Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Figure 6.9
Mean grain size as a function of the block height for conventional Bridgman-type
multicrystalline silicon (mc-Si) and the faster crystallised block-cast material from the Freiberg
production facility of Deutsche Solar GmbH. Reduced crystallisation times lead to slightly lower
grain sizes of the Freiberg mc-Si
Because also in modern high-throughput production processes a nearly perfectly planar
solidification front is kept throughout the crystallisation process, grain boundaries show
only weak electrical activities and therefore are generally considered as less important for
solar cell efficiencies.
Crystal dislocations, however, turned out to be the most efficiency-relevant defects
in multicrystalline silicon for solar cells. The dislocation density that is experimentally
accessible by counting micrometer-small etch pits after appropriate chemical etching steps
nearly shows a perfect correlation to the wafer lifetime and diffusion length (Figure 6.10)
that are closely linked to solar cell performance. Dislocations are induced and multiplied
Log dislocation density 
N
d
[cm
−
2
]
Effective lifetime 
τ
[µ
s]
Wafer size
5 
×
5 cm
2
4
6
5
2.0
2.5
3.0
(a)
(b)
Figure 6.10
Topographies of the dislocation density
N
d
(a) and the effective lifetime
τ
eff
(b) of
a typical multicrystalline silicon wafer showing the excellent correlation of both parameters. The
effective lifetime measurements were conducted out without any surface passivation and thus are
limited to less than approximately 3
µ
s by surface recombination processes

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BULK MULTICRYSTALLINE SILICON
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by thermal stress that is originated from temperature non-homogeneities during crystallisa-
tion and cooling of the ingot. The reduction of these temperature variations while keeping
high process speed is therefore considered one of the most important issues for the further
improvement of multicrystalline silicon.
An optimal process scenario for the production of multicrystalline silicon from both
the crystal defect and the productivity point of view starts with a small crystallisation speed
and minimal temperature gradients in order to secure a low-defect density bottom region
of the ingot. After that, crystallisation speed should be largely increased for productivity
reasons while keeping the solidification front planar and thermal gradients within the
solidified silicon low.