Peningkatan Pasifasi Si dan Efisiensi Sel Surya PERC dengan Lapisan Atom yang Diendapkan Aluminium Oksida dengan Dua Langkah Post Annealing
Abstrak
Dalam penelitian ini, aluminium oksida (Al2 O3 ) film dibuat dengan deposisi lapisan atom spasial menggunakan air deionisasi dan trimetiluminium, diikuti oleh oksigen (O2 ), membentuk gas (FG), atau anil dua langkah. Masa pakai pembawa minoritas dari sampel diukur dengan Sinton WCT-120. Pasifasi efek medan dan pasivasi kimia dievaluasi dengan muatan oksida tetap (Qf ) dan kepadatan cacat antarmuka (Ditu ), masing-masing, menggunakan pengukuran kapasitansi-tegangan. Hasilnya menunjukkan bahwa O2 anil memberikan Q high yang tinggi f dari 3,9 × 10
12
cm
−2
, sedangkan anil FG menghasilkan hidrogenasi antarmuka Si yang sangat baik dengan D . yang rendah itu dari 3,7 × 10
11
eV
−1
cm
−2
. Berdasarkan pertimbangan pasivasi efek medan terbaik yang dibawa oleh anil oksigen dan pasivasi kimia terbaik yang dibawa oleh gas pembentuk, proses anil dua langkah dioptimalkan. Telah diverifikasi bahwa Al2 O3 film yang dianil secara berurutan dalam oksigen dan kemudian dalam membentuk gas menunjukkan Q . yang tinggi f (2,4 × 10
12
cm
−2
) dan D . rendah itu (3.1 × 10
11
eV
−1
cm
−2
), menghasilkan masa pakai pembawa minoritas terbaik 1097 μs. SiNx /Al2 O3 tumpukan pasif dengan anil dua langkah memiliki masa pakai 2072 μs, mendekati batas masa pakai intrinsik. Terakhir, efisiensi konversi emitor pasif dan sel belakang ditingkatkan dari 21,61% dengan menggunakan proses anil industri menjadi 21,97% dengan menggunakan proses anil dua langkah.
Pengantar
Emitter pasif dan sel belakang (PERCs) telah muncul sebagai teknologi yang menjanjikan untuk efisiensi tinggi dan biaya yang kompetitif dalam beberapa tahun terakhir. Perbedaan terbesar antara PERC dan sel surya silikon permukaan belakang full-aluminium tradisional adalah pasivasi belakang wafer. Upaya yang cukup besar telah dilakukan untuk meningkatkan pasif permukaan wafer. Masa pakai pembawa minoritas 0,8–8 ms telah dilaporkan untuk wafer zona terapung tipe-p yang dipasifkan oleh vakum [1,2,3,4] atau deposisi lapisan atom spasial (ALD) aluminium oksida (Al2 O3 ) [5,6,7]. Kualitas pasivasi untuk wafer Czochralski tipe-p lebih rendah, dalam kisaran 0,1–2 ms [8, 9]. Spasial ALD Al2 O3 telah dipelajari dan diterapkan secara ekstensif pada industri dalam beberapa tahun terakhir karena laju deposisinya yang lebih tinggi (0,03–1,2 nm/s) dibandingkan dengan ALD tipe vakum konvensional (< 0,03 nm/s) [10, 11]. Trimethylaluminum (TMA) dan H2 O adalah prekursor yang paling banyak digunakan karena merupakan cairan yang mudah menguap dan mudah ditangani. Beberapa kelompok penelitian menggunakan prekursor lain seperti AlCl3 atau O3 [12,13,14]. Al2 O3 saat ini dianggap sebagai bahan pasivasi terbaik karena efek medan dan pasivasi kimianya [15]. Ditemukan bahwa H2 Proses ALD berbasis O sebagian besar mengarah ke oksida silikon (SiOx ) pada lapisan Al2 O3 /Si antarmuka, dan lapisan antarmuka ini dapat muncul setelah deposisi atau anil [16]. Post annealing untuk Al2 O3 film baik dalam nitrogen atau membentuk gas (FG) telah terbukti secara signifikan meningkatkan masa pakai wafer [12, 17]. Hidrogen dalam FG atau Al2 O3 menyebabkan hidrogenasi antarmuka Si selama anil. Suhu anil biasanya di bawah 500 °C, di luar itu terjadi dehidrogenasi. Namun, proses anil lain untuk lebih meningkatkan kualitas pasivasi jarang dilaporkan.
