Повышение эффективности PERC-элементов за счет минимизации интерфейсных ловушек обработкой высокоплотным водородом

Аннотация

В данной работе предлагается обработка высокоплотным водородом (HDH) для уменьшения интерфейсных ловушек и повышения эффективности элементов с пассивированным эмиттером и задним контактом (PERC). Водородный газ сжимается под давлением (~70 атм) при относительно низкой температуре (~200 °C) для уменьшения интерфейсных ловушек без изменения любого другого этапа исходного технологического процесса изготовления элемента. Фурье-спектроскопия в инфракрасном диапазоне (FTIR) подтвердила усиление Si–H связей, а масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) — уменьшение ловушек на границе SiN/Si после HDH-обработки. Кроме того, электрические измерения вольт-амперных характеристик проводимости использованы для верификации плотности интерфейсных ловушек (Dit). Параметры плотности тока короткого замыкания (Jsc), последовательного сопротивления (Rs) и коэффициента заполнения (F.F.) анализировались при имитированном освещении 1 кВт/м² глобального спектра AM1.5 для подтверждения роста КПД элемента. Внешняя квантовая эффективность (EQE) также измерялась для подтверждения повышения коэффициента преобразования на разных длинах волн. В заключение предлагается модель, объясняющая экспериментальные результаты до и после обработки.

Введение

Солнечные батареи являются одним из многих возобновляемых источников энергии и считаются наиболее способными заменить традиционное нефтяное сырье. Существует несколько типов солнечных элементов на основе различных материалов: кремний [1–3], перовскиты [4, 5], соединения III–V групп [6, 7]. Среди них кремниевые элементы наиболее распространены благодаря низкой стоимости, высокой стабильности и отличному КПД до 26% [8–10]. Элемент PERC рассматривается как перспективная замена элементам с задним полем (BSF) [11, 12]. В 1983 г. проф. Мартин Грин впервые предложил PERC-элемент в Университете Нового Южного Уэльса (UNSW); идея заключалась в объединении эмиттера и заднего пассивирующего слоя для уменьшения интерфейсных дефектов и повышения КПД. Хотя пассивирующие слои эмиттера и задней поверхности уменьшают интерфейсные дефекты, качество пленки эмиттера или антирефлексирующего покрытия (ARC) влияет на интерфейс [13–15].

По данным предыдущих работ, помимо улучшения качества тонких пленок для снижения интерфейсных ловушек, послеосяжная термическая обработка — еще один метод уменьшения дефектов [16–18]. Обработка формирующим газом (азот 95% + водород 5%) при 400 °C используется для пассивации дефектов водородом и повышения КПД. К сожалению, такая обработка требует температуры ~400 °C, что слишком высоко для гетероструктур с тонким интринсик-слоем (HIT), изготавливаемых при температуре ниже 200 °C.

В данной работе предлагается подходящая HDH-обработка для уменьшения интерфейсных ловушек между пассивирующим слоем эмиттера и n-слоем кремния без необходимости изменять другие элементы технологического процесса. Аналогично предыдущим исследованиям, HDH-обработка пассивирует дефекты водородными ионами. Экспериментальные результаты показывают усиление Si–H связи после HDH-обработки согласно данным FTIR и SIMS. Кроме того, электрические измерения (проводимость, Jsc, Rs, коэффициент заполнения) подтверждают снижение плотности состояний (Dit) и рост КПД элемента. Также предложена модель для иллюстрации влияния HDH-обработки на PERC-элемент.

Экспериментальные методы

Изготовление PERC-элементов

Процесс изготовления PERC представлен ниже. В качестве подложки используется p-типовой czochralskiй кремний толщиной ~150 мкм. Раствор KOH используется для травли поверхности и формирования пирамидальной текстуры. Для образования p-n перехода POCl₃ диффундирует в поверхность, образуя n-слой. Затем пассивирующий слой SiN эмиттера осаждается методом ХПО (CVD) как ARC-слой. После осаждения ARC-слоя раствор HF удаляет задний n-слой. Затем методом АЛД (ALD) осаждается слой Al₂O₃ толщиной 25 нм как заднее пассивирующее покрытие. Поверх него CVD-методом осаждается 95-нм слой SiN. После завершения задней пассивации лазерная аблиция формирует канавки для экранной печати серебряного (Ag) верхнего электрода на ARC-слое, а алюминий (Al) используется для нижнего электрода. Наконец, элемент проходит процесс спекания для обеспечения качественного контакта металл-полупроводник. Структура PERC-элемента показана на рис. 1.

HDH-обработка

HDH-обработка применяется к PERC-элементу. Процесс изображен на рис. 2. Водородный газ подается в реакционную камеру с элементом, сжимается до 70 атм, температура реакции устанавливается 200 °C на 1 час. Затем газ откачивается, завершая обработку.

Материальная характеристика

Спектрометр Bruker VERTEX 70v FTIR использовался для анализа Si–H связей до и после обработки, а ION-TOF TOF-SIMS V — для анализа водородного отношения на интерфейсе SiN/Si.

Электрическая характеристика

Вольт-амперные (I-V) и проводимостно-напряженные (G-V) характеристики измерялись анализатором полупроводников Agilent B1500 и зондовым столом Cascade M150 в темновой коробке в светлых и темных условиях. Параметры эффективности (Jsc, Rs, коэффициент заполнения) извлекались при имитированном освещении 1 кВт/м² глобального спектра AM1.5 при 25 °C. Внешняя квантовая эффективность (EQE) измерялась прибором QEX10 в диапазоне 300–1200 нм.

