Passivation Si améliorée et efficacité des cellules solaires PERC par couche atomique d'oxyde d'aluminium déposé avec post-recuit en deux étapes

Introduction

Les cellules émettrices et arrières passivées (PERC) sont devenues une technologie prometteuse à la fois pour un rendement élevé et un coût compétitif ces dernières années. La principale différence entre le PERC et la cellule solaire traditionnelle en silicium à champ de surface arrière entièrement en aluminium est la passivation arrière des plaquettes. Des efforts considérables ont été faits pour améliorer la passivation de la surface des tranches. Des durées de vie des porteurs minoritaires de 0,8 à 8  ms ont été rapportées pour des plaquettes à zone flottante de type p passivées par le vide [1,2,3,4] ou le dépôt spatial par couche atomique (ALD) d'oxyde d'aluminium (Al₂ O₃ ) [5,6,7]. La qualité de passivation des plaquettes Czochralski de type p est inférieure, de l'ordre de 0,1 à 2 µms [8, 9]. ALD spatiale Al₂ O₃ ont été largement étudiés et appliqués à l'industrie ces dernières années en raison de leur taux de dépôt plus élevé (0,03–1,2 nm/s) par rapport à celui d'un ALD conventionnel de type sous vide (< 0,03 nm/s) [10, 11]. Triméthylaluminium (TMA) et H₂ O sont les précurseurs les plus largement utilisés car ils sont liquides peu coûteux et faciles à manipuler. Certains groupes de recherche utilisent d'autres précurseurs tels que AlCl₃ ou O₃ [12,13,14]. Al₂ O₃ est actuellement considéré comme le meilleur matériau de passivation en raison de son effet de champ et de sa passivation chimique [15]. On constate que le H₂ Le procédé ALD à base d'O conduit principalement à un oxyde de silicium (SiO_x ) au niveau de l'Al₂ O₃ /Si, et cette couche interfaciale peut apparaître après dépôt ou recuit [16]. Post-recuit pour Al₂ O₃ Il a été démontré que les films dans l'azote ou dans le gaz de formation (FG) augmentent considérablement la durée de vie des plaquettes [12, 17]. Hydrogène dans FG ou Al₂ O₃ provoquer l'hydrogénation de l'interface Si lors du recuit. La température de recuit est typiquement inférieure à 500°C, au-delà de laquelle la déshydrogénation se produit. Cependant, d'autres procédés de recuit pour améliorer encore la qualité de passivation sont rarement signalés.

Dans cette étude, Al₂ O₃ les films sont préparés sur Si par ALD spatial avec TMA et H₂ O comme précurseurs. Effets de l'oxygène (O₂ ) et le post-recuit FG sur la passivation de plaquettes de Si sont étudiés et analysés. Un recuit en deux étapes en combinaison de O₂ et le recuit FG est proposé et démontre une durée de vie de plaquette plus élevée par rapport au processus de recuit au gaz individuel. Enfin, les performances photovoltaïques des PERC fabriqués avec la norme de l'industrie, O₂ , FG et recuit en deux étapes sont présentés.

