Silicon PV Wafers: Mechanical Strength and Correlations with Defects and Stress

Abstract

Nanoindentation was used to measure the mechanical properties of 200mm diameter (100) CZ Si wafers subjected to the initiation and propagation of micro-crack defects. Silicon amorphization and phase changes were observed and accompanied by a monotonic decrease in hardness and elastic modulus, as the nanoindent tip approached the micro-crack shank or point. Identification and profiling of these localized phase transitions was obtained in the vicinity of the micro-cracks using electron back-scattered diffraction (EBSD) and Raman spectroscopy. It was found that the amorphous Si regions extend for about 10 µm at the edges and ahead of a moving crack tip. Wafers from ingots grown at faster growth rates with enhanced thermal gradients and associated point defect/impurity produce large localized stresses in the wafer core, which are capable of changing the path of propagating cracks. FTIR and Raman spectroscopy analysis were used to quantify local stresses due to radial oxygen precipitate variations. The resulting stress modified crack deviates considerably from energetically favorable [110]/(111) directions, following a radial path suggesting a ductile fracture failure mode.

Влияние Текстурирования Поверхности Пластин Кремния Для Солнечных Фотопреобразователей На Их Прочностные Свойства

“…Сказанное выше делает этот метод наиболее достоверным способом определения истинной прочности тонких пластин. В последнее время его часто используют для измерения прочности кремниевых пластин различного размера [19][20][21][22][23][24][25]. Однако при определении напряжений в случае осесимметричного изгиба для тонких пластин возникают трудности при анализе напряженного состояния и расчете величины прочности.…”

“…В [19] подробно рассмотрены различные методы расчета напряжений при изгибе тонких пластин: аналитические [26], численные [20][21][22][23][24][25] и экспериментальные [25,27,28]. Было показано, что формулами линейной теории упругости [26] можно пользоваться только в области крайне малых значений действующей силы и прогиба.…”

Прочность Пластин Монокристаллического Кремния Для Солнечных Элементов

“…Интерес к фотоэлектрическим преобразователям энергии, основным материалом для которых является кремний, не ослабевает уже несколько десятилетий. В последние годы пристальное внимание уделяется монокристаллическому кремнию, полученному кристаллизацией из расплава по методу Чохральского, так как такие высококачественные кристаллы обеспечивают высокий КПД солнечных ячеек (solar cell) [1][2][3][4]. Одной из важнейших проблем при использовании кремния в преобразователях энергии и других приборах электроники является получение достоверных сведений о его прочности.…”

Исследование Прочности Тонких Пластин Кремния В Зависимости От Методов Обработки Их Поверхности При Утонении

“…В таких тонких пластинах проблема механической прочности вызывает повышенный интерес. При оценке прочности плаcтин в качестве способа нагружения обычно используют трех-или четырехточечный одноосный изгиб полосок [1][2][3], биаксиальный (осесимметричный) изгиб [4][5][6], реже индентирование [7] и гидростатическое давление [8]. Расчет прочности проводится либо по формулам классической теории упругости в соответствии со стандартом ASTM C 1161-02c для случая одноосного изгиба или ASTM C 1499-15 для осесимметричного изгиба [2,3], либо методом конечных элементов (finite element method) [1,[4][5][6].…”