Peningkatan Performa Sel Surya PERC: Al₂O₃ Deposit ALD dengan Pengerahan Dua Tahap yang Dioptimalkan untuk Passivasi Si yang Unggul
Abstrak
Dalam penelitian ini, film aluminium oksida (Al2O3) disiapkan melalui depositasi lapis atom spasial menggunakan air deionis dan trimetilaluminium, diikuti oleh oksigen (O2), gas pembentuk (FG), atau pengerahan dua tahap. Umur minoritas pembawa sinyal sampel diukur menggunakan Sinton WCT-120. Passivasi medan dan passivasi kimia dievaluasi dengan muatan oksida tetap (Qf) dan densitas defek antarmuka (Dit), masing-masing, menggunakan pengukuran kapasitansi-tegangan. Hasilnya menunjukkan bahwa pengerahan O2 memberikan Qf tinggi sebesar −3,9 × 1012 cm−2, sedangkan pengerahan FG menghasilkan hidrogenasi antarmuka Si yang sangat baik dengan Dit rendah sebesar 3,7 × 1011 eV−1 cm−2. Berdasarkan pertimbangan passivasi medan terbaik yang dihasilkan pengerahan oksigen dan passivasi kimia terbaik yang dihasilkan gas pembentuk, proses pengerahan dua tahap dioptimalkan. Terverifikasi bahwa film Al2O3 yang dipengerah berurutan dalam oksigen dan kemudian dalam gas pembentuk menunjukkan Qf tinggi (2,4 × 1012 cm−2) dan Dit rendah (3,1 × 1011 eV−1 cm−2), menghasilkan umur minoritas pembawa sinyal terbaik sebesar 1097 μs. Tumpukan passivasi SiNx/Al2O3 dengan pengerahan dua tahap memiliki umur sebesar 2072 μs, mendekati batas umur intrinsik. Terakhir, efisiensi konversi sel pasokan emitor dan belakang (PERC) ditingkatkan dari 21,61% menggunakan proses pengerahan industri menjadi 21,97% menggunakan proses pengerahan dua tahap.
Pendahuluan
Sel pasokan emitor dan belakang (PERC) telah muncul sebagai teknologi yang menjanjikan untuk efisiensi tinggi dan biaya yang kompetitif selama beberapa tahun terakhir. Perbedaan utama antara PERC dan sel silikon lapangan permukaan aluminium penuh tradisional adalah passivasi sisi belakang wafer. Upaya besar telah dilakukan untuk meningkatkan passivasi permukaan wafer. Umur minoritas pembawa sinyal sebesar 0,8–8 ms telah dilaporkan untuk wafer zona melayang tipe p yang dipassivasi dengan vakum [1,2,3,4] atau aluminium oksida (Al2O3) depositasi lapis atom spasial (ALD) [5,6,7]. Kualitas passivasi untuk wafer Czochralski tipe p lebih rendah, dalam kisaran 0,1–2 ms [8, 9]. Spatial ALD Al2O3 telah banyak dipelajari dan diterapkan di industri dalam beberapa tahun terakhir karena tingkat depositasi yang lebih tinggi (0,03–1,2 nm/s) dibandingkan dengan ALD tipe vakum konvensional (< 0,03 nm/s) [10, 11]. Trimetilaluminium (TMA) dan H2O adalah precursornya yang paling banyak digunakan karena merupakan cairan mudah uap yang murah dan mudah ditangani. Beberapa kelompok penelitian menggunakan precursori lain seperti AlCl3 atau O3 [12,13,14]. Al2O3 saat ini dianggap sebagai bahan passivasi terbaik karena passivasi medan dan kimia [15]. Ditemukan bahwa proses ALD berbasis H2O sebagian besar menyebabkan lapisan silikon oksida (SiOx) di antarmuka Al2O3/Si, dan lapisan antarmuka ini dapat muncul setelah depositasi atau pengerahan [16]. Pengerahan pasca untuk film Al2O3 baik dalam nitrogen atau gas pembentuk (FG) telah terbukti secara signifikan meningkatkan umur wafer [12, 17]. Hidrogen dalam FG atau Al2O3 menyebabkan hidrogenasi antarmuka Si selama pengerahan. Suhu pengerahan biasanya di bawah 500 °C, di luarnya dehidrogenasi terjadi. Namun, proses pengerahan lainnya untuk meningkatkan kualitas passivasi lebih lanjut jarang dilaporkan.