Dalam penelitian ini, Al2 O3 film disiapkan pada Si oleh ALD spasial dengan TMA dan H2 O sebagai prekursor. Efek oksigen (O2 ) dan FG post annealing pada pasivasi wafer Si diselidiki dan dianalisis. Anil dua langkah sebagai kombinasi dari O2 dan anil FG diusulkan dan menunjukkan masa pakai wafer yang lebih tinggi dibandingkan dengan proses anil gas individu. Terakhir, kinerja fotovoltaik PERC yang dibuat dengan standar industri, O2 , FG, dan anil dua langkah disajikan.
Metode
Wafer silikon Czochralski tipe-P (100) dengan resistivitas 1 Ω-cm dan ketebalan 200 μm digunakan sebagai substrat. Wafer dibersihkan menggunakan proses RCA standar, diikuti dengan 30 detik HF dip untuk menghilangkan oksida asli pada wafer. Al2 O3 film tipis dengan ketebalan 18 nm diendapkan menggunakan sistem ALD spasial, dengan H2 O dan TMA masing-masing sebagai sumber oksidan dan aluminium. Kesenjangan antara kepala injeksi gas dan pemegang substrat bergerak adalah sekitar 1 mm. Parameter deposisi rinci dirangkum dalam Tabel 1. Suhu pipa adalah 70 °C untuk mencegah kondensasi prekursor. Beberapa wafer dipasifkan dengan silikon nitrida (SiNx , 120 nm)/Al2 O3 (18 nm) stack, di mana SiNx lapisan diendapkan menggunakan deposisi uap plasma 13,56-MHz yang digabungkan secara induktif pada 120 °C dengan campuran gas amonia (NH3 ) dan tetrametilsilane (TMS). Parameter lain untuk SiNx deposisi tercantum dalam Tabel 2. Oksigen, FG, atau proses anil dua langkah dilakukan pada sampel, dan parameter anil tercantum dalam Tabel 3. Umur sampel diukur dengan Sinton WCT-120. Tegangan kapasitansi (C -V ) pengukuran dilakukan pada sampel logam-oksida-semikonduktor (MOS) dengan meter kapasitor (HP 4284a) pada 1 MHz pada suhu kamar. Untuk fabrikasi MOS, wafer diendapkan dengan Al2 setebal 18 nm. O3 lapisan dan anil. Film aluminium dengan ketebalan 500 nm diuapkan pada kedua sisi sampel sebagai elektroda. Area sampel MOS adalah 1 mm
2
. Gambar penampang sampel diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM). Untuk fabrikasi PERC, skema perangkat ditunjukkan pada Gambar. 1, di mana pasivasi ALD hanya di sisi belakang. Wafer bertekstur menggunakan larutan alkali untuk menghasilkan piramida acak. Emitter dibentuk oleh POCl3 difusi dalam tungku termal tabung standar dengan resistansi lembaran 100 ohm/persegi. A SiNx ketebalan 85 nm diendapkan di sisi depan wafer sebagai lapisan antireflektif dengan deposisi uap plasma yang digabungkan secara induktif (ICPCVD). Bagian belakang wafer dipoles dengan larutan KOH selama 3 menit pada suhu 70 °C. Al2 O3 film dengan ketebalan 18 nm diendapkan menggunakan ALD spasial. Sebuah ICPCVD SiNx dengan ketebalan 120 nm diendapkan pada Al2 O3 . Sampel dianil dengan proses anil yang berbeda. Bukaan lokal belakang dengan diameter 40 μm dan pitch 260 μm dibuat dengan laser scribing 532-nm. Terakhir, kisi-kisi perak dicetak di bagian depan dan aluminium di bagian belakang dielektrik, diikuti dengan pembakaran bersama pada suhu puncak 850 °C. Tegangan rapat arus (J -V ) diukur dengan simulator surya tipe sumber cahaya ganda (Wacom Co., Jepang) menggunakan lampu xenon dan lampu halogen dengan spektrum cahaya simulasi kelas A AM 1.5G yang dikalibrasi.
