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.

The efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.

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.

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 efficiency of multicrystalline (mc) silicon solar cells depends strongly on the fraction of recombination active crystal defects. This work focuses on a systematic analysis of how the area fraction of recombination active crystal defects and thus the solar cell efficiency is af-fected by the grain structure of mc-silicon wafers, i.e. grain size, grain orientation and type of the grain boundaries between adjacent grains. For that purpose a new characterization method was developed which allows the measurement of the grain orientation and grain boundary type of full 156x156 mm² mc-silicon wafers. The results of the grain structure analysis were correlated with the etch pit density, the recombination active area fraction measured by photo-luminescence imaging, and the solar cell efficiency in order to quantify the most important features of the grain structure, which were relevant to obtain high quality mc-silicon wafer material. For the determination of the grain orientation and grain boundary type two metrology sys-tems were combined. The so-called grain detector determines the geometrical data of each grain (size and form) by a reflectivity measurement. Afterwards the wafer with the geomet-rical information of all grains is transferred into the so-called Laue Scanner. This system irra-diates each grain larger 3 mm² with white x-rays and creates a backscatter diffraction pattern (Laue pattern) for each grain. From this Laue pattern the grain orientation and the grain boundary type of neighboured grains is calculated and statistically analysed in combination with the geometrical data of the grain detector. In this work the grain structure of twelve industrially grown mc-silicon bricks, which were produced by different manufacturers, and two laboratory grown bricks were investigated. Seven of these bricks show a fine grain structure. This material named class F is considered to be typical for so-called High Performance Multi (HPM) silicon. The other bricks show a coarse-grained structure. This grain structure was called class G and corresponds to the con-ventional mc-silicon material. The results show that the grain structures of the start of the crystallization process differ sig-nificantly between class F and class G. The class F mc-silicon wafers have a uniform initial grain size (characterized by coefficient of variation CV¬KG < 2.5) and grain orientation (charac-terized by coefficient of variation CVKO < 1.5) distribution with a small mean grain size (< 4 mm²) and a high length fraction of random grain boundaries (> 60 %) in comparison to the class G wafers. Despite the totally different initial grain structure for the class F and class G bricks, the grain structure of the wafers which represent the end of the crystallization process is more or less comparable. It can be concluded that the development of the grain structure along the crystal height of the class F bricks is driven by an energy minimization due to the surface energy and the grain boundary energy, that means that the share of (111) oriented grains having the lowest surface energy and the share of ∑3 grain boundaries having the lowest interface energy increase from the start of crystallization to the end. This phenomenon could not be observed for the class G bricks, which show a decreasing ∑3 length fraction and a decreasing area fraction of {111} oriented grains. This energetically unfavourable grain structure development is not clear so far but it means another kind of energy minimization effect must exist within class G. This could be for instance the formation of dislocations. The grain structure investigations show clearly that especially the initially fine-grained struc-ture of the class F bricks, i.e. at the start of crystallization, influences beneficially the area fraction of recombination active defects and the solar cell efficiency subsequently. This ob-servation can be explained as follows. Reduced dislocation cluster formation: • The small grain sizes in combination with the low length fraction of ∑3 grain bounda-ries capture the dislocations within a grain. Dislocations are not able to move across the grain boundaries which have not the ∑3-type within moderate stress and tempera-ture fields. This prohibits the formation and