Siliziumkarbidschichten und -schichtsysteme

Zur Untersuchung des Einflusses schützender dielektrischer Schichten auf die Passiviereigenschaften von SiCx sind in Abbildung 4.18 die eff Werte für getemperte Schichten aus SiCx/SiO2/SiNx:H, SiCx/SiO2 und nur SiCx angegeben.

Abbildung 4.18: Vergleich getemperter Schichten (400°C, 30 min) aus SiCx/SiO2/SiNx:H, SiCx/SiO2 und nur SiCx. auf 525 µm dicken FZ-Si Proben. SiCx immer abgeschieden bei einem CH4 zu SiH4 Verhältnis von 8 zu 1. Verwendete Schichtdicken: SiCx: 60 nm, SiO2: 65 nm, SiNx:H: 40 nm.

Abbildung 4.18 verdeutlicht den positiven Einfluss schützender Schichten. Wie auch von Janz [142] beobachtet steigert eine Schutzschicht aus SiO2 eff deutlich. In dieser Arbeit sogar um mehr als eine Größenordnung von ca. 30 µs auf Werte um 500 µs. Mit einer zusätzlichen Schicht aus SiNx:H werden 3,3 ms (3,0 ms bei einer Injektion von 1·10¹⁴ cm^-3 Überschussladungsträgern) erreicht. Mit der Annahme unendlicher Volumenlebensdauer errechnet sich daraus eine Oberflächenrekombinationsgeschwin-digkeit von 7,6 cm/s (8,4 cm/s bei 1·10¹⁴ cm^-3).

Im Vergleich zu Werten von Al2O3 Schichten (<1 cm/s, Abschnitt 2.3.3) ist der SRV-Wert hier deutlich höher. Simulationen nach Münzer et al. [143] zeigen jedoch, dass die Auswirkung auf die Solarzelleffizienz in diesem SRV-Bereich sehr gering ist.

Die Injektionsabhängigkeit der Lebensdauermessungen zeigt deutlich eine Akkumulation. Das lässt darauf schließen, dass die durch die SiCx Schicht erzeugten ortsfesten Ladungen negativ sind.

Ein weiterer beobachtbarer Effekt ist die Sensibilität der Proben gegenüber natürlich aufwachsendem Siliziumoxid. Es wurden jeweils zwei Proben in einer Abscheidung beschichtet, die dazu nacheinander mit Flusssäure gereinigt wurden. Der Vorgang

16 c 17 b 17 c 18 c 18 b 16 b 10

100 1000

SiC_x SiC_x + SiO₂

SiC_x + SiO₂ + SiN_x:H

 eff bein = 1x1015 cm-3 [µs]

Substrat

4 Dielektrika

nimmt etwa eine Minute in Anspruch. Jeweils die Probe, welche zuerst gereinigt wurde und damit länger der Umgebungsluft ausgesetzt war, zeigt am Ende des Prozesses leicht niedrigere eff Werte. Einen ähnlichen Effekt auf größeren Zeitspannen konnte auch von Janz et al. [146] beobachtet werden. Versuche zu Abscheidungen auf chemisch erzeugten nativen Siliziumoxiden (vgl. Abschnitt 2.3) führen zu sehr geringen

eff und werden daher nicht weiter verfolgt.

4.2.3.2 Variation getemperter Schichtsysteme

Im Folgenden wird der Einfluss der Variation der Abscheideverhältnisse von CH4 zu SiH4 und die Variation der Schichtdicke der SiCx Schicht untersucht. Abbildung 4.19 stellt die ermittelten eff Werte für FZ-Si Substrate dar, welche für 30 Minuten bei 400°C in Stickstoffatmosphäre temperaturbehandelt wurden.

Abbildung 4.19: eff Werte getemperter Schichten (400°C, 30 min) aus SiCx/SiO2/SiNx:H auf 525 µm dicken FZ-Si Proben unter Variation des CH4 zu SiH4 Verhältnisses. Verwendete Schichtdicken: SiO2: 65 nm, SiNx:H: 40 nm.

