原子層堆積によって製造されたAl2O3パッシベーション膜を備えたシリコンナノワイヤヘテロ接合太陽電池

要約

シリコンナノワイヤー（SiNW）は、光閉じ込め効果により、エネルギー用途に大きな可能性を示します。これにより、高効率で薄い結晶シリコン（c-Si）太陽電池の製造が可能になります。長さ10μmのSiNWアレイは1200nm未満の十分な太陽光を吸収できるため、長さ10μmのSiNWはSiウェーハ上に製造され、Siウェーハの影響を排除しました。一方、SiNWの表面パッシベーションは、表面再結合を減らし、c-Si太陽電池へのSiNWの適用を可能にするために解決する必要がある重要な問題です。この研究では、酸化アルミニウム（Al ₂ O ₃ ）は、ダングリングボンドのパッシベーションのために原子層堆積によって製造されました。ただし、SiNWがAl ₂で完全に覆われているため O ₃ 、キャリアは外部回路に移動できませんでした。そのため、SiNWの上部から酸化物を均一に除去するために、化学機械研磨が実行されました。 1.6％の効率のヘテロ接合太陽電池は、アモルファスシリコン（a-Si）を使用して正常に製造されました。 SiNWおよびc-Si太陽電池の内部量子効率（IQE）について議論しました。 340 nm未満の波長領域では、SiNW太陽電池のIQEがc-SiデバイスのIQEよりも高く、その結果、SiNWセルの吸収が増加し、SiNWが結晶シリコンの薄化に有望であることを示唆しています。

はじめに

結晶シリコン（c-Si）太陽電池は、その高効率と豊富さから世界中で広く使用されています[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。このような太陽電池の発電コストを削減するには、効率を高め、製造コストを削減する必要があります。ただし、c-Si太陽電池の効率は理論上の効率限界に近く、開回路電圧（ V ）のため、さらなる改善は困難です。 _oc ）オージェ組換えによって制限されます[10、11]。非常に薄いc-Si膜を作成することは、 V を改善する効果的な方法です。 _oc 、しかし非常に薄いc-Si太陽電池は、低い短絡電流密度（ I _sc ）吸収係数が低いため[12、13]。最近、シリコンナノワイヤ（SiNW）は、太陽電池に光を閉じ込めるのに不可欠な強力な光閉じ込め効果を示すため、かなりの注目を集めています[14、15、16、17、18、19、20、21]。以前の実験では、ポリジメチルシロキサンを使用してシリコンウェーハからSiNWを剥離することにより、SiNWの光学特性を評価することに成功しました[22]。長さ10μmのSiNWアレイは十分な光を吸収できます。これは、SiNWがc-Si太陽電池の厚さを減らすことができることを示しています。自立型SiNWアレイの製造は難しいため、Siウェーハが必要です。この研究では、Siウェーハ上に長さ10μmのSiNWアレイを作製することに焦点を当てました。したがって、長さ10μmのSiNWアレイによる1200 nm未満の波長での吸収を最大化するために、Siウェーハの影響を排除することができます。一方、太陽電池構造にSiNWを適用するには、表面の再結合を減らすために、その表面にパッシベーション膜を作製する必要があります。 SiNWはアスペクト比が高いため、化学蒸着でパッシベーション膜を作製することは困難であることがわかりました。したがって、パッシベーション膜は、原子層堆積（ALD）によってSiNW表面に作製されました[23、24]。一方、Al ₂を含むSiNWアレイ O ₃ 機械的強度が向上しているため、シリコンウェーハから剥がすことができません。さらに、Al ₂が絶縁されているため、キャリアは外部回路に移動できません。 O ₃ 映画。この研究では、長さ10μmのSiNWをSiウェーハ上に作製する新しい構造（図1を参照）を提案します。

SiNWとa-Siの間に接触を形成するために、Al ₂ O ₃ SiNWの上部に存在するものは、化学機械研磨（CMP）とエッチングによって除去されました。 Al ₂の影響 O ₃ 太陽電池の特性のエッチングが調査されました。

メソッド

SiNWアレイとAl ₂の製造 O ₃

p型Si（100）ウェーハ（8–10Ωcm、550μm）をAgNO ₃を含むフッ化水素酸（HF）溶液に浸しました。銀粒子を堆積させます。 Siウェーハは、4.8 MHFと0.15M H ₂を使用して化学的にエッチングされました。 O ₂ 室温で、その後HNO ₃に添加します銀膜を除去するための解決策。最後に、準備されたSiNWアレイ上に存在する酸化物層は、HF溶液を使用して除去されました。エッチング時間を変更して、長さ10、15、20μmのSiNWを作製した。 SiNW間の空間が大きいため、ワイヤー間の空間に直径約80 nmのシリカ粒子（エタノール溶液に分散）を充填しました。次に、66nmの厚さのAl ₂ O ₃ ダングリングボンドを不動態化するためにALDによって寄託されました。電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM、JEOL JSM-7001F）を適用して、準備されたSiNWアレイの構造を調べました。