Méthodes

Des plaquettes de silicium Czochralski de type P (100) avec une résistivité de 1 Ω-cm et une épaisseur de 200 μm ont été utilisées comme substrats. Les plaquettes ont été nettoyées à l'aide d'un processus RCA standard, suivi d'un plongeon HF de 30 s pour éliminer l'oxyde natif sur les plaquettes. L'Al₂ O₃ des couches minces d'une épaisseur de 18 nm ont été déposées à l'aide d'un système spatial ALD, avec H₂ O et TMA comme oxydant et source d'aluminium, respectivement. L'écart entre les têtes d'injection de gaz et le porte-substrat mobile était d'environ 1 µm. Les paramètres de dépôt détaillés sont résumés dans le tableau 1. La température des tuyaux était de 70 °C pour éviter la condensation des précurseurs. Certaines tranches ont été passivées avec du nitrure de silicium (SiN_x , 120 nm)/Al₂ O₃ (18 nm) pile, où le SiN_x couche a été déposée à l'aide d'un plasma vapeur à couplage inductif de 13,56 MHz à 120°C avec un mélange gazeux d'ammoniac (NH₃ ) et le tétraméthylsilane (TMS). Autres paramètres pour SiN_x Les dépôts sont répertoriés dans le tableau 2. Le processus de recuit à l'oxygène, FG ou en deux étapes a été effectué sur les échantillons et les paramètres de recuit sont répertoriés dans le tableau 3. La durée de vie des échantillons a été mesurée par Sinton WCT-120. La capacité-tension (C -V ) la mesure a été réalisée sur des échantillons de métal-oxyde-semiconducteur (MOS) par un condensateur mètre (HP 4284a) à 1 MHz à température ambiante. Pour la fabrication MOS, les plaquettes ont été déposées avec un Al₂ de 18 nm d'épaisseur O₃ couche et recuit. Des films d'aluminium d'une épaisseur de 500  nm ont été évaporés des deux côtés des échantillons en tant qu'électrodes. La zone des échantillons MOS était de 1 mm ² . Les images en coupe transversale des échantillons ont été obtenues à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET). Pour la fabrication de PERC, un schéma des dispositifs est présenté sur la figure 1, où la passivation ALD est uniquement sur la face arrière. Les plaquettes ont été texturées à l'aide d'une solution alcaline pour générer des pyramides aléatoires. L'émetteur a été formé par POCl₃ diffusion dans un four thermique tubulaire standard avec une résistance carrée de 100 ohms/carré. Un SiN_x d'une épaisseur de 85  nm a été déposé sur la face avant de la plaquette en tant que couche antireflet par dépôt en phase vapeur par plasma à couplage inductif (ICPCVD). La face arrière de la plaquette a été polie par une solution de KOH pendant 3 min à 70 °C. L'Al₂ O₃ des films de 18 nm d'épaisseur ont été déposés en utilisant l'ALD spatiale. Un ICPCVD SiN_x de 120 nm d'épaisseur a été déposé sur Al₂ O₃ . Les échantillons ont été recuits avec différents procédés de recuit. Les ouvertures locales arrière d'un diamètre de 40 µm et d'un pas de 260 µm ont été créées par traçage laser à 532 nm. Enfin, une grille d'argent a été sérigraphiée sur la face avant et de l'aluminium sur le diélectrique arrière, suivie d'une co-cuisson à une température maximale de 850°C. Le courant densité-tension (J -V ) ont été mesurées par un simulateur solaire à double source lumineuse (Wacom Co., Japon) utilisant à la fois une lampe au xénon et une lampe halogène avec un spectre lumineux simulé de classe A AM 1.5G calibré.

Schéma des cellules solaires PERC avec SiN_x /ALD Al₂ O₃ passivation arrière

Résultats et discussion

La figure 2a montre les durées de vie des porteurs minoritaires dépendant du niveau d'injection de l'Al₂ O₃ /Si/Al₂ O₃ échantillons sans et avec différents procédés de recuit. Avant recuit, la durée de vie des porteurs minoritaires est faible, inférieure à 100 µs sur toute la plage de niveaux d'injection. La durée de vie s'améliore considérablement après le processus de recuit en raison de la passivation chimique et de la passivation à effet de champ apportée par l'Al recuit₂ O₃ . Cependant, les valeurs de durée de vie sont différentes dans ces trois conditions de recuit, dans lesquelles le recuit à l'oxygène a la courbe la plus basse, le recuit FG a l'intermédiaire et le recuit en deux étapes a la plus élevée. Les valeurs de durée de vie au niveau de l'injection de 3 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ sont extraits comme le montre la figure 2b. Le O₂ -, FG- et les échantillons recuits en deux étapes ont des durées de vie de 818, 934 et 1098 µs, respectivement. Notez que le recuit en deux étapes ne peut obtenir la durée de vie la plus élevée qu'avec la séquence de recuit de la première étape en O₂ et la deuxième étape de FG. La séquence inverse donne une durée de vie similaire à celle de l'échantillon avec O₂ recuit seul. Cela peut être dû au fait que si le recuit FG a été effectué en premier, le O₂ suivant le recuit peut provoquer une déshydrogénation. Niwano et al. a rapporté que pour une plaquette terminée par Si-H ou Si-H₂ liaisons, l'exposition à l'oxygène entraîne le remplacement des liaisons hydrogène par les liaisons Si–O [18].

un Durée de vie des porteurs minoritaires dépendante du niveau d'injection. b Durée de vie à un niveau d'injection de 3 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ pour Al₂ O₃ /Si/Al₂ O₃ échantillons avec O₂ , FG et recuit en deux étapes

