Oxygen complexes in solar silicon

International Energy Agency (IEA) anslår i en fersk rapport at kraftproduksjonen fra solceller har økt med 22 % i 2019, til 720 TWh. Med denne økningen er nå andelen av solenergi av den global kraftproduksjonen nesten 3 %. I 2019 gikk solceller forbi bioenergi og er nå den tredje største fornybare energiteknologien etter vannkraft og pålandsvind. Over 90 % av alle solcelleinstallasjoner er basert på silisiumsolceller, såkalt solsilisium. Forståelse og kontroll av egenskapene til silisium er dermed av stor betydning. Flere tiår med forskning og utvikling har resultert i en teknologi som gir et svært rent materiale, hvor uønskede urenheter i solcellen er på mindre enn 1 atom per 10 000 - 100 000 silisiumatomer. Urenheter med så lav konsentrasjon kan likevel medføre en betydelig degradering av solcellene. En av de vanligste uønskede urenhetene i silisium for solceller er oksygen. Eksperimenter viser at oksygen under bestemte forhold kan forårsake en betydelig degradering av solcellen. I en av studiene ble det påvist at denne degraderingen kan resultere i tap på opptil 20 % av energiproduksjonen. I dette prosjektet har vi undersøkt hvordan oksygen kan påvirke de elektroniske egenskapene til solsilisium. Ved høye temperaturer kan forurensende oksygenatomer begynne å vandre i silisiumkrystallgitteret. Under denne vandringen kan oksygenatomer møtes og binde seg med andre urenheter og / eller strukturelle defekter. Vi setter søkelyset på interaksjonen mellom oksygen og (i) karbon, en annen signifikant urenhet, og (ii) krystallvakanser, den mest grunnleggende strukturelle defekten i krystallen. Vi har oppdaget og karakterisert forbindelser som karbon-dioksygen (C-O2) og tentativt identifisert divakans-dioxygen-forbindelsen (V2-O2) i silisium. Vi har studert forholdene som disse forbindelsene dannes under, så vel som forholdene der de kan elimineres. Våre funn er blitt møtt med interesse fra forsknings- og teknologiverden. Vi tror resultatene vil bidra til en forbedring av teknologi i silisiumbaserte solceller.

The project has resulted in a considerable number of publications in form of presentations at meetings and conferences, and in form of some academic articles. In particular, the results have been made known to the industrial partners at FME SUSOLTECH via presentations at The Norwegian Solar Cell Conference (NSCC) organized by the FME. Among specific scientific results that were pioneered in OxSil one can mention: first tentative identification of V2O2 and evaluation of its electronic properties; first studies of thermal stability of CiO2i and determination of the activation energy for dissociation as 2.55 eV; first comprehensive theoretical study of different reaction paths for Ci and oxygen in solar Si.

The project is aimed at improving our fundamental understanding of silicon as a material in solar cells. The proposal is based on our track record and expertise in silicon accumulated over decades. OxSil will address one of most crucial and fundamental challenges in silicon technology for solar cells. This challenge is related to understanding of electronic properties and interaction kinetics of oxygen-related complexes. Oxygen is the most abundant impurity in solar silicon materials and has a decisive impact on the solar cell performance. In this project we will utilize: our background knowledge in defect engineering; our international collaborations on DFT simulations; silicon from established and well-known suppliers; and state-of-the-art experimental equipment located at MiNaLab, UiO and at our international partners. OxSil is divided into three Work Packages led by Principal Investigators: WP1: Formation and annealing kinetics of On and VOn (B.G. Svensson) WP2: Electronic properties and stability of V2O2 and V2O3 (E. Monakhov) WP3: Complexes of interstitial defects with O2i (A. Galeckas) Within the project we will enroll one 3-year postdoc (starting 01.03.2016) and one PhD student (starting 01.07.2016). OxSil will combine collaborative efforts from researchers at three European Universities: -University of Manchester -Technical University in Dresden -University of Aveiro Specific challenges that will be addressed within the project are the following: - kinetics of On and VOn complexes - electronic levels and kinetics of V2O2 and V2O3 - kinetics of IO2 and CiO2 - electronic levels and kinetics of BiO2