Das Maximum der eff Werte lässt sich bei einem Verhältnis von acht zu eins erkennen. Ein Vergleich mit Resultaten von Riegel et al. [141], wo ungeschützte SiCx- Schichten betrachtet werden, deutet darauf hin, dass durch die Schutzschichten eine Verschiebung der optimalen Passivierqualität hin zu höheren Verhältnissen stattfindet.

Die Verbesserung der Passiviereigenschaften durch die Schutzschichten ist somit kein einfacher Offset auf die Werte einer Einzelschicht, sondern ein komplexes Wechselspiel der Schichten, welches von der chemischen Zusammensetzung der SiCx-Schicht abhängt.

Bei der Dickenvariation der SiCx-Schicht ergibt sich für dicke Schichten eine Limitierung auf Grund der mechanischen Stabilität. Zu dicke Schichten (> 60 nm) neigen bei Hochtemperaturschritten auch mit Schutzschichten zum Abplatzen. Zu dünne Schichten verringern die Passivierwirkung. SiCx-Dicken zwischen 40 nm und 60 nm markieren damit das Optimum. Die SiNx:H- und SiO2-Schichten werden für

2 4 6 8 10 12 14 16 18

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

60 nm SiC_x 40 nm SiC_x 20 nm SiC_x

 eff bei n = 1x1015 cm-3 [µs]

Verhältnis CH₄ / SiH₄

ihren Einsatz als Schutzschichten nicht in ihren Zusammensetzungen variiert. Es werden lediglich die Dicken derart angepasst, dass die mechanische Stabilität nach einem Hochtemperaturschritt gewährleistet ist. Zur Kontrolle der mechanischen Stabilität eignen sich die polierten Oberflächen der ausgewählten Proben sehr gut. Die Versuche haben herausgestellt, dass diese Oberflächen den problematischsten Fall darstellen. Schichtsysteme, die auf polierten Oberflächen nicht oder nur wenig abplatzen, zeigen auf nicht polierten oder gar texturierten Oberflächen sehr gute Haftungseigenschaften.

Die Ergebnisse der Versuche auf mc-Si Material sind in Abbildung 4.20 dargestellt.

Abbildung 4.20: eff Werte getemperter Schichten (400°C, 30 min) aus SiCx/SiO2/SiNx:H auf 270 µm dicken mc-Si Proben unter Variation des CH4 zu SiH4 Verhältnisses.

Auf Grund der materialtypischen Inhomogenität der Minoritätsladungsträgerlebens-dauerverteilung im Basismaterial ist auch die Spreizung der gemessenen eff Werte größer als bei FZ-Si. Aus den Daten können aufgrund der Tatsache, dass die Proben nicht benachbart sind, keine eindeutigen Tendenzen abgelesen werden. Die Maximalwerte bilden wiederum ab, dass ein hoher CH4 Anteil zu einem Abfall der eff

Werte führt. Das Niveau der gemessenen Werte liegt für dieses Material auf sehr hohem Niveau. Vergleichsproben des selben Materials, welche mit Schichten aus amorphem Silizium passiviert sind, konnten keine höheren Werte, als die maximal erreichten 130 µs, erzielen.

4.2.3.3 Temperaturstabilität

Zur Überprüfung der Temperaturstabilität der Schichtsysteme werden FZ-Si und mc-Si Proben mit unterschiedlichen CH4 zu SiH4 Verhältnissen einem Hochtemperaturschritt ausgesetzt, der bezüglich Wärmeeintrag vergleichbar mit einem Kontaktfeuerschritt in der Zellherstellung ist. Da die Temperatur bei metallisierten Proben um bis zu 80°C niedriger liegt als bei unmetallisierten und rückseitig passivierte Solarzellen in der Regel kälter gefeuert werden, sind die Feuertemperaturen derart

6 8 10 12 14 16 18

60 80 100 120 140 160

60 nm SiC_x 40 nm SiC_x 20 nm SiC_x

 eff bei n = 1x1015 cm-3 [µs]

Verhältnis CH₄ / SiH₄

4 Dielektrika

niedrig gewählt, dass ein Kontaktfeuern gerade noch sicher möglich ist. In Abbildung 4.21 sind die eff Werte aufgetragen, die sich für gefeuerte Schichten auf FZ-Si und mc-FZ-Si ergeben.