Comme la passivation globale est régie par l'effet de champ et la passivation chimique, le C -V la mesure est utile pour clarifier quelle passivation domine dans les cas de O₂ , FG et recuit en deux étapes. La figure 3a montre le C normalisé -V courbes pour les échantillons sans et avec différents processus de recuit. L'amplitude de la pente des courbes dans la région d'épuisement peut être utilisée comme indicateur de la densité de défauts d'interface (D _il ), car l'existence de traps d'interface provoque C -V étirement de la courbe [19]. Le recuit en deux étapes donne la plus grande pente parmi les autres, et donc la plus faible D _il devrait. Pour plus d'informations, les valeurs de densité de charge d'oxyde fixe (Q _f ) et D _il sont extraits du C -V courbes telles que tracées sur la figure 3b. Le Q _f est utile pour évaluer la passivation par effet de champ et est calculé par [20]

un C normalisé -V courbes. b D _il et Q _f pour les échantillons avec O₂ , FG et recuit en deux étapes

où C _bœuf est la capacité d'accumulation d'oxyde, W _ms est la différence de travail d'extraction entre le semi-conducteur et l'électrode (dans ce cas − 0.9 V), V _fb est la tension de bande plate, q est la charge électronique, et A est la zone des dispositifs MOS. Le Q _f est − 3.2 × 10 ⁻¹¹ cm ⁻² pour l'échantillon tel que déposé. Q _f à ce niveau conduit à une faible passivation par effet de champ [21]. Tous les échantillons recuits élèvent Q _f au niveau de 10 ¹² cm ⁻² . On voit que le O₂ le recuit donne le Q le plus élevé _f de 3,9 × 10 ¹² cm ⁻² , le recuit en deux étapes donne le Q intermédiaire _f , et le recuit FG donne le Q le plus bas _f . D'autre part, D _il valeur estimée par la méthode de Terman [22] est également montrée pour évaluer la passivation chimique. L'échantillon tel que déposé a un D _il de plus de 10 ¹³ eV ⁻¹ cm ⁻² . Il se réduit à 5,4 × 10 ¹¹ eV ⁻¹ cm ⁻² pour O₂ recuit, 3,7 × 10 ¹¹ eV ⁻¹ cm ⁻² pour le recuit FG, et 3,1 × 10 ¹¹ eV ⁻¹ cm ⁻² pour un recuit en deux étapes. Ainsi, en comparant O₂ et recuit FG, on constate que O₂ le recuit a la meilleure passivation à effet de champ, tandis que FG a la meilleure passivation chimique. Le premier peut être lié à l'interface SiO_x croissance. Contrairement au recuit FG qui est effectué à une température relativement basse et avec un manque d'oxygène, O₂ le recuit devrait avoir un SiO_x amélioré croissance de la couche interfaciale. Cela pourrait augmenter la possibilité de substitution d'Al pour Si au niveau de l'Al₂ O₃ /SiO₂ l'interface, qui est considérée comme une origine possible des charges fixes négatives [23]. Compte tenu du recuit en deux étapes, le Q intermédiaire _f est raisonnable en tant que combinaison de O₂ et recuit FG. Cependant, son D _il valeur est inférieure à celle du recuit FG. Ceci s'explique par la contribution supplémentaire de la meilleure qualité de la couche d'oxyde interfaciale due à la première étape O₂ recuit. Certaines études ont également signalé qu'un SiO_x plus dense entraîne une meilleure passivation [24]. Le D inférieur _il dans l'échantillon de recuit en deux étapes peut également être attribuée à l'amélioration de l'hydrogénation de la surface du silicium induite par l'hydrogène dans Al₂ O₃ filmer.

La figure 4 montre les images MET en coupe des échantillons sans et avec différents processus de recuit. Avant recuit, un SiO_x couche interfaciale entre Si et Al₂ O₃ est observé bien que l'interface ne soit pas claire. Cela peut être dû au fait que H₂ O a été utilisé dans la première moitié du cycle ALD. Pour O₂ recuit, l'épaisseur de la couche interfaciale augmente jusqu'à 5,6 nm, en raison d'un recuit à haute température (600 °C) et dans une atmosphère d'oxygène. Il a été rapporté que l'oxygène a un très petit coefficient de diffusion dans Al₂ O₃ (~ 10 ⁻³⁸ cm ⁻¹ à 600°C) [25], et donc, il est peu probable que l'oxygène diffuse à travers l'Al₂ O₃ couche pour atteindre l'interface Si. Au lieu de cela, l'oxygène ambiant échange avec l'oxygène dans Al₂ O₃ , créant un oxygène mobile qui peut répéter le processus d'échange dans l'Al₂ plus profond O₃ région jusqu'à ce que l'oxygène atteigne l'interface Si [26]. L'échantillon recuit en FG montre une interface plus claire avec un SiO_x très fin couche interfaciale de 1,4  nm, qui est similaire à d'autres groupes de recherche effectuant le processus de recuit dans N₂ ou FG [16]. Cela montre que le recuit FG limite la croissance de la couche interfaciale. Le recuit en deux étapes montre un SiO_x intermédiaire épaisseur de couche interfaciale d'environ 4 nm, en raison du temps réduit de l'O₂ recuit.