Al _2の削除 O ₃ SiNWの上部に

次に、エッチングペーストとCMP法を適用して、SiNWとAl ₂の上部を除去しました。 O ₃ それらの上に。図2aは、Al ₂を示しています。 O ₃ エッチングペーストを使用したエッチング手順。エッチングペーストはAl ₂上に形成されました O ₃ 層、それを取り除くためにアニーリングが続きます。最後に、エッチングペーストを除去した。 CMPの場合、詳細なプロセスを図2bに示します。作製した太陽電池構造では、SiNWアレイの長さが10μmで一定であったため、SiNWアレイの初期長を変更することでエッチング厚を変更しました。 SiNWの初期の長さが10μmのとき、エッチングはナノワイヤの上部で停止しました（エッチングの厚さ0μm、SiNWの長さ10μm、残りのSiウェーハの厚さ540μm）。これは、Al <を意味します。 sub> 2 O ₃ SiNWの上はエッチングされただけです。初期のSiNWの長さが15μmの場合、エッチングの長さは5μmと定義されました。これには、5μmのSiNWとAl ₂が含まれます。 O ₃ （エッチングの厚さ5μm、SiNWの長さ10μm、残りのSiウェーハの厚さ535μm）。エッチング長さを10μmとすると、初期長さは20μm（エッチング厚さ10μm、SiNW長さ10μm、残りのSiウェーハの厚さ530μm）でした。

太陽電池構造の製造

図1は、ここで製造された太陽電池構造を示しています。 a-SiとSiのヘテロ接合構造を採用した。ヘテロ接合構造の製造手順と条件は、図2のSiNW太陽電池と参照太陽電池と同じです。参照太陽電池の場合、p型Si（100）ウェーハ（8–10Ωcm、550 μm）はSiNWなしで使用されました。二重ヘテロ接合は、i型水素化アモルファスシリコン層（ia-Si：H、厚さ5 nm）、n型a-Si：H層（厚さ10 nm）、およびp型a-を堆積することによって形成されました。プラズマ化学気相成長法（PECVD）によるSi：H層（厚さ10 nm）。酸化インジウムスズ（ITO）（厚さ80 nm）とAgグリッドを使用して前面電極を製造しました。太陽電池の反射率は、紫外-可視-近赤外領域で測定されました。 SiNWの少数キャリアの寿命を測定するために、準定常状態の光コンダクタンス（QSSPC、Sin-ton Instruments）実験が実行されました。 SiNW太陽電池は、照射された電流-電圧（ I-V ）によっても特徴づけられました。）および量子効率測定。何も処理せずに同じウェーハ上に製造された参照太陽電池のパラメータを表1に示します。

<図>

結果と考察

Al ₂を使用しないSiNWアレイのキャリア寿命 O ₃ QSSPCで測定できませんでした。 SiNW表面にはいくつかの欠陥がありました。これらは、マイノリティキャリアのかなりの再結合につながる可能性のあるダングリングボンドに関連しています。 SiNW表面を不動態化するには、Al ₂ O ₃ 図3bに示すように、Al ₂を使用してALDによって堆積されました。 O ₃ 堆積物はスペースなしでSiNWアレイに埋め込まれています。 SiNW / Al ₂にスペースがある場合 O ₃ 、このフィルムはCMPによって簡単に壊れます。さらに、Al ₂を使用したライフタイムSiウェーハ O ₃ Al ₂の厚さが増すにつれて増加しました O ₃ 図4aに示すように、66nmから一定になる傾向がありました。これらの結果から、Al ₂の厚さ O ₃ 層は66nmに設定されました。図4bは、マイノリティキャリア密度の関数としての各サンプルのマイノリティキャリアの寿命を示しています。 Al ₂を使用したSiNWの少数キャリアの寿命 O ₃ 65μsに大幅に増加しました（図4）。ダングリングボンドはAl ₂によって変更されたため O ₃ 、欠陥の密度が減少しました。 SiNW / Al ₂の少数キャリアの寿命をさらに改善 O ₃ 、フォーミングガス（FG）でのアニーリングを行い、キャリア寿命を157μsに改善しました。 Siウェーハ/ Al ₂のキャリア寿命の場合 O ₃ キャリア密度の関数として考慮されたように、アニーリングがある場合とない場合の傾向は異なります。キャリア密度が低い領域では、負の固定電荷によってキャリア寿命が長くなります。一方、Shockley-Read-Hall再結合が支配的になるため、アニーリングなしの少数キャリアの寿命は減少しました。負の固定電荷は、Al ₂間の界面でのバンドベンディングの形成に影響を与えるため O ₃ Si表面では、Si表面での再結合を減らすことができます[25]。キャリア密度の関数としてのキャリア寿命の傾向から、負の固定電荷の存在に関する情報を得ることができます。したがって、SiNW / Al ₂ O ₃ アニーリング後は負の固定電荷によって改善されました。 SiNWはAl ₂で完全にカバーされていましたが O ₃ 、キャリアは外部回路に移動しませんでした。したがって、太陽電池構造を製造するために、Al ₂ O ₃ SiNWの上部にあるものは、エッチングペーストを使用してCMP技術を適用して除去する必要があります。

