Authors:	Karches, Barbara Jutta Maria
Title:	Charakterisierung von multikristallinem Solarsilicium mittels Anwendungen der Neutronenaktivierungsanalyse
Online publication date:	6-Jun-2016
Year of first publication:	2016
Language:	german
Abstract:	This work presents a part of the so called "Solarproject" of University of Mainz and Fraunhofer Institute of Solar Energy Systems (ISE). The main topic of this project is to optimize manufactoring methods of silicon for photovoltaic, to produce cheaper silicon by constant efficiency of the solar cell. This efficiency is directly linked to the concentration of impurities and dopants in the semiconductor. Impurities like the 3d-transition metals have negative effects on the efficiency, whereas dopants like boron (p-type) and phosphorus (n-type) are necessary for the p-n-junction in the solar cell. At Fraunhofer ISE the directional solidification is used and investigated as a part of the production process of solar silicon. This method has the advantage, that the 3d-transition metals accumulate in the liquid stage during solidification and the dopants can be added additionaly. Unfortunately there is also a diffusion of the impurities from the crucible system and the top of the ingot into the silicon during solidification and cooling. Due to that a precise analysis of the distribution of 3d-transition metals and dopants is necessary to improve the manufacturing method. Since the instrumental neutron activation analysis (INAA) is well established in the detection of trace elements, it was chosen for the analysis of the 3d-transition metals. The aim of these analysis was to determine the distribution of especially cobalt, iron, chromiun and nickel in the silicon ingot at sub ppb-level. With altogether three long-time irradiations at the high-flux reactors BR2 in Mol and FRM-II in Munich concentration profiles in the horizontal and vertical cuts of four silicon ingots could be analysed. The determination of iron and chromium was possible in several samples, while cobalt could be detected in all samples. A comparison between simulations from Fraunhofer ISE and experiments shows good agreements for the cobalt concentrations. With a dedicated experiment the back diffusion of chromiun into silicon could be investigated. A comprehensive study of the diffusion of 3d-transition metals into silicon during sample preparation and irradiation was performed additionaly. Phosphorus, as a pure beta-emitter, can not be detected by traditionally used gamma-spectroscopy. Therefore, a method for the analysis of phosphorus in silicon had to be developed. A set-up, consisting of a beta- and a gamma-detector was constructed, to measure beta-spectra by beta-gamma-anticoincidence. This method allows the determination of phosphorus instrumentally by supressing beta-particles of other radionuclides. With preliminary tests, carried out at TRIGA Mainz, the limit of detection and the supression of the mainly disturbing elements was investigated. The results show, that this method is suitable for the analysis of phosphorus in solarsilicon. First quantifications of phosphorus in silicon samples from directional solidification were successful and could be verified by data from Fraunhofer ISE. With this two applications of INAA and the PGAA for the boron analysis, it is possible to determine most of the important elements in solarsilicon production. Diese Arbeit bildet einen Teil des "Solarprojekts" der Universität Mainz und des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). Das Hauptziel dieser Kooperation ist es, Aufreinigungs- und Kristallisationsmethoden von Silicium für Photovoltaikanwendungen zu optimieren, um kostengünstigeres Silicium bei gleichbleibender Effizienz zu erhalten. Die Effizienz einer Siliciumsolarzelle hängt zu einem großen Teil von den Verunreinigungen und Dotierstoffen im Halbleiter ab. Besonders die 3d-Übergangsmetalle (3d-ÜM) wirken sich negativ aus, während die Dotierstoffe wie beispielsweise Bor und Phosphor für die Funktion der Solarzelle notwendig sind. Am Fraunhofer ISE wird die Gerichtete Erstarrung zur Aufreinigung von Silicium eingesetzt und weiterentwickelt. Diese Methode bietet den Vorteil, dass sich die 3d-ÜM während der Erstarrung im flüssigen Teil ansammeln und die Dotierstoffe separat zugegeben werden können. Allerdings können während des Prozesses auch Verunreinigungen vom Tiegelsystem und vom oberen Teil des Ingots in das Silicium eindiffundieren. Um dieses Verhalten genauer zu untersuchen, ist eine präzise Analyse der Siliciumingots nötig. Die Instrumentelle Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) wurde aufgrund ihrer niedrigen Nachweisgrenzen für die Untersuchung der 3d-ÜM ausgewählt. Das Ziel dieser Analysen war es, die Verteilungen insbesondere von Cobalt, Eisen, Chrom und Nickel im Siliciumingot zu erhalten. Mit insgesamt drei Langzeitbestrahlungen an den Hochflussreaktoren BR2 in Mol und FRM-II in München konnten horizontale und vertikale Konzentrationsprofile in vier Siliciumingots untersucht werden. Die Bestimmung von Cobalt war in allen Proben möglich, während Eisen und Chrom nur in einigen Proben ermittelt werden konnten. Ein Vergleich der horizontalen Cobaltdaten mit Simulationen der Eindiffusion vom Fraunhofer ISE lieferte eine Übereinstimmung. Mit einem dedizierten Experiment konnte die Rückdiffusion von Chrom untersucht werden. Eine umfassende Analyse der Eindringtiefen von 3d-ÜM während der Probenvorbereitung und Bestrahlung wurde zusätzlich durchgeführt. Phosphor kann als reiner beta-Emitter nicht mit der standardmäßig verwendeten gamma-Spektroskopie bestimmt werden. Deshalb wurde ein Detektorsystem, bestehend aus einem gamma- und einem beta-Detektor, konstruiert, um mittels beta-gamma-Antikoinzidenz beta-Spektren aufzunehmen. Diese Methode erlaubt die instrumentelle Messung von Phosphor durch Unterdrückung störender beta-Teilchen anderer Radionuklide. Mit ersten Vorversuchen am TRIGA Mainz wurde die Nachweisgrenze und die Eliminierung von hauptsächlich vorhandenen Elementen im Solarsilicium bestimmt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Messmethode für die Quantifizierung von Phosphor in Solarsilicium geeignet ist. Erste Analysen an Proben aus gerichteter Erstarrung lieferten im Vergleich mit theoretischen Daten vom Fraunhofer ISE sehr gute Übereinstimmungen. Gemeinsam mit der Prompt Gamma Aktivierungsanalyse für die Bestimmung von Bor liefern diese Methoden die Möglichkeit, die wichtigsten Elemente in der Solarsiliciumproduktion rein instrumentell zu bestimmen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4046
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000005121
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	166 S.
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