Images MET transversales pour les échantillons a sans recuit et avec b O₂ , c FG, et d recuit en deux étapes

La figure 5a montre la durée de vie des porteurs minoritaires en fonction du niveau d'injection du SiN_x /Al₂ O₃ -wafers passivés sans et avec différents procédés de recuit. Les durées de vie au niveau de l'injection de 3 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ sont 1569, 1579 et 2072 μs pour O₂ , FG et recuit en deux étapes, respectivement. Les améliorations sont liées au fait que le plasma chimique déposé en phase vapeur SiN_x les films peuvent contenir certaines quantités d'hydrogène en fonction des paramètres du procédé de dépôt. Au cours du processus de recuit, une partie de l'hydrogène se déplacerait vers l'interface Si, ce qui améliore l'hydrogénation de l'interface Si [27]. Comme indiqué dans la littérature [6, 28, 29, 30], la durée de vie de SiN_x /Al₂ O₃ -les plaquettes CZ de type p passivées sont comprises entre 0,1 et 2 µms. La température optimale de recuit post-dépôt dans l'azote ou dans le FG est d'environ 400 à 500 °C. Dans ce travail, le SiN_x /Al₂ O₃ -La plaquette CZ passivée recuite en FG montre une durée de vie de 1579 μs et une température de recuit optimale de 450 °C, qui sont conformes aux valeurs rapportées. Cependant, cette température optimale est limitée par l'hydrogénation de l'interface silicium. Du point de vue de la couche interfaciale d'oxyde de silicium, cette couche peut avoir une température optimale différente car des températures élevées améliorent généralement les qualités des films d'oxyde de silicium. Ainsi, le recuit en deux étapes pourrait optimiser à la fois la qualité de l'oxyde interfacial et l'hydrogénation de l'interface silicium, et conduit à une durée de vie plus élevée de 2072 µs par rapport au cas du recuit en une seule étape de formation de gaz. Pour étudier la reproductibilité, 50 échantillons avec recuit en deux étapes ont été préparés, et leur durée de vie des porteurs minoritaires est illustrée à la figure 5b. Les échantillons ont des valeurs de durée de vie comprises entre 1939 et 2224 μs. La valeur moyenne est de 2075 μs et l'erreur est de ± 7%. La limite de durée de vie intrinsèque de la plaquette utilisée dans cette étude est d'environ 2300 μs, calculée en utilisant la paramétrisation de Richter [31]. Ainsi, le recuit en deux étapes donne une durée de vie proche de la limite de durée de vie et démontre une excellente passivation d'interface. Pour les autres ALD, une couche interfaciale d'oxyde de silicium entre Al₂ O₃ /Si est également trouvé, et le recuit en deux étapes devrait être en mesure d'améliorer la qualité de passivation des plaquettes de Si. AlO_x /SiN_x est nécessaire car le nitrure de silicium améliore non seulement la passivation, mais augmente également la réflectance arrière et protège AlO_x à partir d'un processus de cocuisson à haute température pour la fabrication de PERC.

un Durée de vie du porteur minoritaire dépendant du niveau d'injection de SiN_x /Al₂ O₃ -échantillons passivés avec O₂ , FG et recuit en deux étapes. b Durée de vie à un niveau d'injection de 3 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ pour 50 échantillons avec recuit en deux étapes

La figure 6 montre la tension en circuit ouvert implicite (V _oc) pour le SiN_x /Al₂ O₃ -Échantillons passivés avec différents processus de recuit. Pour les plaquettes de type p et les longues longueurs de diffusion, le V implicite _oc peut être écrit comme

V implicite _oc du SiN_x /Al₂ O₃ -échantillons passivés avec O₂ , FG et recuit en deux étapes

où k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, n _i est la concentration intrinsèque du porteur, N _A est la concentration de l'accepteur, et ∆n est la concentration excessive de porteurs mesurée à une intensité lumineuse d'un soleil par le testeur de durée de vie WCT-120 Sinton. On peut voir que le O₂ - et les échantillons recuits FG ont un V implicite similaire _oc valeurs, qui sont de 696 et 697  mV, respectivement. Le recuit en deux étapes a un V implicite _oc de 706 mV.

