不動態化されたエミッタリアコンタクトセルの効率を高めるための高密度水素処理による界面トラップの低減

はじめに

太陽電池は、世界の多くの再生可能エネルギーの1つであり、過渡的な石油化学エネルギーに取って代わる最も有能であると考えられています。シリコン[1,2,3]、ペロブスカイト[4、5]、III-V化合物[6、7]など、さまざまな材料システムに基づく太陽電池にはいくつかの種類があります。その中でも、シリコンベースの太陽電池は、その低コスト、高安定性、および最大26％の優れた効率のために一般的に使用されています[8、9、10]。不動態化されたエミッタリアコンタクト（PERC）デバイスは、背面フィールド（BSF）太陽電池に取って代わる可能性のあるデバイスの1つと見なされています[11、12]。 1983年、マーティングリーン教授は、ニューサウスウェールズ大学（UNSW）でPERCセルを最初に提案しました。そのコンセプトは、エミッタとリアパッシベーション層を組み合わせて、界面の欠陥を減らし、セルの効率を高めることでした。 PERCエミッターとリアパッシベーション層は界面の欠陥を不動態化できますが、エミッターまたは反射防止コーティング（ARC）層のフィルム品質が界面に影響を与えます[13、14、15]。

以前の研究によれば、界面トラップを減らすために薄膜の品質を改善する以外に、ポストアニーリング処理は欠陥を減らすための別の方法です[16、17、18]。 400°Cで窒素（95％）と水素（5％）でガスアニーリングを形成する後処理を使用して、水素との界面トラップを減らし、セル効率を高めます。残念ながら、このような処理には約400°Cでの反応が必要です。これは、200°C未満の温度で製造される固有薄層（HIT）とのヘテロ接合などの太陽電池には高すぎる温度です。

この作業では、デバイス製造の追加要素を変更することなく、エミッタパッシベーション層とn型Si層の間の界面トラップを低減するための適切な高密度水素（HDH）処理を提案します。以前の研究と同様に、HDH処理は、水素イオンを使用して欠陥を不動態化するために使用されます。実験結果は、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）測定二次イオン質量分析（SIMS）によると、HDH処理後のSi–H結合の強化を示唆しています。さらに、コンダクタンス、短絡電流密度（Jsc）、直列抵抗（Rs）、曲線因子（F.F.）などの電気的測定値を抽出して、状態密度（Dit）の低下とセル効率の向上を確認します。最後に、PERC太陽電池に対するHDH処理の効果をさらに説明するためのモデルも提案しました。

実験方法

PERC太陽電池の製造

PERCの製造プロセスを以下に示します。基板には厚さ約150μmのp型チョクラルスキーシリコンを使用しています。 KOH溶液は、Si基板表面をエッチングし、表面のピラミッドテクスチャ形態を形成するために使用されます。 p-n接合を形成するために、POCl ₃ Si基板表面に拡散してn型層を形成するために使用されます。次に、エミッターＳｉＮパッシベーション層は、反射防止コーティング（ＡＲＣ）層として化学蒸着（ＣＡＶ）を介して堆積される。 ARC層を堆積させた後、HF溶液を使用して裏面のn型層を除去します。次に、Al ₂ O ₃ 層は、原子層堆積（ALD）によって25nmの厚さのリアパッシベーション層として堆積されます。次に、95nmの厚さのSiN層がCVDによって堆積されます。リアパッシベーションプロセスが終了した後、ARC層に使用される銀（Ag）上部電極のスクリーン印刷プロセスの準備のためにレーザーアブレーションが溝をカットするために適用され、アルミニウム（Al）が下部電極に使用されます。最後に、デバイスは、金属と半導体の間の適切な接触を確実にするために、焼成プロセスで加熱されます。 PERCデバイスの構造を図1に示します。

PERC製造プロセスフローと不動態化エミッタリアコンタクト（PERC）セル構造

HDH治療

次に、HDH処理がPERCデバイスに適用されます。 HDH処理のプロセスは図2に示すとおりです。水素ガスは処理源として使用され、PERCデバイスを含む反応チャンバーにポンプで送られます。次に、ガスを70 atmに圧縮し、反応温度を200°Cに1時間設定します。次に、ガスをポンプで排出してHDH処理を終了します。

高密度水素（HDH）処理プロセスフロー

材料の特性評価

Bruker VERTEX 70v FTIRは、処理前後のSi–H結合を分析するために使用され、ION-TOF、TOF-SIMS Vは、SiN / Si界面での水素比を分析するために使用されます。

電気的特性評価

I-VおよびG-V特性は、AgilentB1500半導体アナライザとCascadeM150プローブステーションを使用して、明暗条件の両方でダークボックス内で測定されます。効率のパラメータ（Jsc、Rs、および曲線因子）は、1 kW M ^-2 のシミュレートされた光源で抽出されます。 25°CでのグローバルAM1.5スペクトル。 QEX10太陽電池外部量子効率（EQE）は、300〜1200nmの効率を分析するために使用されます。

結果と考察

HDH処理がある場合とない場合のエミッタSiNパッシベーション層は、FTIR分析を使用して調べられます。図3に示すように、HDH処理を行った場合と行った場合のSiNは、どちらも3350 cm ^-1 を示します。 N–H伸縮結合と2165 cm ^-1 Si–H伸縮結合の[19,20,21]。ただし、N–H結合とSi–H結合の吸収ピーク強度比は両方とも処理後に向上します。これは、水素がSiN層に注入されることを意味します。