Dalam penelitian ini, film Al2O3 disiapkan pada Si melalui spatial ALD dengan TMA dan H2O sebagai precursori. Pengaruh pengerahan pasca oksigen (O2) dan FG terhadap passivasi wafer Si diteliti dan dianalisis. Pengerahan dua tahap sebagai kombinasi pengerahan O2 dan FG diusulkan dan menunjukkan umur wafer yang lebih tinggi dibandingkan proses pengerahan gas tunggal. Terakhir, performa fotovoltaik PERC yang dibuat dengan standar industri, O2, FG, dan pengerahan dua tahap 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 rendaman HF selama 30 detik untuk menghapus oksida asli pada wafer. Film tipis Al2O3 dengan ketebalan 18 nm di-deposit menggunakan sistem spatial ALD, dengan H2O dan TMA sebagai oksidan dan sumber aluminium, masing-masing. Jarak antara kepala injeksi gas dan pemegang substrat yang dapat bergerak sekitar 1 mm. Parameter depositasi detail disajikan dalam Tabel 1. Suhu pipa adalah 70 °C untuk mencegah kondensasi precursori. Beberapa wafer dipassivasi dengan tumpukan nitrid silikon (SiNx, 120 nm)/Al2O3 (18 nm), di mana lapisan SiNx di-deposit menggunakan depositasi uap terpadu plasma 13,56-MHz pada 120 °C dengan campuran gas amonia (NH3) dan tetrametilsilan (TMS). Parameter lain untuk depositasi SiNx tercantum dalam Tabel 2. Proses pengerahan oksigen, FG, atau dua tahap dilakukan pada sampel, dan parameter pengerahan tercantum dalam Tabel 3. Umur sampel diukur oleh Sinton WCT-120. Pengukuran kapasitansi-tegangan (C-V) dilakukan pada sampel logam-oksida-semikonduktor (MOS) oleh meter kapasitansi (HP 4284a) pada 1 MHz pada suhu ruang. Untuk pembuatan MOS, wafer di-deposit dengan lapisan Al2O3> tebal 18 nm dan dipengerah. Film aluminium dengan ketebalan 500 nm dipenguapkan di kedua sisi sampel sebagai elektroda. Luas sampel MOS adalah 1 mm2. Citra kerintang sampel diperoleh menggunakan mikroskop transmisi elektron (TEM). Untuk pembuatan PERC, skematis perangkat ditunjukkan dalam Gambar 1, di mana passivasi ALD hanya di sisi belakang. Wafer diusapkan menggunakan larutan alkaline untuk menghasilkan piramida acak. Emitor dibentuk oleh difusi POCl3 dalam tabung pemanas standar dengan resistensi lapisan 100 ohm/persegi. Lapisan SiNx tebal 85 nm di-deposit di sisi depan wafer sebagai lapisan antirefleksi oleh depositasi uap terpadu plasma (ICPCVD). Sisi belakang wafer dipoles menggunakan larutan KOH selama 3 menit pada 70 °C. Film Al2O3 tebal 18 nm di-deposit menggunakan spatial ALD. Lapisan ICPCVD SiNx tebal 120 nm di-deposit pada Al2O3. Sampel dipengerah dengan berbagai proses pengerahan. Lubang lokal belakang dengan diameter 40 μm dan jarak titik 260 μm dibuat oleh pencitraan laser 532-nm. Terakhir, kawat perak dicetak layar di depan dan aluminium di dielektrik belakang, diikuti dengan pemanggabungan serentak pada suhu puncak 850 °C. Kurva kepadatan arus-tegangan (J-V) diukur oleh simulasi surya sumber cahaya ganda (Wacom Co., Jepang) menggunakan lampu xenon dan lampu halogen dengan spektrum simulasi AM 1.5G kelas A yang terkalibrasi.
