高密度水素処理による界面トラップの低減とPERCセル効率の向上

概要

本研究では、高密度水素（HDH）処理を提案し、パッシベートエミッタリアコンタクト（PERC）デバイスの界面トラップを低減して効率を向上させることを目的としています。水素ガスを約70気圧、比較的低温（約200℃）で圧縮し、デバイスの元の製造プロセスを変更することなく界面トラップを低減します。フーリエ変換赤外分光法（FTIR）によりSi–H結合の強化が確認され、二次イオン質量分析法（SIMS）によりHDH処理後のSiN/Si界面トラップが確認されました。さらに、コンダクタンス-電圧測定を行い、界面トラップ密度（Dit）を抽出・検証しました。また、1 kW/m²のグローバルAM1.5スペクトルの模擬光源を用いて、短絡電流密度（Jsc）、直列抵抗（Rs）、フィルファクター（F.F.）を分析し、セル効率の向上を確認しました。外部量子効率（EQE）も測定し、異なる波長間での変換効率の向上を確認しました。最後に、処理前後の実験結果を説明するモデルを提案しています。

はじめに

太陽電池は世界中の再生可能エネルギーの一つであり、従来の石油化学エネルギーに取って代わる最も有望な技術と考えられています。シリコン系[1-3]、ペロブスカイト系[4,5]、III-V族化合物系[6,7]など、材料システムに基づく様々なタイプの太陽電池があります。その中でも、低コスト、高安定性、最大26%の優れた効率[8-10]を持つシリコン系太陽電池が一般的に使用されています。パッシベートエミッタリアコンタクト（PERC）デバイスは、バックサーフェスフィールド（BSF）太陽電池に取って代わる潜在的なデバイスの一つと見なされています[11,12]。1983年、マーティン・グリーン教授がニューサウスウェールズ大学（UNSW）で最初にPERCセルを提案しました。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欠陥を低減し、セル効率を向上させることでした。PERCのエミッタとリアパッシベーション層は界面欠陥をパッシベートできますが、エミッタまたは反射防止コーティング（ARC）層の膜質が界面に影響を与えます[13-15]。

先行研究によれば、薄膜品質の改善による界面トラップの低減以外に、ポストアニーリング処理も欠陥を減らす別の方法です[16-18]。窒素（95%）と水素（5%）の混合ガスを400℃でアニーリングするポスト処理は、水素を用いて界面トラップを低減し、セル効率を向上させます。しかし、この処理は約400℃での反応を必要とし、200℃以下で製造されるヘテロ接合太陽電池（HIT）などには温度が高すぎます。

本研究では、デバイス製造のいかなる追加要素も変更することなく、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。先行研究と同様に、HDH処理は水素イオンを用いて欠陥をパッシベートします。実験結果は、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）測定と二次イオン質量分析法（SIMS）によると、HDH処理後にSi–H結合が強化されることを示唆しています。さらに、コンダクタンス、短絡電流密度（Jsc）、直列抵抗（Rs）、フィルファクター（F.F.）などの電気的測定を抽出し、状態密度（Dit）の低減とセル効率の向上を確認しました。最後に、HDH処理がPERC太陽電池に及ぼす影響をさらに説明するモデルも提案しています。

実験方法

PERC太陽電池の製造

PERC製造プロセスは以下の通りです。厚さ約150μmのp型チョクラルスキーシリコンを基板として使用します。KOH溶液でSi基板表面をエッチングし、ピラミッドテクスチャー形態を形成します。p-n接合を形成するために、POCl₃をSi基板表面に拡散させてn型層を形成します。次に、エミッタSiNパッシベーション層を化学気相成長法（CVD）で堆積し、反射防止コーティング（ARC）層とします。ARC層堆積後、HF溶液で裏面のn型層を除去します。その後、原子層堆積法（ALD）で厚さ25nmのAl₂O₃層をリアパッシベーション層として堆積します。さらにCVD法で95nm厚のSiN層を堆積します。リアパッシベーションプロセス完了後、レーザーアブレーションでグルーブを切断し、スクリーン印刷プロセスの準備を行います。ARC層上には銀（Ag）トップ電極を、底面電極にはアルミニウム（Al）を使用します。最後に、金属と半導体の適切なコンタクトを確保するためにファイアリングプロセスで加熱します。PERCデバイスの構造は図1に示します。

HDH処理

HDH処理をPERCデバイスに適用します。HDH処理のプロセスは図2に示す通りです。水素ガスを処理源として、PERCデバイスを含む反応室に送り込みます。ガスを70気圧に圧縮し、反応温度を200℃、時間を1時間に設定します。その後、ガスを排出してHDH処理を完了します。

材料評価

Bruker VERTEX 70v FTIRを用いて処理前後のSi–H結合を分析し、ION-TOF TOF-SIMS Vを用いてSiN/Si界面での水素比率を分析しました。

電気的評価

Agilent B1500半導体アナライザとCascade M150プローブステーションをダークボックス内で使用し、明暗両条件下でI-V特性とG-V特性を測定しました。効率パラメータ（Jsc、Rs、フィルファクター）は、25℃で1 kW/m²グローバルAM1.5スペクトルの模擬光源において抽出しました。QEX10太陽電池外部量子効率（EQE）測定システムを用いて、300〜1200nmの波長範囲で効率を分析しました。