La figure 7 montre le J -V caractéristiques et paramètres photovoltaïques tels que V _oc , densité de courant de court-circuit (J _sc ), facteur de remplissage (FF) et efficacité de conversion (η ) des PERC fabriqués avec différents procédés de recuit. Les performances d'un PERC industriel sont également présentées à des fins de comparaison. Le PERC industriel a été fabriqué dans des conditions identiques mais aucun procédé de recuit supplémentaire n'a été utilisé, puisque l'Al₂ O₃ couche a été recuit pendant le SiN_x dépôt à 400°C. Notez que dans cette étude, pendant les processus de recuit, la face avant a été placée vers le bas et est entrée en contact avec un support de plaquette. La façade SiN_x couche n'a pas été exposée aux gaz de recuit, et donc, l'influence du front SiN_x couche peut être insignifiante. Le PERC de l'industrie affiche le V le plus bas _oc de 665,4 µmV entre autres. Cela pourrait être attribué à sa durée de vie de plaquette inférieure de 797 μs au niveau d'injection de 3 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ . Le V _oc la valeur s'améliore à 671.3 mV pour O₂ recuit et 672,3  mV pour le recuit FG. Le recuit en deux étapes augmente encore le V _oc à 675,5  mV, ce qui représente une amélioration d'environ 0,6% par rapport au recuit en une étape, ou de 1,5% par rapport à celui de l'industrie. Il n'y a pas beaucoup de différence dans J _sc et FF entre les PERC. Le recuit en deux étapes présente les meilleurs rendements de conversion de 21,97 %, soit 0,36 % abs de plus que le PERC de l'industrie. Enfin, cinq PERC ont été fabriqués pour chaque processus de recuit. La valeur moyenne et la plage de distribution de V _oc et FF sont représentés sur les figures 8a et b, respectivement. Les PERC avec le recuit en deux étapes montrent V _oc de 675 à 677,5  mV avec une valeur moyenne de 676  mV et FF de 0,813 à 0,819 avec une valeur moyenne de 0,816.

Courbes densité-tension de courant et performances photovoltaïques des PERC avec une fabrication conforme aux normes de l'industrie, O₂ recuit, recuit FG et recuit en deux étapes

Valeur moyenne et plage de distribution de a V _oc et b FF pour les PERC avec différents processus de recuit

Conclusion

L'Al₂ O₃ les films sont préparés par dépôt de couche atomique, suivi de O₂ , FG ou recuit en deux étapes. Comparer O₂ recuit avec recuit FG, le premier donne un SiO_x plus épais couche interfaciale et le Q supérieur _f densité de − 3,9 × 10 ¹² cm ⁻² , indiquant une passivation supérieure à effet de champ. Le recuit FG montre le D inférieur _il de 3,7 × 10 ¹¹ eV ⁻¹ cm ⁻² résultant de l'hydrogénation de l'interface Si. Le recuit en deux étapes combine les avantages de ces deux procédés de recuit et a un Q intermédiaire _f et le plus bas D _il de 3,1 × 10 ¹¹ eV ⁻¹ cm ² . Le SiN_x /Al₂ O₃ -les échantillons passivés avec le recuit en deux étapes démontrent une durée de vie des porteurs minoritaires de 2072 µs, proche de la limite de durée de vie intrinsèque. Pour le PERC fabriqué avec le recuit en deux étapes, V _oc de 675,5  mV et un rendement de conversion de 21,97% peuvent être obtenus, qui ont respectivement des augmentations de 10 mV et 0,36%abs par rapport à ceux du PERC de l'industrie.

Abréviations

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

ALD :

Dépôt de couche atomique

C -V :

Capacité-tension

D _il :

Densité de défauts d'interface

FF :

Facteur de remplissage

FG :

Gaz de formation

J _sc :

Densité de courant de court-circuit

J -V :

Densité-tension actuelle

MOS :

Métal-oxyde-semi-conducteur

NH₃ :

Ammoniac

O₂ :

Oxygène

PERC :

Emetteur et cellule arrière passivés

Q _f :

Charge d'oxyde fixe

SiN_x :

Nitrure de silicium

SiO_x :

Oxyde de silicium

TEM :

Microscope électronique à transmission

TMA :

Triméthylaluminium

TMS :

Tétraméthylsilane

V _oc :

Tension en circuit ouvert

η :

Efficacité de conversion