Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen zur Koausscheidung von Übergangselementen in kristallinem Silizium

Abstract

Multikristallines Silizium, das bei der Herstellung von Solarzellen Verwendung findet, enthält Atome einer Vielzahl von 3d-Übergangselementen wie beispielsweise Kupfer, Nickel und Eisen. Metallische Verunreinigungen verringern den Wirkungsgrad von Solarzellen auf Siliziumbasis, da metallische Fremdatome die Rekombinationsrate von Elektronen und Löchern erhöhen. Die Stärke des Einflusses der Verunreinigungen hängt dabei nicht nur von der Konzentration sondern auch von der vorliegenden Spezies und ihrer Verteilung ab. Diese Arbeit untersucht mit Methoden der Transmissionselektronenmikroskopie in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie die chemischen und strukturellen Eigenschaften von Ausscheidungen, die sich bei der Koausscheidung von je zwei Übergangselementen (Kupfer und Nickel, Palladium und Nickel) in Silizium bilden. In beiden Systemen bilden sich Ausscheidungen zweier unterschiedlicher Phasen. Diese lassen sich als Lösung einer zusätzlichen Komponente in einem binären Metallsilizid beschreiben, Cu3Si:Ni, NiSi2:Cu und NiSi2:Pd. Die Ausscheidungen weisen dabei dieselben strukturellen Merkmale auf wie Cu3Si- und NiSi2- Teilchen in entweder mit Kupfer oder Nickel allein verunreinigtem Silizium. Die Größe und die Verteilung der Ausscheidungen hängen vom Konzentrationsverhältnis der beiden Verunreinigungen nach der Diffusion ab. Unter kupferreichen Bedingungen nach der Diffusion von Nickel und Kupfer liegen sowohl Cu3Si:Ni- als auch die NiSi2:Cu-Ausscheidungen in als Teilchen mit einem Durchmesser von 20 bis 40 nm vor, die planar in Form von Kolonien angeordnet sind, welche von Versetzungsringen berandet sind. Unter nickelreichen Bedingungen nach der Diffusion von Nickel und Kupfer sowie nach Diffusion von Nickel und Palladium lassen sich hingegen einzelne NiSi2:Cu oder NiSi2:Pd-Ausscheidungen mit einer typischen Größe von 1 µm beobachten, die zum Teil von kleineren kupfer- oder palladiumreichen Teilchen dekoriert sind. Die Beobachtung, dass die Ausscheidungen der NiSi2:Cu-Phase sich unter kupferreichen Bedingungen in gleicher Weise anordnen wie die der Cu3Si:Ni-Phase, ist konsistent mit der Annahme, dass die Kupferatome in der NiSi2-Phase Silizium-Plätze besetzen.