Skematis sel surya PERC dengan passivasi belakang SiNx/ALD Al2O3
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2a menunjukkan umur minoritas pembawa sinyal bergantung pada tingkat injeksi dari sampel Al2O3/Si/Al2O3 tanpa dan dengan berbagai proses pengerahan. Sebelum pengerahan, umur minoritas pembawa sinyal rendah di bawah 100 μs dalam seluruh rentang tingkat injeksi. Umur sangat meningkat setelah proses pengerahan sebagai akibat dari passivasi kimia dan efek medan yang dihasilkan oleh Al2O3 yang dipengerah. Namun, nilai umur berbeda dalam ketiga kondisi pengerahan ini, di mana pengerahan oksigen memiliki kurva terendah, pengerahan FG menengah, dan pengerahan dua tahap tertinggi. Nilai umur pada tingkat injeksi 3 × 1015 cm−3 diekstrak seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b. Sampel yang dipengerah O2, FG, dan dua tahap memiliki umur masing-masing 818, 934, dan 1098 μs. Perlu dicatat bahwa pengerahan dua tahap hanya dapat menghasilkan umur tertinggi dengan urutan pengerahan tahap pertama dalam O2 dan tahap kedua dalam FG. Urutan terbalik menghasilkan umur yang mirip dengan sampel dengan pengerahan O2 saja. Ini mungkin karena jika pengerahan FG dilakukan terlebih dahulu, pengerahan O2 yang berikutnya mungkin menyebabkan dehidrogenasi. Niwano et al. melaporkan bahwa untuk wafer yang diakhiri dengan ikatan Si–H atau Si–H2, paparan oksigen menyebabkan penggantian ikatan hidrogen dengan ikatan Si–O [18].
a Umur minoritas pembawa sinyal bergantung pada tingkat injeksi. b Umur pada tingkat injeksi 3 × 1015 cm−3 untuk sampel Al2O3/Si/Al2O3 dengan pengerahan O2, FG, dan dua tahap
Karena passivasi secara keseluruhan dikendalikan oleh efek medan dan passivasi kimia, pengukuran C-V membantu mempassivasi mana yang mendominasi dalam kasus pengerahan O2, FG, dan dua tahap. Gambar 3a menunjukkan kurva C-V yang dinormalisasi untuk sampel tanpa dan dengan berbagai proses pengerahan. Magnitudo kemiringan kurva di wilayah penyisihan dapat digunakan sebagai indikator densitas defek antarmuka (Dit), karena keberadaan perangkap antarmuka menyebabkan peregangan kurva C-V [19]. Pengerahan dua tahap memberikan kemiringan terbesar di antara yang lain, sehingga diharapkan Dit terendah. Untuk mendapatkan informasi lebih lanjut, nilai densitas muatan oksida tetap (Qf) dan Dit diekstrak dari kurva C-V seperti yang diplot dalam Gambar 3b. Qf membantu untuk mengevaluasi passivasi efek medan dan dihitung oleh [20]
a Kurva C-V yang dinormalisasi. bDit dan Qf untuk sampel dengan pengerahan O2, FG, dan dua tahap
