Oberflächenpassivierung

Während im vorhergehenden Kapitel erste Solarzellenergebnisse im Rahmen dieser Di-plomarbeit präsentiert werden konnten, wird nun näher auf die dielektrische Passivierung der Frontseite beziehungsweise des Front Surface Fields eingegangen. Drei verschiede-ne Passivierschichten werden im Folgenden näher betrachtet: Zunächst PECVD-SiNx:H, dann hochbrechendes PECVD-SiN^x:H und abschließend ein SiO²/SiN^x:H-Stack-System.

Zusätzlich wird noch der Einfluss der Textur untersucht.

PECVD-SiN_x:H

In diesem Abschnitt werden 5×5 cm²-Proben aus runden 5“ p-Typ-FZ-Silizium-Wafern (R_base = 200 Ωcm, Dicke=265µm) mit verschiedenen Rückätzemittern durch Messung der Emittersättigungsstromdichtej_0Euntersucht. Dabei wird auch der Einfluss des Reinigungs-schritts vor der Siliziumnitrid-Abscheidung und der Einfluss der Textur betrachtet.

Es gibt blanke und texturierte Proben. Ein Teil der Proben wird in 80℃ heißen KOH-IPA Lösung mit einer randompyramid-Textur versehen. Nach einer 30Ω/ Ausgangsdiffusi-on (POCl3) werden die Proben verschieden stark zurückgeätzt bis auf über 150Ω/. Anschließend wird der Schichtwidertsand Rsheet mittels Vierpunktmessung bestimmt. Bei einer Gruppe wird der industriell übliche HCl/HF-Reinigungsschritt durch eine Reinigung in einer 80℃ heißen Lösung aus Schwefelsäure (H²SO⁴) und Wasserstoffperoxid (H²O²), mit abschließendem HF-Dip bis die Proben hydrophob sind, ersetzt, im Folgenden Piranha-Reinigung genannt. Danach erfolgt die PECVD-SiN^x:H-Abscheidung mit einer Dicke von 75 nm. Hierbei ist die Nitridschicht bei den blanken Proben deutlich dicker, da sie zusam-men mit den texturierten Proben abgeschieden werden. Anschließend werden die Proben gefeuert. Die Messung von j_0E erfolgt mittels QSSPC in Hochinjektion bei Minoritätsla-dungsträgerdichte ∆n = 1·10¹⁶cm⁻³. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3.7 dargestellt.

2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0

Abbildung 3.7:Messungen der Emittersättigungsstromdichte j_0E/Seite aufgetragen über den Schichtwiderstand Rsheet von verschieden stark zurückgeätzten Proben, mit Einfluss des Reinigungsschrittes und der Textur.

Die Messergebnisse weisen den gleichen Verlauf mit der Stärke des Zurückätzens auf, wie

er bereits in Abschnitt 3.1.1 beobachtet werden konnte. Erneut lässt sich einj0Evon unter 50 fA/cm² erreichen ab einem Schichtwiderstand von etwa 100-120Ω/. Eine Verbesse-rung durch einen aufwendigeren Piranha-Reinigungsschritt im Vergleich zu einer Standard HCl/HF-Reinigung lässt sich nicht erzielen. Die texturierten Proben besitzen ein leicht höheres Niveau, der Faktor ist allerdings kleiner als dies durch die Flächenvergrößerung ei-ner texturierten Oberfläche erwartet wird, was sich durch die Anisotropie des Texturierens erklären lässt.

Hochbrechendes SiN_x:H

Eine alternative Passivierung mittels hochbrechenden Siliziumnitrids auf selektivem Emitter wurde bereits in [Shi09] untersucht. Nun wird eine Schicht aus hochbrechendem SiN^x:H auf verschieden stark zurückgeätzte Proben aufgebracht. Die Proben wurden beim Experiment aus dem vorhergehenden Abschnitt mitprozessiert, doch diesmal werden sie nicht texturiert.

Durch Veränderung des Ammoniak-Silan (NH³:SiH⁴)-Verhältnisses während der PECVD-Abscheidung lässt sich der Brechungsindex einstellen. Eine vorhergehende Testabschei-dung ergab einen Brechungsindex vonn= 2,12, welcher mit einem Ellipsometer gemessen wurde. Eine Gruppe wird mit 75 nm dickem, hochbrechendem Siliziumnitrid beschichtet.

Außerdem wird eine Gruppe mit einem Stack-System aus 75 nm dickem SiNx:H mit Bre-chungsindex n= 2,0 und 20 nm dickem, hochbrechendem SiN^x:H mit n >2,0 hergestellt.