まず、エッチングペーストを使用してAl ₂を除去しました。 O ₃ SiNWアレイの上部から。エッチング後、n-a-Si / i-a-Si / p-SiNW / i-a-Si / n-a-Siシステムを形成することにより、ヘテロ接合-太陽電池構造を作製した。図5aは、 I–V を示しています SiNW太陽電池の特性と太陽電池パラメータ、直列抵抗（ R _s ）、シャント抵抗（ R _sh ）、理想係数、および整流比（RR）。 RRは I として定義されます _F / 私 _R 、ここで I _F （0.5 Vで）および I _R （− 0 .5 Vで）は、それぞれ順方向バイアスと逆方向バイアスでの電流を示します。 Al ₂を含むSiNW太陽電池で光起電力効果が観察されました。 O ₃ 、結果はAl ₂の除去を示しています O ₃ SiNWの上から。ただし、短絡電流（ I ）が低いため、効率は低くなります（0.14％）。 _sc ）および開回路電圧（ V _oc ）値。 V の場合 _oc 、Al ₂を使用したSiNWのキャリア寿命 O ₃ エッチングペーストを使用した後、9μsに減少しました。図5bは、Al ₂を使用したSiNWアレイのSEM画像の高倍率上面図を示しています。 O ₃ エッチング後。 SiNWが露出する領域が少なく、取り出せるキャリア数が少なくなっています。図5cは、SEM画像の低倍率の上面図を示しています。エッチングは不均一に進行し、エッチング前の形状はすでに不均一であったため、Al ₂の不均一性 O ₃ エッチング後に増加します。 Al ₂を削除するのは難しいことがわかりました O ₃ エッチングペーストを均一に使用しますが、 I を改善するため _sc SiNW太陽電池の場合、均一なエッチングが必要です。

Al ₂を均一にエッチングするためにCMPを実行しました。 O ₃ SiNWに堆積します。図6aおよびbは、Al ₂を使用したSiNWの上面SEM画像を示しています。 O ₃ CMP後。まず、SiNWアレイはCMP後に破損しませんでした。これは、Al ₂を使用したSiNWアレイの機械的強度を示しています。 O ₃ SiNW間にスペースを埋め込むことで改善されます。 CMPはAl ₂を均一にエッチングできるため O ₃ 、SiNW / Al ₂の上部 O ₃ フィルムが平らになりました。