di mana Cox adalah kapasitansi oksida akumulasi, Wms adalah selisih fungsi kerja antara semikonduktor dan elektroda (dalam hal ini −0,9 V), Vfb adalah tegangan pita datar, q adalah muatan elektron, dan A adalah luas perangkat MOS. Qf adalah −3,2 × 10−11 cm−2 untuk sampel asli depositasi. Qf pada tingkat ini menyebabkan passivasi efek medan yang lemah [21]. Semua sampel yang dipengerah meningkatkan Qf ke tingkat 1012 cm−2. Terlihat bahwa pengerahan O2 memberikan Qf tertinggi sebesar 3,9 × 1012 cm−2, pengerahan dua tahap memberikan Qf menengah, dan pengerahan FG memberikan Qf terendah. Di sisi lain, nilai Dit yang diperkirakan dengan metode Terman [22] juga ditampilkan untuk mengevaluasi passivasi kimia. Sampel asli depositasi memiliki Dit lebih dari 1013 eV−1 cm−2. Ini berkurang menjadi 5,4 × 1011 eV−1 cm−2 untuk pengerahan O2, 3,7 × 1011 eV−1 cm−2 untuk pengerahan FG, dan 3,1 × 1011 eV−1 cm−2 untuk pengerahan dua tahap. Dengan demikian, dengan membandingkan pengerahan O2 dan FG, ditemukan bahwa pengerahan O2 memiliki passivasi efek medan yang lebih baik, sedangkan FG memiliki passivasi kimia yang lebih baik. Yang pertama mungkin terkait dengan pertumbuhan lapisan SiOx antarmuka. Berbeda dengan pengerahan FG yang dilakukan pada suhu relatif rendah dan tanpa oksigen, pengerahan O2 diharapkan memiliki pertumbuhan lapisan antarmuka SiOx yang ditingkatkan. Ini dapat meningkatkan kemungkinan substitusi Al untuk Si di antarmuka Al2O3/SiO2, yang dianggap sebagai salah satu asal muasal muatan tetap negatif [23]. Mempertimbangkan pengerahan dua tahap, Qf menengah wajar sebagai kombinasi pengerahan O2 dan FG. Namun, nilai Dit lebih rendah dibandingkan pengerahan FG. Hal ini dijelaskan oleh kontribusi tambahan dari kualitas lapisan oksida antarmuka yang lebih baik akibat pengerahan O2 tahap pertama. Beberapa studi juga melaporkan bahwa SiOx yang lebih padat menghasilkan passivasi yang lebih baik [24]. Dit yang lebih rendah pada sampel pengerahan dua tahap juga dapat dikaitkan dengan peningkatan hidrogenasi permukaan silikon yang diinduksi oleh hidrogen dalam film Al2O3.
Gambar 4 menunjukkan citra TEM kerintang sampel tanpa dan dengan berbagai proses pengerahan. Sebelum pengerahan, lapisan antarmuka SiOx antara Si dan Al2O3 diamati meskipun antarmuka tidak jelas. Ini mungkin karena H2O digunakan pada siklus ALD pertama. Untuk pengerahan O2, ketebalan lapisan antarmuka meningkat menjadi 5,6 nm, karena pengerahan pada suhu tinggi (600 °C) dan dalam lingkungan oksigen. Telah dilaporkan bahwa oksigen memiliki koefisien difusi yang sangat kecil dalam Al2O3 (~10−38 cm−1 pada 600 °C) [25], dan dengan demikian, tidak mungkin untuk oksigen difusi melalui lapisan Al2O3 untuk mencapai antarmuka Si. Sebaliknya, oksigen lingkungan bertukar dengan oksigen dalam Al2O3, menciptakan oksigen seluler yang dapat mengulangi proses pertukaran di wilayah Al2O3 yang lebih dalam sampai oksigen mencapai antarmuka Si [26]. Sampel yang dipengerah dalam FG menunjukkan antarmuka yang lebih jelas dengan lapisan antarmuka SiOx yang sangat tipis sebesar 1,4 nm, yang mirip dengan kelompok penelitian lain yang melakukan proses pengerahan dalam N2 atau FG [16]. Ini membuktikan bahwa pengerahan FG membatasi pertumbuhan lapisan antarmuka. Pengerahan dua tahap menunjukkan ketebalan lapisan antarmuka SiOx menengah sekitar 4 nm, sebagai akibat dari waktu pengerahan O2 yang berkurang.