Die Ergebnisse derj0E-Messung mittels QSSPC sind in Abbildung 3.8 dargestellt. Die Mes-sungen an den Standard-SiNx:H-Proben aus dem vorherigen Abschnitt dienen als Referenz.

2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

S iN : H P ir a n h a n = 2 , 0 S iN : H S t a c k

S iN : H n = 2 , 1 2x x

x

j 0E/Seite [fA/cm²]

R _{s h e e t} [^Ω/ s q ]

Abbildung 3.8: Messungen der Emittersättigungsstromdichte j_0E/Seite aufgetragen über den Schichtwiderstand R_sheet verschieden stark zurückgeätzter Proben mit SiN^x:H-Stack und hochbrechendem SiNx:H im Vergleich zu einer Standard-SiNx:H-Referenz.

Weder mit einem Stack-System aus SiN^x:H mit Brechungsindex n = 2,0 und hochbre-chendem SiNx:H mitn >2,0, noch mit einer Schicht aus nur hochbrechendem SiNx:H mit n= 2,12lässt sich eine Verbesserung inj_0Eim Vergleich zu einer Standard-SiN^x:H-Referenz mit Brechungsindex n= 2,0 erzielen.

SiO₂/SiN_x:H-Stack-System

Für die Bildung eines Stack-Systems aus einer dünnen SiO2-Schicht und einer SiNx :H-Schicht wird ein Vorversuch zur Ermittlung der für die gewünschte Oxid-Dicke erforder-lichen Oxidationsdauer durchgeführt. Eine Referenzgruppe wird mit circa 90 nm dickem Siliziumnitrid beschichtet. Durch Änderung der Oxidationsdauer werden drei Gruppen mit verschiedenen Oxid-Dicken hergestellt. Anschließend erhalten auch diese Proben eine circa 90 nm dicke SiNx:H-Schicht. Die gesamte Prozessabfolge ist in Abbildung 3.9 dargestellt.

Probenpräparation

Es wird blankes p-Typ-FZ-Silizium (R_base = 200 Ωcm, Dicke = 265 µm) verwendet. Runde 5“ FZ-Wafer werden erst in 5×5 cm² große Proben getrennt und beschriftet.

Danach erfolgt ein Ätzschritt in einer chemischen Poli-turlösung aus Essigsäure (CH³COOH), Flusssäure (HF) und Salpetersäure (HNO3), gefolgt von einer Reinigung in HCl und HF. Der anschließend diffundierte 30Ω/

Emitter wird zurückgeätzt auf einen Schichtwiderstand von etwa 100Ω/. Dann erfolgt ein erneuter HCl/HF-Reinigungsschritt, gefolgt von einer Piranha-Reinigung, bevor die trockene Oxidation bei 900℃ durchgeführt wird.

Daran schließt sich die PECVD-SiN^x:H-Abscheidung an und die Proben werden abschließend gefeuert. Mittels QSSPC wird die Emittersättigungsstromdichte in Hoch-injektion bei einer Minoriätsladungsträgerdichte∆n von 1·10¹⁶cm⁻³ gemessen.

Die erreichten j_0E-Werte sind in Abbildung 3.10 darge-stellt. Mit einem SiO²/SiN^x:H-Stack-System lässt sich für einen von 30Ω/ Emitter, der zurückgeätzt wird auf einen Schichtwiderstand von 100Ω/, eine Verrin-gerung derj_0E-Werte nahezu um den Faktor zwei erzie-len. Die Schichtdicken werden mit einem Ellipsometer auf Vorder- und Rückseite auf verschiedenen Proben gemessen und gemittelt. Ausgehend von einer 90 nm dicken SiNx:H-Schicht mit etwa 40 fA/cm² lassen sich mit einem Stack aus 1 - 4 nm dickem SiO² und 90 nm dickem SiNx:H circa 22 fA/cm² erreichen.

2 0

Abbildung 3.10: Gemessene Emittersättigungsstromdichte j_0E/Seite verschiedener SiO²/SiN^x:H-Verhältnisse und einer 90 nm dicken SiN^x:H-Referenz.

Nach diesem Vorversuch wird nun ein Stack-System aus etwa 10 nm dickem SiO² und 75 nm dickem SiNx:H auf j_0E-Proben aufgebracht. Die Dauer der trockenen, thermischen Oxidation beträgt 5 Minuten bei 900℃. Nach einer Emitter-POCl³-Diffusion mit einem Ausgangsschichtwiderstand von 30Ω/ werden diese verschieden stark zurückgeätzt bis auf etwa 180Ω/. Die Bestimmung des Schichtwiderstands R_sheet erfolgt mittels Vier-punktmessung vor der Abscheidung der Passivierschicht. Es werden blanke mit texturierten (randompyramid) Proben verglichen. Die Proben wurden im gleichen Experiment aus dem vorhergehenden Abschnitt prozessiert. Die gemessenen j_0E-Werte sind in Abbildung 3.11 zusammen mit den SiN^x:H-Referenzen aus dem ersten Abschnitt dieses Kapitels dargestellt.