Skema sel surya PERC dengan SiNx /ALD Al2 O3 pasif belakang
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a menunjukkan masa hidup pembawa minoritas yang bergantung pada tingkat injeksi dari Al2 O3 /Si/Al2 O3 sampel tanpa dan dengan proses anil yang berbeda. Sebelum anil, masa pakai pembawa minoritas rendah di bawah 100 μs di seluruh rentang level injeksi. Masa pakai sangat meningkat setelah proses anil sebagai konsekuensi pasivasi kimia dan pasivasi efek medan yang dibawa oleh Al2 anil O3 . Namun, lifetime value berbeda pada ketiga kondisi annealing ini, di mana oxygen annealing memiliki kurva terendah, FG annealing memiliki intermediate, dan two-step annealing memiliki kurva tertinggi. Nilai masa pakai pada tingkat injeksi 3 × 10
15
cm
−3
diekstraksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. O2 -, FG-, dan sampel anil dua langkah memiliki masa hidup masing-masing 818, 934, dan 1098 μs. Perhatikan bahwa anil dua langkah dapat memperoleh masa pakai tertinggi hanya dengan urutan anil langkah pertama di O2 dan langkah kedua di FG. Urutan terbalik menghasilkan seumur hidup yang serupa dengan sampel dengan O2 anil sendirian. Ini mungkin karena jika FG annealing dilakukan terlebih dahulu, berikut O2 anil dapat menyebabkan dehidrogenasi. Niwano dkk. melaporkan bahwa untuk wafer yang diakhiri oleh Si–H atau Si–H2 ikatan, paparan oksigen menghasilkan penggantian ikatan hidrogen dengan ikatan Si–O [18].
a Masa pakai pembawa minoritas yang bergantung pada tingkat injeksi. b Seumur hidup pada tingkat injeksi 3 × 10
15
cm
−3
untuk Al2 O3 /Si/Al2 O3 sampel dengan O2 , FG, dan anil dua langkah
Karena pasivasi keseluruhan diatur oleh efek medan dan pasivasi kimiawi, C -V pengukuran sangat membantu untuk memperjelas pasif mana yang mendominasi dalam kasus O2 , FG, dan anil dua langkah. Gambar 3a menunjukkan C . yang dinormalisasi -V kurva untuk sampel tanpa dan dengan proses anil yang berbeda. Besarnya kemiringan kurva di daerah deplesi dapat digunakan sebagai indikator kepadatan cacat antarmuka (Ditu ), karena keberadaan jebakan antarmuka menyebabkan C -V peregangan kurva [19]. Anil dua langkah memberikan kemiringan terbesar di antara yang lain, dan dengan demikian D . terendah itu diharapkan. Untuk mendapatkan informasi lebih lanjut, nilai kerapatan muatan oksida tetap (Qf ) dan Ditu diekstraksi dari C -V kurva seperti yang diplot pada Gambar. 3b. Qf berguna untuk mengevaluasi pasivasi efek medan dan dihitung dengan [20]
a Normalisasi C -V kurva. bAitu dan Qf untuk sampel dengan O2 , FG, dan anil dua langkah
dimana Csapi adalah akumulasi kapasitansi oksida, Wmd adalah perbedaan fungsi kerja antara semikonduktor dan elektroda (dalam hal ini 0.9 V), Vfb adalah tegangan pita datar, q adalah muatan elektron, dan A adalah area perangkat MOS. Qf adalah − 3,2 × 10
−11
cm
−2
untuk sampel yang diendapkan. Tf pada tingkat ini menyebabkan pasif efek medan yang lemah [21]. Semua sampel yang dianil meningkatkan Qf ke level 10