結果と考察

HDH処理の有無によるエミッタSiNパッシベーション層をFTIRで分析しました。図3に示すように、処理前後のSiNともに3350 cm⁻¹のN–H伸縮結合と2165 cm⁻¹のSi–H伸縮結合を示します[19-21]。しかし、処理後にはN–H結合とSi–H結合の吸収ピーク強度比がともに増加しており、水素がSiN層に注入されたことを示しています。

HDH処理がSiN/Si界面トラップを低減することを確認するために、二次イオン質量分析法（SIMS）を用いて水素分布を確認しました[22,23]。図4に示すように、SiN層はCVDで堆積されているため、このSiN層内の水素強度はSiよりも高くなっています。処理後、バルク内では水素強度の明確な増加は見られませんが、SiNとSiの界面では強度が明確に増強されており、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。

HDH処理後のエミッタSiN層とp-Si基板間のDitの違いをさらに確認するために、図5に示すAl/SiN/p-Si/Alメタル-絶縁体-半導体（MIS）構造を作製しました。SiNとp-Siの界面には大量の欠陥があるため、G-V結果を用いて界面トラップ密度（Dit）を抽出できます[24]。コンダクタンスの式は以下の通りです：

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

ここで、ωは角周波数、τはキャリア寿命、Gpは周波数依存性コンダクタンスです。式1を簡略化すると、Ditはコンダクタンスに関連し、処理後にコンダクタンスピークが減少することから、HDH処理がPERC界面トラップを低減できることが示唆されます。

次に、明暗両条件下でPERCセルデバイスの電気的測定を行いました。デバイスバイアスをAl底面電極に印加し、トップ電極をグラウンドとしました。電圧のスイープ範囲は-1〜0.75Vです。図6は暗条件下でのI-V特性を示しています。HDH処理後、漏れ電流が大幅に減少し、減少率は約0.5桁でした。また、I-V特性の右側では、オン電流のハンプが処理後に減少していることがわかりました。さらに、ダイオード電流式に従ってI-V曲線を理想因子に変換・抽出しました：

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

ここで、Isは飽和電流、qは電子電荷、Vは印加電圧、nは理想因子、kはボルツマン定数、Tは絶対温度です。式2はさらに簡略化できます。n値が1に近い場合、オン電流は拡散電流に近くなります。n値が2に近い場合、オン電流は再結合電流に近いことを意味します[25]。処理後、オン電流の傾きが1.5から1.42に減少し、欠陥数の減少によりオン電流が拡散電流に近づいたことを示しています。

電気的特性をさらに調べるために、25℃で1 kW/m²グローバルAM1.5スペクトルの模擬光源において、効率パラメータ（Jsc、Rs、フィルファクター）を抽出しました。HDH処理後、平均効率が17.3%から18.2%に向上しました（図7a）。Jscも37.6から38.2 mAに増加しました（図7b）。また、Rsが0.712から0.487に減少しました（図7c）。フィルファクターについては、70.5から73.3に増加しました（図7d）。

異なる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）を用いて300〜1200nmの波長を分析しました[26,27]。図8に示すように、HDH処理前の量子効率は400〜600nmの間で平均94%でした。しかし、HDH処理後にはさらに高いEQE結果が得られ、400〜600nmの間で97%に増加しました。これは、エミッタSiN/Si界面トラップの抑制によるものです。

最後に、HDHがPERCデバイスに及ぼす影響を説明するモデルを提案します。PERCエミッタのAg/SiN/n型Si構造と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p-n接合で電子-正孔対が生成されると、電子はAgトップ電極に移動します。SiN/Si界面に界面トラップがあると、それらは電子と正孔の再結合を助長します。界面トラップを低減するために、HDH処理をPERCデバイスに適用し、高圧ガスを用いて水素をデバイス内に注入して界面と反応させます。処理後、水素がSiN/Si界面のダングリングボンドと結合し、界面トラップが減少します。したがって、再結合が減少し、漏れ電流が低減し、Jscとセル効率が向上します。

結論

本研究では、HDH処理が界面トラップを低減し、デバイス効率を向上させることに成功しました。FTIRスペクトルではSi–H結合が強化され、処理後にコンダクタンス-電圧ピークが減少しました。したがって、界面トラップの減少により漏れ電流が減少し、理想因子値も低下しました。さらに、処理後に効率が向上し、Jsc、Rs、フィルファクターが改善されました。最後に、EQE結果は短波長域の向上を示し、これはエミッタ界面トラップの低減の証拠となります。

略語

HDH:

高密度水素処理

PERC:

パッシベートエミッタ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法

Dit:

界面トラップ密度

Jsc:

短絡電流密度

Rs:

直列抵抗

F.F.:

フィルファクター

EQE:

外部量子効率

BSF:

バックサーフェスフィールド

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:

化学気相成長法

ALD:

原子層堆積法

MIS:

メタル-絶縁体-半導体構造