FTIRスペクトルで測定されたエミッタSiNパッシベーション層薄膜

HDH処理によってSiN / Si界面トラップが減少することを確認するために、二次イオン質量分析（SIMS）を使用して水素分布を確認します[22、23]。図4では、CVDを使用してSiN層を堆積しているため、このSiN層の水素強度はSiよりも高くなっています。処理後、水素強度は明らかにバルクで増加しませんが、強度はSiNとSiの界面で明らかに増強され、この結果は、HDH処理がSiN / Si界面で反応することを示しています。

SIMSで測定されたエミッタSiNパッシベーション層薄膜

図5のHDH処理後のエミッタSiN層とp-Si基板のDitの違いをさらに確認するために、Al / SiN / p-Si / Al金属-絶縁体-半導体（MIS）構造を作製しました。 SiNとp-Siの界面には欠陥が多いため、G-Vの結果を適用して界面トラップ密度（Dit）を抽出することができます[24]。コンダクタンスの式は次のように与えられます：

Al / SiN / p-Si / Alデバイスは、インターフェーストラップを使用したコンダクタンス-電圧特性によって分析されます

ここでω は角周波数、τ はキャリアの寿命であり、 Gp は周波数に依存するコンダクタンスです。式を単純化するために。 1、Ditはコンダクタンスに関連しており、コンダクタンスのピークは処理後に減少します。これは、HDH処理がPERCインターフェイストラップを減少させる可能性があることを示唆しています。

次に、PERCセルデバイスの電気的測定が明暗条件の両方で実行されます。デバイスバイアスはAl下部電極に適用され、上部電極は接地されます。電圧の掃引範囲は-1〜0.75 Vです。図6は、暗条件でのI-V特性を示しています。 HDH処理後の漏れ電流は大幅に減少し、減少率は約0.5桁です。また、I-V特性の右側では、処理後にオン電流のこぶが減少していることがわかります。また、I-V曲線を抽出し、それをダイオード電流方程式に従って理想的な係数として変換します。

漏れ電流と理想的な要因を伴う暗条件下でのI-V特性の分析。

ここで私 _s は飽和電流、 q は電荷、 V は印加電圧 n 理想的な要素、 k はボルツマン定数であり、 T は絶対温度です。式2は、さらに単純化して\（I ={I} _s \ left [\ mathit {\ exp} \ left（\ frac {qV} {nkT} \ right）-1 \ right] \）;になります。 n のとき 値は1に近く、オン電流は拡散電流に近くなります。 n のとき 値が2に近いということは、オン電流が組み合わせ電流に近いことを意味します[25]。処理後、オン電流の傾きは1.5から1.42に減少します。これは、欠陥の数が減少するため、オン電流が処理後の拡散電流に近くなることを意味します。

電気的特性をさらに調べるために、効率のパラメーター（Jsc、Rs、および曲線因子）が1 kW M ^-2 のシミュレートされた光源で抽出されます。 25°CでのグローバルAM1.5スペクトル。図7aに示すように、HDH処理後、平均効率は17.3％から18.2％に向上します。図7bに示すように、Jscも37.6から38.2mAに増加します。さらに、図7cに示すように、処理後のRsは0.712から0.487に減少しました。曲線因子については、図7dに示すように、70.5から73.3に増加します。

a のPERCI-V特性 効率、 b 短絡電流密度（Jsc）、 c 直列抵抗（Rs）、および d 曲線因子（F.F。）

さまざまな波長範囲での変換効率を確認するために、外部量子効率（EQE）を使用して300〜1200 nmの波長を分析します[26、27]。図8に示すように、HDH処理前の量子効率の平均EQEは400〜600 nmで94％です。ただし、HDH処理後は、さらに高いEQE結果を得ることができます。結果は、400〜600 nmで97％に増加することを示しています。これは、エミッタのSiN / Si界面トラップの抑制によって引き起こされます。

外部量子効率（EQE）は、300〜1200nmで測定されます

最後に、PERCデバイスに対するHDHの影響を説明するモデルを提案します。 Ag / SiN / n型Si構造のPERCエミッターとSiN / Si界面トラップ構造との関係を図9に示します。光によって誘導されたpn接合で電子正孔対が生成されると、電子は移動します。 Ag上部電極に。 SiN / Si界面に界面トラップがある場合、それらは正孔との電子の再結合を助けます。インターフェーストラップを減らすために、PERCデバイスにHDH処理が適用され、高圧ガスを使用してデバイスに水素が注入され、インターフェースと反応します。処理後、SiN / Si界面および界面トラップでのダングリングボンドとの水素結合が減少します。したがって、再結合が減少し、漏れ電流が減少し、Jscとセルの効率が向上します。

処理初期および処理後のAg / SiN / n型Si構造およびSiN / Si界面トラップ構造のPERCエミッター

結論

この研究では、HDH処理を提案して、インターフェイストラップを減らし、デバイスの効率を高めています。 FTIRスペクトルは、処理後にSi–H結合が強化され、コンダクタンス電圧のピークが減少することを示しています。したがって、インターフェーストラップの数を減らすと、漏れ電流が減少し、理想的な係数値も減少します。また、処理後の効率が向上し、Jsc、Rs、曲線因子が増加します。最後に、EQEの結果は、短波長の強化を示しています。これは、エミッタインターフェイストラップの減少の証拠です。

データと資料の可用性

すべてのデータは、合理的な要求を介して著者から入手できます。

略語

HDH：

高密度水素処理

PERC：

不動態化されたエミッターリアコンタクトセル

FTIR：

フーリエ変換赤外分光法

SIMS：

二次イオン質量分析

Dit：

界面トラップ密度

Jsc：

回路電流密度

Rs：

直列抵抗

F.F。：

フィルファクター

EQE：

外部量子効率

BSF：

裏面フィールド

UNSW：

ニューサウスウェールズ大学

ARC：

反射防止コーティング

CVD：

化学蒸着

ALD：

原子層堆積

MIS：

金属-絶縁体-半導体構造