12
cm
−2
. Terlihat bahwa O2 anil memberikan Q highest tertinggi f dari 3,9 × 10
12
cm
−2
, anil dua langkah memberikan Q intermediate perantara f , dan anil FG memberikan Q . terendah f . Di sisi lain, Ditu nilai yang diperkirakan dengan metode Terman [22] juga ditunjukkan untuk mengevaluasi pasivasi kimia. Sampel yang disimpan memiliki Ditu lebih dari 10
13
eV
−1
cm
−2
. Ini berkurang menjadi 5,4 × 10
11
eV
−1
cm
−2
untuk O2 anil, 3,7 × 10
11
eV
−1
cm
−2
untuk anil FG, dan 3,1 × 10
11
eV
−1
cm
−2
untuk dua langkah anil. Jadi, dengan membandingkan O2 dan anil FG, ditemukan bahwa O2 annealing memiliki pasivasi efek medan yang lebih baik, sedangkan FG memiliki pasivasi kimia yang lebih baik. Yang pertama mungkin terkait dengan antarmuka SiOx pertumbuhan. Tidak seperti anil FG yang dilakukan pada suhu yang relatif rendah dan dengan kekurangan oksigen, O2 anil diharapkan memiliki SiOx yang lebih baik pertumbuhan lapisan antarmuka. Hal ini dapat meningkatkan kemungkinan substitusi Al untuk Si pada Al2 O3 /SiO2 antarmuka, yang dianggap sebagai salah satu kemungkinan asal muatan tetap negatif [23]. Mempertimbangkan anil dua langkah, Q intermediate perantara f masuk akal sebagai kombinasi dari O2 dan anil FG. Namun, itu Ditu nilainya lebih rendah dari pada FG annealing. Hal ini dijelaskan oleh kontribusi tambahan oleh kualitas yang lebih tinggi dari lapisan oksida antarmuka karena langkah pertama O2 anil. Beberapa penelitian juga melaporkan bahwa SiO yang lebih padatx menghasilkan pasivasi yang lebih baik [24]. D . yang lebih rendah itu dalam sampel anil dua langkah juga dapat dikaitkan dengan peningkatan hidrogenasi permukaan silikon yang disebabkan oleh hidrogen dalam Al2 O3 film.
Gambar 4 menunjukkan gambar penampang TEM sampel tanpa dan dengan proses anil yang berbeda. Sebelum anil, sebuah SiOx lapisan antarmuka antara Si dan Al2 O3 diamati meskipun antarmuka tidak jelas. Ini mungkin karena H2 O digunakan dalam siklus ALD babak pertama. Untuk O2 anil, ketebalan lapisan antarmuka meningkat menjadi 5,6 nm, karena anil pada suhu tinggi (600 °C) dan di lingkungan oksigen. Telah dilaporkan bahwa oksigen memiliki koefisien difusi yang sangat kecil di Al2 O3 (~ 10
−38
cm
−1
pada 600 °C) [25], dan dengan demikian, oksigen tidak mungkin berdifusi melalui Al2 O3 lapisan untuk mencapai antarmuka Si. Sebagai gantinya, oksigen ambien bertukar dengan oksigen di Al2 O3 , menciptakan oksigen bergerak yang dapat mengulangi proses pertukaran di Al2 . yang lebih dalam O3 daerah sampai oksigen mencapai antarmuka Si [26]. Sampel yang dianil dalam FG menunjukkan antarmuka yang lebih jelas dengan SiO yang sangat tipisx lapisan antarmuka 1,4 nm, yang mirip dengan kelompok penelitian lain yang melakukan proses anil di N2 atau FG [16]. Ini membuktikan bahwa anil FG membatasi pertumbuhan lapisan antarmuka. Anil dua langkah menunjukkan SiO antarax ketebalan lapisan antarmuka sekitar 4 nm, sebagai konsekuensi dari pengurangan waktu O2 anil.