Abbildung 4.21: eff Werte gefeuerter Schichten aus SiCx/SiO2/SiNx:H auf 270 µm dicken mc-Si und 250 µm dicken FZ-Si Proben unter Variation des CH4 zu SiH4 Verhältnisses.

Die sich ergebenden eff Werte zeigen deutlich, dass die Passivierqualität, im Vergleich zu den getemperten Proben, deutlich verringert ist. Im Vergleich zu dem Verlauf von gemessenen getemperten Proben und auch im Vergleich zu Arbeiten von Riegel et. al. [147] zeigt sich ein Trend, wobei die höchsten eff Werte bei höheren CH4

zu SiH4 Verhältnissen liegen. Mit der in der Formel (1.23) gezeigten Abhängigkeit ergibt sich draus für die am besten passivierenden Schichtenkombination eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit (SRV) von 65 cm/s auf FZ-Si. Die Arbeit von Glunz et al. [51] hat ausgeführt, dass Passivierschichten mit Oberflächenrekom-binationsgeschwindigkeiten in diesem Bereich erfolgreich als Passivierschicht für die Rückseiten hocheffizienter Solarzellen verwendet werden können. Unter der Annahme eines Rückseitenmetallisierungsanteils von 2%, für eine Solarzelle mit dielektrisch passivierter Rückseite, lässt sich nach [148] eine effektive ORG berechnen. Für die betrachtete Schicht ergeben sich damit < 200 cm/s. Dieses Schichtsystem bietet damit eine bessere effektive ORG als ein Al-BSF. Außerdem erhöht sich die interne Reflexion durch eine dielektrische Rückseite [51]. Insbesondere kohlenstoffreiche SiCx Schichten beeinflussen, durch ihren geringeren Brechungsindex, die optischen Eigenschaften positiv [149].

Zur Untersuchung des Einflusses von Schutzschichten auf gefeuerte Lebensdauer-proben sind für ein Abscheidungsverhältnis von 17 Teilen CH4 zu einem Teil SiH4 in Abbildung 4.22 eff Werte dargestellt.

8 10 12 14 16 18 20 22

20 40 60 80 100 120 140 160 180

FZ-Si mc-Si

 eff bein = 1x1015 cm-3 [µs]

Verhältnis CH4 / SiH4

Abbildung 4.22: Effekt von Schutzschichten auf eff Werte bei gefeuerten Schichten aus

SiCx/SiO2/SiNx:H, SiCx/SiO2, und nur SiCx auf 270 µm dicken mc-Si und 250 µm dicken FZ-Si Proben.

SiCx bei einem CH4 zu SiH4 Verhältnis von 17.

Noch deutlicher als im temperaturbehandelten Fall offenbart sich hier der Vorteil einer doppelten Schutzschicht. Das eff Niveau des SiCx/SiO2/SiNx:H-Schichtsystems kann sich um mehr als eine Größenordnung von sowohl Einzel-, wie auch einfach geschützter Schicht abheben.

Im Vergleich zu Werten von gefeuerten Al2O3/SiNx:H Doppelschichten (ca. 2 cm/s, Abschnitt 2.3.3) ist der SRV-Wert hier deutlich höher. Auch von Münzer et al.

präsentierte SiOxNy Schichten [143] führen zu deutlich niedrigeren Werten (<10 cm/s).

Für den Einsatz in Solarzellenkonzepten mit einem Feuerschritt scheinen diese Schichten besser geeignet zu sein.

Basierend auf diesen Untersuchungen wurde in [150] eine SiCx Schicht zur Rückseitenpassivierung von Ribbon Growth on Substrate (RGS) Solarzellen erfolgreich eingesetzt.

FZ FZ FZ FZ FZ FZ mc mc mc mc mc mc 1

10 100

SiC_x SiC_x + SiO₂

SiC_x + SiO₂ + SiN_x:H

 eff bein = 1x1015 cm-3 [µs]

Si-Substrat

4 Dielektrika