CMP後、PECVDシステムを使用してn-a-Si / i-a-Si / p-SiNW / i-a-Si / n-a-Siを形成することにより、ヘテロ接合-太陽電池構造を作製しました。図7は、 I–V を示していますエッチング厚が0、5、10μmのSiNW太陽電池の特性と太陽電池パラメータ R _s 、 R _sh 、理想係数、およびRRを表2に示します。エッチングの厚さが0μmの場合（SiNWの上部を観察したときにエッチングを停止）、光起電力効果が確認され、変換効率は0.8％でした。私 _sc 6.11 mA / cm ² 観察されました。 I _sc エッチングペーストで得られた結果と比較して値が増加しましたが、それでも低い値です。 SiNWアレイの上部は、図4aの表面張力によって集約されました。 SiNWの一部がa-Si層に接触していなかったため、キャリアが外部回路に移動するのが困難でした。接触面積を改善するために、エッチングの厚さを5μmに増やし、 I _sc 10.3 mA / cm ² に増加。エッチングの厚さが10μmの場合、 I _sc 14.0 mA / cm ² に改善。集約されたSiNWアレイが削除されると、SiNWとa-Siの間の接触面積が増加しました。一方、非常に低い V _oc 0.3Vのが得られた。少数キャリアはCMP後に測定され、少数キャリアの寿命は、Al ₂のパッシベーション品質により、157から19μsに大幅に減少しました。 O ₃ 預金はCMPによって減少しました。少数キャリア密度の低い領域での少数キャリア寿命はCMP後に低下したため、負の固定電荷は減少しました。 SiNW表面の再結合中心が増加し、 V が低くなりました。 _oc 。さらに、ワイヤの場合、表面でのキャリアの散乱のためにキャリアの移動度が低下し、導電率が低下します。これらの結果は、負の固定電荷がCMPによって減少する可能性があることを示していますが、メカニズムはまだ不明です。一方、 R _s 、 R _sh 、理想係数、エッチングペーストのRRとCMPの結果を比較したところ、エッチングペーストの各パラメータはCMPのパラメータよりも優れています。 R 以降 _s CMPの方がエッチングペーストや R よりも大きい _sh CMPの濃度はエッチングペーストの濃度よりも低いため、SiNWの上部に汚染が残り、SiNWとa-Siの良好な接触が妨げられる可能性があります。したがって、 V を強化するためのパッシベーション品質の改善を調査するには、さらなる調査が必要です。 _oc および私 _sc 太陽電池の。

<図>

長さ10μmのSiNWとc-Si太陽電池の量子効率を比較しました。外部量子効率（EQE）の場合、SiNW太陽電池の強度は、図8aのc-Si太陽電池の強度よりもほとんど低くなっています。ただし、SiNW太陽電池のEQEは、300〜500nmの領域で改善されました。図8bは、SiNWとc-Si太陽電池の反射率を示しています。特に短波長領域（300〜500 nm）では、SiNWデバイスの反射率がc-Siデバイスの反射率よりも低いことがわかります。）それが劇的に減少するところ。 SiNW太陽電池の反射率はc-Si太陽電池の反射率よりも低いですが、他の地域のSiNWデバイスのEQEはc-Si太陽電池の反射率よりも低くなっています。光の長波長領域がSiNWの底に吸収されたため、SINW太陽電池のEQEは減少しました。反射率の影響を排除するために、SiNWおよびc-Si太陽電池の内部量子効率（IQE）について議論しました。 SiNW太陽電池のIQEがc-Si太陽電池のIQEよりも高い波長領域が減少しました。 340 nm未満の波長領域では、SiNWデバイスのIQEはc-Si太陽電池のIQEよりも高く、その結果、SiNWの吸収が増加します。吸収の増加は、光共振器効果ではなく、光トラッピング効果によって引き起こされます。 [26、27] SiNWを使用して光共振器効果を得るには、SiNWの直径と位置を制御する必要があります。 MAEで作製したSiNWの直径と位置はランダムであるため、SiNWを使用して光共振器効果を得るのは困難です。一方、SiNWのランダム構造は強い光トラップ効果をもたらす可能性があり、MAEによって製造されたSiNWが結晶シリコンの薄化に有望であることを示唆しています。

結論

SiNWの表面パッシベーションは、太陽電池デバイスへの応用に不可欠です。 Al ₂ O ₃ ダングリングボンドを不動態化するためにALDによって製造されました。 ALDはAl ₂を預けることができるので O ₃ SiNW全体で、キャリアは外部回路に移動できません。この研究では、エッチングペーストとCMP技術を適用してAl ₂をエッチングしました。 O ₃ SiNWの上から。エッチングペーストを使用すると、0.14％の効率のSiNW太陽電池が正常に得られました。ただし、SiNWアレイは表面張力によって凝集しているため、SiNWとa-Siの接触面積が小さく、 I が低くなっています。 _sc 。効率をさらに向上させるために、エッチングの厚さを増やし、 I を増やすことで効率を1.6％に向上させることができました。 _sc 。 EQEの場合、SiNW太陽電池の強度はc-Si太陽電池の強度よりも低くなります。 300〜500nmの短波長域での反射率が大幅に低下するため、EQEが向上しました。反射率の影響を排除するために、SiNWおよびc-Si太陽電池のIQEについて議論しました。 340 nm未満の波長領域では、SiNWデバイスのIQEはc-Si太陽電池のIQEよりも高く、その結果、SiNWの吸収が増加し、SiNWが結晶シリコンの薄化に有望であることを示唆しています。