Gambar TEM penampang untuk sampel a tanpa anil dan dengan b O2 , c FG, dan d anil dua langkah
Gambar 5a menunjukkan masa pakai pembawa minoritas yang bergantung pada tingkat injeksi dari SiNx /Al2 O3 -wafer pasif tanpa dan dengan proses anil yang berbeda. Masa pakai pada tingkat injeksi 3 × 10
15
cm
−3
adalah 1569, 1579, dan 2072 untuk O2 , FG, dan anil dua langkah, masing-masing. Penyempurnaan tersebut terkait dengan kandungan kimia plasma SiNx film mungkin mengandung sejumlah hidrogen tergantung pada parameter proses pengendapan. Selama proses anil, beberapa hidrogen akan bergerak menuju antarmuka Si, dan ini meningkatkan hidrogenasi antarmuka Si [27]. Seperti yang dilaporkan dalam literatur [6, 28,29,30], masa pakai SiNx /Al2 O3 -wafer CZ tipe-p pasif berada dalam kisaran 0,1–2 ms. Suhu optimal post-deposition annealing baik dalam nitrogen maupun FG adalah sekitar 400–500 °C. Dalam karya ini, SiNx /Al2 O3 -passivated CZ wafer anil di FG menunjukkan masa pakai 1579 μs dan suhu anil optimal 450 °C, yang sesuai dengan nilai yang dilaporkan. Namun, suhu optimal ini dibatasi oleh hidrogenasi antarmuka silikon. Dari sudut pandang lapisan antarmuka silikon oksida, lapisan ini mungkin memiliki suhu optimal yang berbeda karena suhu tinggi umumnya meningkatkan kualitas film silikon oksida. Dengan demikian, anil dua langkah dapat mengoptimalkan kualitas oksida antarmuka dan hidrogenasi antarmuka silikon, dan menghasilkan masa pakai 2072 μs yang lebih tinggi dibandingkan dengan kasus pembentukan anil satu langkah gas. Untuk menyelidiki reproduktifitas, 50 sampel dengan anil dua langkah disiapkan, dan masa pakai pembawa minoritas ditunjukkan pada Gambar. 5b. Sampel memiliki nilai seumur hidup berkisar antara 1939 dan 2224 μs. Nilai rata-rata adalah 2075 μs, dan kesalahannya berada dalam ± 7%. Batas umur intrinsik wafer yang digunakan dalam penelitian ini adalah sekitar 2300 μs, dihitung dengan menggunakan parameterisasi Richter [31]. Dengan demikian, anil dua langkah menghasilkan seumur hidup yang mendekati batasan seumur hidup dan menunjukkan pasivasi antarmuka yang sangat baik. Untuk ALD lainnya, lapisan antarmuka oksida silikon antara Al2 O3 /Si juga ditemukan, dan anil dua langkah harus dapat meningkatkan kualitas pasivasi wafer Si. AlOx /SiNx diperlukan karena silikon nitrida tidak hanya meningkatkan pasivasi tetapi juga meningkatkan pantulan belakang dan melindungi AlOx dari proses cofiring suhu tinggi untuk fabrikasi PERC.
a Masa pakai pembawa minoritas yang bergantung pada tingkat injeksi dari SiNx /Al2 O3 -sampel pasif dengan O2 , FG, dan anil dua langkah. b Seumur hidup pada tingkat injeksi 3 × 10
15
cm
−3
untuk 50 sampel dengan anil dua langkah
Gambar 6 menunjukkan tegangan sirkuit terbuka tersirat (Voc) untuk SiNx /Al2 O3 -sampel pasif dengan proses anil yang berbeda. Untuk wafer tipe-p dan panjang difusi yang panjang, V . tersirat ok dapat ditulis sebagai
$$ \mathrm{tersirat}\ {V}_{\mathrm{oc}}=\frac{kT}{q}\ln \left(\frac{\Delta n\ \left({N}_A+\Delta n \right)}{{n_i}^2}\right) $$ (2)
Tersirat Vok dari SiNx /Al2 O3 -sampel pasif dengan O2 , FG, dan anil dua langkah
dimana k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu mutlak, ni adalah konsentrasi pembawa intrinsik, NA adalah konsentrasi akseptor, dan n adalah konsentrasi pembawa berlebih yang diukur pada intensitas cahaya satu matahari oleh penguji masa pakai WCT-120 Sinton. Dapat dilihat bahwa O2 - dan sampel anil FG memiliki V . tersirat yang serupa ok nilai, yaitu 696 dan 697 mV, masing-masing. Anil dua langkah memiliki implikasi Vok dari 706 mV.