Citra TEM kerintang untuk sampel a tanpa pengerahan dan dengan b O2, c FG, dan d pengerahan dua tahap
Gambar 5a menunjukkan umur minoritas pembawa sinyal bergantung pada tingkat injeksi wafer yang dipassivasi SiNx/Al2O3 tanpa dan dengan berbagai proses pengerahan. Umur pada tingkat injeksi 3 × 1015 cm−3 masing-masing 1569, 1579, dan 2072 μs untuk pengerahan O2, FG, dan dua tahap. Peningkatan terkait dengan fakta bahwa film SiNx yang di-deposit plasma mungkin mengandung jumlah hidrogen tertentu tergantung pada parameter proses depositasi. Selama proses pengerahan, sebagian hidrogen akan bergerak menuju antarmuka Si, dan ini meningkatkan hidrogenasi antarmuka Si [27]. Seperti yang dilaporkan dalam literatur [6, 28,29,30], umur wafer CZ tipe p yang dipassivasi SiNx/Al2O3 dalam kisaran 0,1–2 ms. Suhu pengerahan pasca depositasi optimal baik dalam nitrogen atau dalam FG sekitar 400–500 °C. Dalam penelitian ini, wafer CZ yang dipassivasi SiNx/Al2O3 yang dipengerah dalam FG menunjukkan umur 1579 μs dan suhu pengerahan 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 secara umum meningkatkan kualitas film silikon oksida. Dengan demikian, pengerahan dua tahap dapat mengoptimalkan kualitas oksida antarmuka dan hidrogenasi antarmuka silikon, dan menghasilkan umur lebih tinggi sebesar 2072 μs dibandingkan kasus pengerahan tunggal gas pembentuk. Untuk menguji reproduksi, 50 sampel dengan pengerahan dua tahap disiapkan, dan umur minoritas pembawa sinyalnya ditunjukkan dalam Gambar 5b. Sampel memiliki nilai umur antara 1939 dan 2224 μs. Nilai rata-rata adalah 2075 μs, dan kesalahan dalam ±7%. Batas umur intrinsik wafer yang digunakan dalam penelitian ini sekitar 2300 μs, dihitung menggunakan parameterisasi Richter [31]. Dengan demikian, pengerahan dua tahap menghasilkan umur yang mendekati batas umur dan menunjukkan passivasi antarmuka yang sangat baik. Untuk ALD lainnya, lapisan antarmuka silikon oksida antara Al2O3/Si juga ditemukan, dan pengerahan dua tahap seharusnya dapat meningkatkan kualitas passivasi wafer Si. AlOx/SiNx diperlukan karena nitrid silikon tidak hanya meningkatkan passivasi tetapi juga meningkatkan reflektansi belakang dan melindungi AlOx dari proses pemanggabungan suhu tinggi untuk pembuatan PERC.
a Umur minoritas pembawa sinyal bergantung pada tingkat injeksi sampel yang dipassivasi SiNx/Al2O3 dengan pengerahan O2, FG, dan dua tahap. b Umur pada tingkat injeksi 3 × 1015 cm−3 untuk 50 sampel dengan pengerahan dua tahap
Gambar 6 menunjukkan tegangan sirkuit terbuka yang disiratkan (Voc) untuk sampel yang dipassivasi SiNx/Al2O3 dengan berbagai proses pengerahan. Untuk wafer tipe p dan panjang difusi panjang, Voc yang disiratkan dapat dituliskan sebagai
Voc yang disiratkan sampel yang dipassivasi SiNx/Al2O3 dengan pengerahan O2, FG, dan dua tahap
di mana k adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu absolut, ni adalah konsentrasi pembawa intrinsik, NA adalah konsentrasi aseptor, dan ∆n adalah konsentrasi pembawa berlebih yang diukur pada intensitas cahaya satu matahari oleh penguji umur Sinton WCT-120. Terlihat bahwa sampel yang dipengerah O2 dan FG memiliki nilai Voc yang disiratkan yang mirip, yaitu 696 dan 697 mV, masing-masing. Pengerahan dua tahap memiliki Voc yang disiratkan sebesar 706 mV.
