freien Schmelzenoberfläche führt und damit den spezifischen Widerstand des erstarrten Blocks erhöht, vor allem gegen dessen Ende hin. Die während der Studie gewonnenen Erkenntnisse wurden für die Optimierung der typischen G1-Wachstumsrezeptur verwendet. Die mit diesem Rezept gezüchteten G1 mc-Si Blöcke zeigen eine gleichmäßigere Widerstandsverteilung als solche, die mit einem typischen Rezept gezüchtet wurden. Die Widerstandsvariation wurde auf 55 % verringert und erfüllte den von der Marktspezifikation vorgegebenen Zielbereich von 3,0 - 1,0 Ω·cm. Die entwickelte Rezeptur wurde erfolgreich für die gerichtete Erstarrung mit Keimvorgabe übertragen. / The research described in this thesis is focused on homogenization of resistivity profiles along phosphorus-doped directionally solidified multicrystalline silicon (mc-Si) ingots for PV application. The analytical study conducted within the framework of the thesis is focused on phosphorus transport in the silicon melt, at the crystal-melt interface, at the melt surface and in the gaseous phase above the melt. Three process parameters were identified to have the most dominant influence on phosphorus distribution in multicrystalline ingots: melt mixing, furnace ambient gas pressure and gas flow above the melt. It was found that variations in strength of TMF could be used to control the phosphorus distribution along the ingot’s length. Weak TMF provokes more uniform dopant distribution and results in decreased ingot resistivity at the initial stages of crystallization, while strong TMF has more prominent effect on phosphorus evaporation that leads to the increase of resistivity towards the ingot’s end. The results of experiments demonstrated that reduction of ambient gas pressure leads to significantly intensified phosphorus evaporation from the free melt surface and increases the resistivity of the solidified ingot, especially towards its end. The findings obtained during the study were used for the adjustment of the typical G1 growth recipe. Conventional G1 mc-Si ingots grown using this recipe show more uniform resistivity distribution than those grown using a typical one. Resistivity variation was reduced to 55% and met the target range of 3.0 – 1.0 Ω·cm set by market specification. The developed recipe was successfully replicated for directional solidification seeded growth.

The usage of more inexpensive silicon feedstock for the crystallization of multicrystalline silicon blocks promises cost reduction for the photovoltaic industry. Less expensive substrates made out of metallurgical silicon (MG-Si) are used as a mechanical support for the epitaxial solar cell. Moreover, conventional inert solar cells can be produced from up-graded metallurgical silicon (UMG-Si). This feedstock has higher content of impurities which influences cell performance and mechanical strength of the wafers. Thus, it is of importance to know these effects in order to know which impurities should be preferentially removed or prevented during the crystallization process. Solar cell processing steps can also exert a change in the values of mechanical strength of processed multicrystalline silicon wafers until the fabrication of a solar cell. Bending tests, fracture toughness and dynamic elastic modulus measurements are performed in this work in order to research the mechanical behavior of multicrystalline silicon crystallized with different qualities of silicon feedstock. Bending tests and residual stress measurements allows the quantification of the mechanical strength of the wafers after every solar cell processing step. The experimental results are compared with theoretical models found in the classical literature about the mechanical properties of ceramics. The influence of second phase particles and thermal processes on the mechanical strength of silicon wafers can be predicted and analyzed with the theoretical models. Metals like Al and Cu can decrease the mechanical strength due to micro-cracking of the silicon matrix and introduction of high values of thermal residual stress. Additionally, amorphous silicon oxide particles (SiOx) lower the mechanical strength of multicrystalline silicon due to thermal residual stresses and elastic mismatch with silicon. Silicon nitride particles (Si3N4) reduce fracture toughness and cause failure by radial cracking in its surroundings due to its thermal mismatch with silicon. Finally, silicon carbide (SiC) and crystalline silicon oxide (SiOx) introduce thermal residual stresses but can have a toughening effect on the silicon matrix and hence, increase the mechanical strength of silicon wafers if the particles are smaller than a certain size. The surface of as-cut wafers after multi-wire sawing presents sharp micro-cracks that control their mechanical behavior. Subsequent removal of these micro-cracks by texture or damage etching approximately doubles the mechanical strength of silicon wafers. The mechanical behavior of the wafers is then governed by defects like cracks and particles formed during the crystallization of multicrystalline silicon blocks. Further thermal processing steps have a minor impact on the mechanical strength of the wafers compared to as-cut wafers. Finally, the mechanical strength of final solar cells is comparable to the mechanical strength of as-cut wafers due to the high residual thermal stress introduced after the formation of the metallic contacts which makes silicon prone to crack.

Die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen in multikristallinem Silicium wird von Kupfer und anderen metallischen Verunreinigungen wie Eisen mitbestimmt. Das Hauptziel der Arbeit war es, die Verteilung von Kupfer und dessen Wirkung auf die Rekombinationsaktivität von Versetzungen und Korngrenzen genauer zu untersuchen. Dazu wurden optische und elektrische Untersuchungen an gezielt mit Metallen verunreinigten Modellmaterialien durchgeführt. Nicht alle Versetzungen sind rekombinationsaktiv. Es konnte gezeigt werden, dass der Anteil rekombinationsaktiver Versetzungen am Gesamtinventar und die Hintergrunddiffusionslänge von der Verunreinigung mit Metallen abhängig sind. Ergebnisse von Untersuchungen an Proben, die Diffusionsexperimenten unterzogen wurden, deuten auf unterschiedliches Ausscheidungsverhalten von Kupfer und Eisen hin sowie auf Wechselwirkungen mit Versetzungen und Korngrenzen, die mit der Diffusionstemperatur und den Abkühlbedingungen in Zusammenhang stehen.

Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l’interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques. / In this thesis we focus on the silicon heterostructure combining thin films amorphous silicon (a-Si :H) deposited at low temperature on crystalline silicon (c-Si) substrates. We study the different materials and the interface between them through both characterizations, modelling and numerical simulations. The goal is to better understand the influence of the different parameters (doping level, defects density, band offset, ...) on the photovoltaic solar cell's performances in order to get them improved. Structures with multicrystalline silicon substrates are also studied.

Etwa die Hälfte aller Solarzellen weltweit wird aus blockerstarrtem Silizium hergestellt. Derartige Blöcke weisen in ihren Außenbereichen eine verringerte Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf. Um die Ursache dafür im Fall des bodennahen Bereichs zu bestimmen wurden zwei Spezialblöcke (ein Block mit reduzierter Bor-Dotierung und ein Block mit Phosphor-Dotierung) - u. a. mittels DLTS und FTIR - auf Kristalldefekte untersucht. Zusätzlich zu Dotierelementen (B, P, Al, As) wurden im Bodenbereich folgende Defekte nachgewiesen: <u>Metalle</u>: Fe, Cr <u>Sauerstoffhaltige Defekte</u>: Interstitieller Sauerstoff, Thermische Donatoren (TD), O1, O2 <u>Stickstoffhaltige Defekte</u>: NN-Paar, NNO-Komplex, Shallow Thermal Donors (STD) <u>Ausgedehnte Defekte</u>: Versetzungen, Ausscheidungen, Korngrenzen. Die Verteilung der flachen Donatoren (P, TD, STD, As) und Akzeptoren (B, Al) bestimmt den Widerstandsverlauf im bodennahen Bereich des Phosphor dotierten Spezialblocks. Das dortige Diffusionslängenprofil kann im Rahmen der Shockley-Read-Hall-Statistik erst durch eine Erhöhung des Minoritätseinfangquerschnitts für das Cr-Niveau (Faktor 5) bzw. für das STD-Niveau (Faktor 10) nachgezeichnet werden. Eisen, Versetzungen und Korngrenzen haben hier keinen wesentlichen Einfluss. In den untersten Millimetern des Spezialblocks müssen weitere Defekte hinzukommen, die die Diffusionslänge zusätzlich reduzieren; Thermische Donatoren und O1 und eventuell Ausscheidungen kommen dazu in Frage. Die sinngemäße Übertragung der Konzentrationsverläufe aus den beiden Spezialblöcken auf einen Block mit einer produktionsüblichen Dotierung ([B]≈10^{<small>16</small>}/cm^{<small>3</small>}) ergibt, dass in diesem Fall verschiedene Defekte (TD, STD, CrB und FeB) einen Beitrag zur Diffusionslängenreduktion im bodennahen Blockbereich liefern.

Etwa die Hälfte aller Solarzellen weltweit wird aus blockerstarrtem Silizium hergestellt. Derartige Blöcke weisen in ihren Außenbereichen eine verringerte Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf. Um die Ursache dafür im Fall des bodennahen Bereichs zu bestimmen wurden zwei Spezialblöcke (ein Block mit reduzierter Bor-Dotierung und ein Block mit Phosphor-Dotierung) - u. a. mittels DLTS und FTIR - auf Kristalldefekte untersucht. Zusätzlich zu Dotierelementen (B, P, Al, As) wurden im Bodenbereich folgende Defekte nachgewiesen: <u>Metalle</u>: Fe, Cr <u>Sauerstoffhaltige Defekte</u>: Interstitieller Sauerstoff, Thermische Donatoren (TD), O1, O2 <u>Stickstoffhaltige Defekte</u>: NN-Paar, NNO-Komplex, Shallow Thermal Donors (STD) <u>Ausgedehnte Defekte</u>: Versetzungen, Ausscheidungen, Korngrenzen. Die Verteilung der flachen Donatoren (P, TD, STD, As) und Akzeptoren (B, Al) bestimmt den Widerstandsverlauf im bodennahen Bereich des Phosphor dotierten Spezialblocks. Das dortige Diffusionslängenprofil kann im Rahmen der Shockley-Read-Hall-Statistik erst durch eine Erhöhung des Minoritätseinfangquerschnitts für das Cr-Niveau (Faktor 5) bzw. für das STD-Niveau (Faktor 10) nachgezeichnet werden. Eisen, Versetzungen und Korngrenzen haben hier keinen wesentlichen Einfluss. In den untersten Millimetern des Spezialblocks müssen weitere Defekte hinzukommen, die die Diffusionslänge zusätzlich reduzieren; Thermische Donatoren und O1 und eventuell Ausscheidungen kommen dazu in Frage. Die sinngemäße Übertragung der Konzentrationsverläufe aus den beiden Spezialblöcken auf einen Block mit einer produktionsüblichen Dotierung ([B]≈10^{<small>16</small>}/cm^{<small>3</small>}) ergibt, dass in diesem Fall verschiedene Defekte (TD, STD, CrB und FeB) einen Beitrag zur Diffusionslängenreduktion im bodennahen Blockbereich liefern.