Mit einem thermischem SiO²/SiN^x:H-Stack lassen sich auf beiden Oberflächen extrem niedrige Sättigungsstromdichten von unter 20 fA/cm² erreichen.

2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0

Abbildung 3.11:Gemessene Emittersättigungsstromdichtej_0E/Seite aufgetragen über den Schichtwiderstand R_sheet von verschieden stark zurückgeätzten Proben mit thermischem SiO2/SiNx:H-Stack und einer 75 nm dicken SiNx:H-Referenz, inklusive Vergleich von blan-ken und texturierten Proben [Book11a].

Die thermische Oxidation hat außerdem einen Eintreibe-Effekt auf das Dotierprofil, was zu einer niedrigeren Phosphorkonzentration an der Oberfläche führt (siehe Abbildung 3.12).

Dies gilt insbesondere für ein auf weniger als 100Ω/ zurückgeätztes FSF, bei welchem der „kink“ immer noch vorhanden ist. Der Verlauf erklärt auch den steileren Abfall vonj_0E mit zunehmendem Schichtwiderstand für die Proben mit Oxid fürR_sheet< 100Ω/.

0 , 0 0 , 1 0 , 2 0 , 3 0 , 4

1 0^{1 7} 1 0^{1 8} 1 0^{1 9}

1 0^{2 0 8 0 Ω/} R ü c k ä t z - F S F

v o r O x id a t io n n a c h O x id a t io n

P Konzentration [cm-3 ]

T ie f e [ µ m ]

Abbildung 3.12: ECV-Messungen der Dotierprofile eines 80Ω/ Rückätz-FSF vor und nach der thermischen Oxidation [Book11a].

Solarzellen mit SiO₂/SiN_x:H-Stack

Anschließend werden 6“ n-Typ-Solarzellen aus Cz-Silizium mit allen drei Substraten (sie-he Tabelle 3.1) (sie-hergestellt. Die Solarzellen erhalten ein selektives Front Surface Field und einen unpassivierten, vollflächigen, einlegierten Aluminium-Emitter. Das 30Ω/FSF wird zurückgeätzt auf 100Ω/. Ein bis zwei Solarzellen pro Gruppe werden stärker zurückgeätzt auf etwa 150-200Ω/. Das FSF wird bei einer Gruppe durch eine PECVD-SiN^x:H-Schicht passiviert, die als Referenz dient. Die restlichen Solarzellen erhalten eine Passivierung mit einem SiO²/SiN^x:H-Stack mit 10 nm dickem SiO²und 65 nm dickem SiN^x:H. Da von Sub-strat B nur noch wenige Wafer übrig sind, werden aus diesen Wafern nur Solarzellen mit SiO2/SiNx:H-Stack hergestellt. Die Dauer der trockenen, thermischen Oxidation beträgt erneut 5 Minuten bei 900℃. Bei den Solarzellen mit dem Stack-System wird der HCl/HF-Reinigungsschritt vor der Abscheidung der Passivierschicht durch eine sogenannte RCA-Reinigung (entwickelt von der Radio Corporation of America [Kern70]) ersetzt, welche als Standard-Reinigung in der Halbleiterindustrie weit verbreitet ist. Dabei erfolgt eine zweistu-fige nasschemische Behandlung, bei der die Oberflächenschicht bei etwa 80℃ aufoxidiert und anschließend das Siliziumoxid in verdünnter HF wieder entfernt wird. Zuerst werden durch Oxidation in einer NH3/H2O2/H2O-Lösung Partikel und organische Verunreinigun-gen entfernt. Anschließend wird das Oxid in verdünnter HF entfernt, gefolgt von einer weiteren Oxidation und Reinigung in einer HCl/H2O2/H2O-Lösung, um metallische Ver-unreinigungen zu entfernen, und dem abschließenden Ätzschritt in verdünnter HF.

Bei allen Solarzellen werden die Kanten, die nicht mit Aluminium-Paste bedruckt sind (et-wa 1 mm) mit einer automatischen Trennsäge entfernt. Da sich dort kein Emitter bildet, tragen diese Bereiche nicht zum generierten Strom I_sc bei und verringernj_sc.

Dieser Effekt beziehungsweise der Gewinn durch Entfernen des unberuckten Rands wird näher in Abschnitt 3.3.3 betrachtet und soll an dieser Stelle nur kurz erwähnt werden.