Gambar 7 menunjukkan J -V karakteristik dan parameter fotovoltaik seperti Vok , rapat arus hubung singkat (Jsc ), faktor pengisian (FF), dan efisiensi konversi (η ) dari PERC yang dibuat dengan proses anil yang berbeda. Kinerja PERC industri juga ditampilkan untuk tujuan perbandingan. Industri PERC dibuat dalam kondisi yang sama tetapi tidak ada proses anil tambahan yang digunakan, karena Al2 O3 lapisan dianil selama SiNx pengendapan pada 400 °C. Perhatikan bahwa dalam penelitian ini, selama proses anil, sisi depan ditempatkan ke bawah dan bersentuhan dengan pemegang wafer. SiN depanx lapisan tidak terkena gas anil, dan dengan demikian, pengaruh depan SiNx lapisan mungkin tidak signifikan. PERC industri menunjukkan V . terendah ok 665.4 mV antara lain. Ini dapat dikaitkan dengan masa pakai wafer yang lebih rendah yaitu 797 pada tingkat injeksi 3 × 10
15
cm
−3
. Vok nilai meningkat menjadi 671.3 mV untuk O2 anil dan 672,3 mV untuk anil FG. Anil dua langkah semakin meningkatkan Vok hingga 675,5 mV, yang merupakan peningkatan sekitar 0,6% dibandingkan dengan anil satu langkah, atau 1,5% dibandingkan dengan anil industri. Tidak ada banyak perbedaan dalam Jsc dan FF antara PERC. Anil dua langkah menunjukkan efisiensi konversi terbaik sebesar 21,97%, yang 0,36% abs lebih tinggi dari PERC industri. Akhirnya, lima PERC dibuat untuk setiap proses anil. Nilai rata-rata dan rentang distribusi Vok dan FF masing-masing ditunjukkan pada Gambar 8a dan b. PERC dengan pertunjukan anil dua langkah Vok sebesar 675–677,5 mV dengan nilai rata-rata 676 mV, dan FF sebesar 0,813–0,819 dengan nilai rata-rata 0,816.
Kurva kerapatan-tegangan arus dan kinerja fotovoltaik PERC dengan fabrikasi standar industri, O2 anil, anil FG, dan anil dua langkah
Nilai rata-rata dan rentang distribusi aVok dan b FF untuk PERC dengan proses annealing yang berbeda
Kesimpulan
Al2 O3 film disiapkan menggunakan deposisi lapisan atom, diikuti oleh O2 , FG, atau anil dua langkah. Membandingkan O2 anil dengan anil FG, yang pertama menghasilkan SiO yang lebih tebalx lapisan antarmuka dan Q . yang lebih tinggi f kepadatan 3,9 × 10
12
cm
−2
, menunjukkan pasif efek medan yang unggul. Anil FG menunjukkan bagian bawah Ditu dari 3,7 × 10
11
eV
−1
cm
−2
dihasilkan dari hidrogenasi antarmuka Si. Anil dua langkah menggabungkan keuntungan dari dua proses anil ini dan memiliki Q perantara f dan D lowest terendah itu dari 3,1 × 10
11
eV
−1
cm
2
. SiNx /Al2 O3 -sampel pasif dengan anil dua langkah menunjukkan masa pakai pembawa minoritas 2072 μs, mendekati batas masa pakai intrinsik. Untuk PERC yang dibuat dengan anil dua langkah, Vok 675,5 mV dan efisiensi konversi 21,97% dapat diperoleh, yang masing-masing memiliki peningkatan 10 mV dan 0,36%abs dibandingkan dengan PERC industri.