Результаты и обсуждение

Пассивирующий слой SiN эмиттера с HDH-обработкой и без нее изучался FTIR-спектроскопией. Как показано на рис. 3, оба образца демонстрируют пики N–H растяжения при 3350 см⁻¹ и Si–H растяжения при 2165 см⁻¹ [19–21]. Однако интенсивность пиков обоих типов связей увеличивается после обработки, что свидетельствует о внедрении водорода в слой SiN.

Для подтверждения снижения ловушек на границе SiN/Si использовалась SIMS. На рис. 4 видно, что так как SiN осаждался CVD-методом, интенсивность водорода в этом слое выше, чем в кремнии. После обработки интенсивность водорода в объеме не меняется заметно, но четко возрастает на границе SiN/Si, что указывает на реакцию HDH-обработки именно на этом интерфейсе.

Для дальнейшего подтверждения разницы в Dit между эмиттерным слоем SiN и p-Si подложкой после HDH-обработки (рис. 5) изготавливалась структура Al/SiN/p-Si/Al типа металл-диэлектрик-полупроводник (MIS). Благодаря большому количеству дефектов на границе SiN/p-Si, результаты G-V позволяют извлечь Dit [24]. Уравнение проводимости:

$$ \frac{G_p}{\omega} = \frac{D_{it} \omega \tau_{it}}{1 + \omega^2 \tau_{it}^2} $$ (1)

где ω — угловая частота, τ — время жизни носителей, Gp — частотно-зависимая проводимость. Упрощая уравнение, Dit связана с проводимостью; пик проводимости снижается после обработки, что подтверждает уменьшение интерфейсных ловушек PERC-элемента.

Далее проводятся электрические измерения PERC-элемента в светлых и темных условиях. Смещение применяется к нижнему Al-электоду, верхний заземлен. Диапазон сканирования напряжения: от −1 до 0,75 В. Рис. 6 показывает I-V характеристику в темноте. Ток утечки значительно снижается после HDH-обработки (уменьшение ~0,5 порядка). Кроме того, на правой ветви I-V уменьшается «горб» прямого тока. Также извлекается идеальность диода по уравнению:

$$ I = I_s \left[ \exp\left(\frac{qV}{nkT}\right) - 1 \right] $$ (2)

где Is — насыщения ток, q — заряд электрона, V — приложенное напряжение, n — идеальность, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Когда n близко к 1, прямой ток близок к диффузионному; когда n ≈ 2 — к рекомбинационному [25]. После обработки наклон прямого тока снижается с 1,5 до 1,42, что означает сближение с диффузионным током благодаря уменьшению дефектов.

Для детального анализа параметры эффективности извлекаются при имитированном освещении 1 кВт/м² AM1.5 при 25 °C. После HDH-обработки средний КПД возрастает с 17,3% до 18,2% (рис. 7a). Jsc растет с 37,6 до 38,2 мА (рис. 7b). Rs снижается с 0,712 до 0,487 (рис. 7c). Коэффициент заполнения увеличивается с 70,5 до 73,3 (рис. 7d).

Для подтверждения коэффициента преобразования на разных длинах волн измерялась EQE в диапазоне 300–1200 нм [26, 27]. На рис. 8: до обработки средняя EQE составляет 94% между 400–600 нм, после — 97% в том же диапазоне, что обусловлено подавлением ловушек на границе эмиттерного SiN/Si.

Наконец, предлагается модель объяснения влияния HDH на PERC-элемент. На рис. 9 показана структура эмиттера Ag/SiN/n-Si и связь с ловушками на границе SiN/Si. При генерации электрон-дырочных пар в p-n переходе под действием света электроны движутся к верхнему Ag-электоду. Если на границе SiN/Si есть ловушки, они способствуют рекомбинации электронов с дырками. HDH-обработка внедряет водород под высоким давлением, который связывается с висячими связями на границе SiN/Si, уменьшая ловушки. Следовательно, рекомбинация снижается, ток утечки уменьшается, Jsc и КПД растут.

Заключение

В исследовании успешно предложена HDH-обработка для снижения интерфейсных ловушек и повышения КПД. FTIR-спектр показывает усиление Si–H связей, пик G-V снижается после обработки. Уменьшение ловушек ведет к снижению тока утечки и идеальности. КПД растет, улучшаются Jsc, Rs и коэффициент заполнения. EQE демонстрирует рост на коротких волнах, подтверждая снижение эмиттерных интерфейсных ловушек.

Доступность данных и материалов

Все данные доступны у авторов по разумному запросу.

Аббревиатуры

HDH:

Обработка высокоплотным водородом (High-density hydrogen treatment)

PERC:

Элемент с пассивированным эмиттером и задним контактом (Passivated emitter rear contact cell)

FTIR:

Фурье-спектроскопия в инфракрасном диапазоне (Fourier-transform infrared spectroscopy)

SIMS:

Масс-спектрометрия вторичных ионов (Secondary-ion mass spectrometry)

Dit:

Плотность интерфейсных ловушек (Interface trap density)

Jsc:

Плотность тока короткого замыкания (Short circuit current density)

Rs:

Последовательное сопротивление (Series resistance)

F.F.:

Коэффициент заполнения (Fill factor)

EQE:

Внешняя квантовая эффективность (External quantum efficiency)

BSF:

Заднее поле (Back surface field)

UNSW:

Университет Нового Южного Уэльса (University of New South Wales)

ARC:

Антирефлексирующее покрытие (Anti-reflection coating)

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы (Chemical vapor deposition)

ALD:

Атомно-слойное осаждение (Atomic layer deposition)

MIS:

Структура металл-диэлектрик-полупроводник (Metal-insulator-semiconductor structure)