6 4 0

Abbildung 3.13: Gemessene I-V-Parameter für n-Typ-Solarzellen mit SiO2/SiNx:H-Stack und SiN^x:H-Referenzgruppe .

Die Ergebnisse der I-V-Messungen an den Solarzellen sind in Abbildung 3.13 dargestellt.

Die entsprechenden Mittelwerte sind in Tabelle 3.3 aufgelistet.

Substrat FSF Passivierung V_oc [mV] j_sc [mA/cm²] F F [%] η [%]

beste Solarzelle, C 647 37,6 79,8 19,4^∗

Tabelle 3.3: Mittelwerte aus I-V-Messungen der aus den drei Substraten hergestellten Solarzellen und Resultat der besten Solarzelle, ^∗: Messung des Fraunhofer ISE CalLab.

Auf allen Substraten werden sehr hohe V_oc-Werte bis 650 mV gemessen. Der Grund für

die niedrigeren jsc Werte, die auf den Solarzellen von Substraten A und B im Vergleich zu Substrat C erreicht werden, liegt an einem abgenutzten Sieb, das zu Fingerbreiten von 120 - 160 µm führt. Die entsprechenden Reflexionsverluste auf den Substraten A und B lassen sich mittels Reflexionsmessungen zu einer mittleren Differenz von 0,6 mA/cm² be-rechnen verglichen mit Substrat C, für das beim Drucken der Metallisierung ein neues Sieb benützt wird, dessen Fingerbreiten bei 80 - 120 µm liegen.

3 0 0 4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0

Abbildung 3.14:Links: Reflexionsmessungen (skaliert von 0-30%) der Solarzellen;Rechts: aus den Reflexionsdaten berechneter Verlust inj_sc; jeweils für alle drei Substrate.

Durch eine verbesserte Oberflächenpassivierung mit einer zusätzlichen SiO²-Schicht lässt sich der Wirkungsgrad im Mittel um 0,59%absfür Substrat A und um 0,53%absfür Substrat C, im Vergleich zu einer Standard-SiN^x:H-Passivierung verbessern (siehe Tabelle 3.4).

Substrat F F [%] V_oc [mV] j_sc [mA/cm²] η [%^abs]

A (6Ωcm) Gewinn 0,24 6,8 0,66 0,59

± 0,43 1,7 0,20 0,21

C (11Ωcm) Gewinn 0,27 8,7 0,43 0,53

± 0,68 1,3 0,20 0,17

Tabelle 3.4: Gemittelter Gewinn durch eine verbesserte Oberflächenpassivierung mit SiO²/SiN^x:H-Stack im Vergleich zu einer Standard- SiN^x:H-Passivierung.

Der Einfluss der verbesserten Oberflächenpassivierung auf die interne Quantenausbeute im Vergleich zu einer Standard SiNx:H-Passivierung und eine Simulation mit entsprechenden Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten ist schließlich in Abbildung 3.15 dargestellt.

Ein SiO²/SiN^x:H-Stack erzielt bei 600 nm eine Verbesserung der IQE um fast 5% im Ver-gleich zu einer Standard-SiNx:H-Passivierung.

In diesem Kapitel konnte gezeigt werden, wie mittels eines SiO2/SiNx:H-Stack-Systems eine gute Vorderseiten-Passivierqualität und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.

Neben höheren Voc- und jsc-Werten verringert eine verbesserte Vorderseiten-Passivierung den Einfluss des Basiswiderstands. Ein breiter Widerstandsbereich kann dann für diesen So-larzellentyp verwendet werden, wie bereits in Abschnitt 2.4 durch Simulationen aufgezeigt wurde.

4 5 0 6 0 0 7 5 0 9 0 0 1 0 5 0 1 2 0 0 8 0

8 5 9 0 9 5 1 0 0

S iN : H

P C 1 D S R V = 5 x 1 0 c m / s S iO + S iN : H

P C 1 D S R V = 1 x 1 0 c m / s

x

4

IQE [%]

W e lle n lä n g e λ [ n m ]

4 x

2

Abbildung 3.15: Gemessene und simulierte IQE (skaliert von 80-100% einer n-Typ-Solarzelle mit FSF-Passivierung durch Standard-SiNx:H und SiO2/SiNx:H-Stack. Für die PC1D-Simulationen werden die Dotierprofile vor und nach der Oxidation eingelesen (siehe Abbildung 3.12).

Im Dokument Untersuchungen zur Vorderseiten-Passivierung und Bildung des rückseitigen Al-Emitters für kristalline n-Typ Si-Solarzellen (Seite 53-60)