expansion of large dislocation cluster. • The previously described energetically driven grain selection and the continuously in-creasing grain size from bottom to top leads to an overgrowth of grains. This means that also dislocated grains will disappear which also prohibits the formation of large dislocation cluster. Reduced possibility of dislocation formation: • Compared to the class G bricks the area fraction of {111} oriented grains is reduced. Therefore, the possibility of the formation of dislocations is reduced, because they would be activated first in {111} oriented grains taking the Schmidt factor in account which is lowest for {111} oriented grains. After the dislocation generation within a {111} oriented grain, the dislocation can move forward on 3 of 4 possible {111} slip planes which have an angle of 19.5° with regard to the growth direction. No other ori-entation has more slip planes for the dislocation movement which have an angle smaller 20° with regard to the growth direction. These arguments in combination with the high reproducibility of the characteristic initial class F structure can explain the observed low recombination active area fraction from start to end of crystallization which was smaller 5 % and especially the low variation of 2 % of the electrical active wafer area in between the class F bricks. One can also easily explain the higher recombination active area fraction up to 14 % and the large variation of 10 % between the class G bricks due to the obtained grain structure data. These differences in the recombination active area fractions are reflected in the solar cell efficiency which is 0.4 % higher for the class F bricks compared to the class G bricks. In consideration of the above mentioned reasons it is not beneficial for the industrial ingot production technology to increase the ingot height further, due to the fact that the advanta-geous initial grain structure properties of class F bricks disappear with increasing crystal height.:Abstract 1. Einleitung 1.1 Photovoltaik 1.2 Stand der Technik 1.2.1 Blockerstarrung von multikristallinem Silizium 1.2.2 Kornorientierungsbestimmung 1.3 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 2. Grundlagen 2.1 Silizium 2.1.1 Elektrische Eigenschaften 2.1.2 Oberflächenenergien des Siliziums 2.2 Kristalldefekte in multikristallinem Silizium 2.2.1 Versetzungen 2.2.2 Korngrenzen 2.2.3 Wechselwirkung zwischen Versetzungen und Korngrenzen 3. Mess- und Auswertemethodik 3.1 Detektion der Körner 3.1.1 Aufbau und Funktionsweise 3.1.2 Definition der Kenngrößen 3.1.3 Fehlerbetrachtung 3.2 Detektion der Kornorientierungen und Korngrenztypen 3.2.1 Theoretische Betrachtung 3.2.2 Aufbau und Funktionsweise 3.2.3 Definition der Kenngrößen 3.2.4 Fehlerbetrachtung 3.3 Detektion der Ätzgrubendichte 3.3.1 Aufbau und Funktionsweise 3.3.2 Definition der Kenngrößen 3.3.3 Fehlerbetrachtung 3.4 Detektion des rekombinationsaktiven Flächenanteils 3.4.1 Aufbau und Funktionsweise 3.4.2 Definition der Kenngrößen 3.4.3 Fehlerbetrachtung 3.5 Korrelation der rekombinationsaktiven Kristalldefekte mit der Kornorientierung 4. Probeninformation 5. Ergebnisteil 5.1 Korngrößenverteilung 5.1.1 Säulenklassifizierung 5.1.2 Klasse F Säulen 5.1.3 Klasse G Säulen 5.2 Kornorientierungsverteilung 5.2.1 Klasse F Säulen 5.2.2 Klasse G Säulen 5.3 Korngrenztypverteilung 5.3.1 Klasse F Säulen 5.3.2 Klasse G Säulen 5.4 Ätzgrubendichte 5.4.1 Klasse F Säulen 5.4.2 Klasse G Säulen 5.5 Rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.5.1 Klasse F Säulen 5.5.2 Klasse G Säulen 5.6 Korrelation der Ergebnisse 5.6.1 Mittlere Korngröße und Variationskoeffizient vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.2 Korngrenztyplängenanteil vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.3 Kornorientierung vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 5.6.4 Ätzgrubendichte vs. rekombinationsaktiver Flächenanteil 6. Diskussion der Ergebnisse 6.1 Einfluss des Kristallzüchtungsprozesses auf die Korngrößen-, die Kornorientierungs- und Korngrenztypverteilung 6.2 Einfluss der Kornstruktur auf den elektrisch aktiven Defektanteil 6.3 Einfluss der Kornorientierung auf den elektrisch aktiven Defektanteil 6.4 Einfluss der Kornstruktur auf die elektrische Aktivierung von Versetzungsclustern 6.5 Einfluss der Verunreinigungen auf die Solarzelleneffizienz 7. Zusammenfassung und Ausblick Verwendete Abkürzungen und Symbole Literaturverzeichnis Veröffentlichungen Betreute studentische Arbeiten Danksagung