Gambar 7 menunjukkan karakteristik J-V dan parameter fotovoltaik seperti Voc, kepadatan arus singkat (Jsc), faktor isi (FF), dan efisiensi konversi (η) dari PERC yang dibuat dengan berbagai proses pengerahan. Performa PERC industri juga ditampilkan untuk tujuan perbandingan. PERC industri dibuat dalam kondisi yang sama tetapi tidak ada proses pengerahan tambahan yang digunakan, karena lapisan Al2O3 dipengerah selama depositasi SiNx pada 400 °C. Perlu dicatat bahwa dalam penelitian ini, selama proses pengerahan, sisi depan diletakan menghadap ke bawah dan bersentuhan dengan pemegang wafer. Lapisan SiNx depan tidak terpapar gas pengerahan, dan dengan demikian, pengaruh lapisan SiNx depan mungkin tidak signifikan. PERC industri menunjukkan Voc terendah sebesar 665,4 mV di antara yang lain. Hal ini dapat dikaitkan dengan umur wafer yang lebih rendah sebesar 797 μs pada tingkat injeksi 3 × 1015 cm−3. Nilai Voc meningkat menjadi 671,3 mV untuk pengerahan O2 dan 672,3 mV untuk pengerahan FG. Pengerahan dua tahap lebih meningkatkan Voc menjadi 675,5 mV, yang merupakan peningkatan sekitar 0,6% dibandingkan pengerahan satu tahap, atau 1,5% dibandingkan industri. Tidak ada perbedaan besar dalam Jsc dan FF antara PERC. Pengerahan dua tahap menunjukkan efisiensi konversi terbaik sebesar 21,97%, yang 0,36%abs lebih tinggi dari PERC industri. Terakhir, lima PERC dibuat untuk setiap proses pengerahan. Nilai rata-rata dan rentang distribusi Voc dan FF ditunjukkan dalam Gambar 8a dan b, masing-masing. PERC dengan pengerahan dua tahap menunjukkan Voc 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 kepadatan arus-tegangan dan performa fotovoltaik PERC dengan pembuatan standar industri, pengerahan O2, pengerahan FG, dan pengerahan dua tahap
Nilai rata-rata dan rentang distribusi aVoc dan b FF untuk PERC dengan berbagai proses pengerahan
Kesimpulan
Film Al2O3 disiapkan menggunakan depositasi lapis atom, diikuti oleh pengerahan O2, FG, atau dua tahap. Membandingkan pengerahan O2 dengan pengerahan FG, yang pertama menghasilkan lapisan antarmuka SiOx yang lebih tebal dan densitas Qf yang lebih tinggi sebesar −3,9 × 1012 cm−2, menunjukkan passivasi efek medan yang unggul. Pengerahan FG menunjukkan Dit lebih rendah sebesar 3,7 × 1011 eV−1 cm−2 yang dihasilkan dari hidrogenasi antarmuka Si. Pengerahan dua tahap menggabungkan keuntungan dari kedua proses pengerahan ini dan memiliki Qf menengah dan Dit terendah sebesar 3,1 × 1011 eV−1 cm2. Sampel yang dipassivasi SiNx/Al2O3 dengan pengerahan dua tahap menunjukkan umur minoritas pembawa sinyal sebesar 2072 μs, mendekati batas umur intrinsik. Untuk PERC yang dibuat dengan pengerahan dua tahap, Voc sebesar 675,5 mV dan efisiensi konversi sebesar 21,97% dapat diperoleh, yang masing-masing memiliki peningkatan 10 mV dan 0,36%abs dibandingkan PERC industri.
