Development of a sample holder for electrochemical capacitance-voltage dopant profiling in silicon wafers

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Vareiro, Ricardo Miguel Couto Soares
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/48761
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021
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spelling Development of a sample holder for electrochemical capacitance-voltage dopant profiling in silicon wafersCapacitância-tensão ElectroquímicaJunções de TúnelAutoCADTeses de mestrado - 2021Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e EnergiaTese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2021By creating a tandem solar cell, it is theoretically possible to almost double the solar cell’s power conversion efficiency. The current most promising materials for the tandem solar cells are crystalline silicon for the bottom cell and perovskite for the top cell. Perovskite is an ideal material for the top cell, due to its wide, tuneable bandgap and low level of parasitic absorption. To create tandem solar cells, the two sub-cells must be connected through a layer. One such layer is the tunnel junction. The recombination layer generated by the tunnel junction provokes an alignment of the valence and conduction bands of the two sub-cells, allowing the transfer of electrons from one sub-cell to another, with no variation of the energy of the electron. To create the tunnel junction, the doping of the layers must be very high in a very narrow depth, and with different signs, meaning that one cell must be n-type while the other must be p-type. To guarantee a functioning tunnel junction, the doping profile must be carefully controlled and characterized. The dopant profiling can be done through the Electrochemical Capacitance-Voltage (ECV). The ECV technique measures the electrically active charge carriers in the surface of the wafer, alternating the measurements with the etching of the surface, to reach bigger depths. Therefore, the objective of this dissertation is the development of an ECV system, through the use of the AutoCAD® computer-assisted design software. The proposed system design has four main parts: the electrochemical cell, the vacuum chuck, the piston, and the chamber. The electrochemical cell consists of a PTFE reservoir, where an electrolyte will be introduced. This electrolyte permits the measurement and etching of the silicon wafers. The cell has orifices for light, waste and input electrolyte reservoirs, electrical electrodes, pump, and sample contact. The vacuum chuck is used to keep the sample in place during the measurements by the action of vacuum. The piston serves as a holder for the vacuum chuck, so the measurements can be done in the vertical position. Finally, the chamber is used to house all the different reservoirs connected to the electrochemical cell.Devido ao baixo custo da tecnologia fotovoltaica, é necessário aumentar a sua eficiência. Uma maneira de cumprir este objetivo é através da introdução de impurezas nas bolachas de silício que melhoram as suas características elétricas, denominado por dopagem. Através da dopagem das bolachas de silício, a conversão de energia é facilitada, sendo necessário menos energia luminosa para excitar um eletrão. Outra maneira de aumentar a eficiência de células solares, é unir duas células com características diferentes, criando uma célula solar tandem. A criação de células solares tandem aumentou a eficiência de células solares até quase o dobro de uma célula solar com apenas uma junção. Os materiais mais comuns para células solares tandem são silício cristalino para a célula inferior e perovskita para a célula superior. Perovskita é um material ideal para este tipo de utilização devido ao seu hiato de banda variável e a sua baixa absorção parasita. Para criar uma célula tandem é necessária uma camada que liga ambas as sub-células. Um exemplo para esta camada é a junção de efeito túnel. Este tipo de junção cria uma camada de recombinação que provoca o alinhamento das bandas de valência e de condução das sub-células. Este alinhamento permite a transferência de eletrões de uma camada para outra sem variação da energia do eletrão. Para criar as junções de túnel, a dopagem presente nas sub-células tem de ser muito elevada, numa camada muito fina da célula, com símbolos diferentes, ou seja, uma célula tem de ser de tipo N, enquanto a outra tem de ser do tipo P. Para garantir que a dopagem das células permite a formação de uma camada de túnel, a criação de perfis de dopagem das células é recomendada. A criação de perfis de dopagem pode ser feita através da técnica de Capacitância-Tensão Eletroquímica (ECV). A técnica ECV mede os portadores de cargas eletricamente ativas à superfície da bolacha de silício, alternando as medições com a dissolução da superfície da bolacha, de modo serem feitas medições em profundidades maiores. Portanto, esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema ECV, assistido com o programa de desenho assistido por computador AutoCAD. O sistema ECV projetado tem quatro partes principais: a célula eletroquímica, um sistema de vácuo, o pistão e a câmara. A célula eletroquímica consiste num reservatório onde vai ser introduzido um eletrólito. Este eletrólito permite a medição e dissolução das bolachas de silício, sendo que o eletrólito mais comum contém na sua constituição ácido fluorídrico (HF). Este ácido é extremamente nocivo para a saúde humana. Deste modo, a célula é constituída em PTFE. A célula tem orifícios para luz, reservatórios para introdução do eletrólito novo e para retirar o eletrólito usado, para elétrodos elétricos, bomba e contacto com a amostra. O orifício de luz é necessário para amostras de tipo N, devido à necessidade de cargas positivas para a dissolução química. Na técnica de ECV são necessários três elétrodos, um de carbono, um de calomelanos saturados e um de platina. O elétrodo de carbono é utilizado para o controlo da dissolução química e de medição, através de uma corrente DC. O elétrodo de calomelanos saturados é utilizado como referência para o sobrepotencial para a medição. O elétrodo de platina é utilizado para fazer as medições e para diminuir a impedância do eletrólito. Serve também para alternar entre medições e a dissolução química através de uma corrente AC. A bomba tem como objetivo a remoção de bolhas de hidrogénio que se formam durante a dissolução química. O hidrogénio formado provoca uma diminuição na velocidade do desbastamento devido à baixa concentração de eletrólito no local. No contacto para a amostra existe um o-ring que delimita a área de medição da amostra. Para que o o-ring suporte o ataque químico do HF, pode ser constituído de PTFE ou PVC. O sistema de vácuo é utilizado para manter a amostra estável durante as medições, através do efeito de vácuo. O sistema de vácuo foi projetado de modo a ser compatível com amostras de diferentes tamanhos. Para este propósito, o sistema de vácuo contém quatro canais de vácuo os quais podem ser abertos ou fechados de acordo com a necessidade. Para amostras mais pequenas, apenas os canais interiores são abertos, por outro lado, se as amostras são de maior dimensão, os canais mais exteriores podem ser abertos, desde que a amostra suporte estes canais. O pistão serve de suporte para o sistema de vácuo, de modo que as medições sejam feitas na vertical. Consiste em uma haste vertical, suportada por um pé, onde o sistema de vácuo é acoplado. No local onde é colocado o sistema de vácuo, existe uma ranhura para ser colocada uma mola, que tem a função de comprimir o o-ring da célula eletroquímica de forma uniforme e constante ao longo de várias medições. Finalmente, a câmara tem a função de alojar os vários reservatórios que estão ligados à célula eletroquímica. Durante as medições o reservatório de remoção de eletrólito encontra-se fechado com uma válvula e o de introdução encontra-se abertos. É espectável que no fim das medições, o reservatório de introdução é fechado e o de remoção aberto, de modo a remover todo o eletrólito que foi utilizado durante as medições. Este eletrólito foi contaminado através das reações químicas que ocorreram durante a dissolução química que ocorreu durante o procedimento.Lobato, Killian Paulo Kiernan, 1980-Gaspar, Guilherme Manuel Morais,1988-Repositório da Universidade de LisboaVareiro, Ricardo Miguel Couto Soares2021-06-26T12:58:07Z202120202021-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/48761TID:202933334enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:52:10Zoai:repositorio.ul.pt:10451/48761Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:00:31.310047Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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