Analyse der Grenzfläche zwischen kristallinem Silizium und dielektrischen Schichten zur Oberflächenpassivierung

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der dielektrischen Oberflächenpassivierung und damit mit dem Verringern von Ladungsträgerrekombinationen an der Oberfläche von Silizium und Siliziumsolarzellen.Die Untersuchung von Einflussfaktoren auf die dielektrische Oberflächenpassivierung ergab, dass sowohl Substratreinigung und Voroxidation, als auch die Abscheidung einer zusätzlichen SiO2 Schutzschicht und eine Beleuchtung von Passivierschicht und Grenzfläche zu berücksichtigen sind.Minoritätsladungsträgerlebensdauermessungen mit unterschiedlich chemisch erzeugten nativen Siliziumoxiden unter PECVD-SiNx:H- und ALD-Al2O3-Schichten ergaben meist höhere Werte als sie für Schichten auf HF-gedippten Si-Oberflächen erreicht wurden. Auf diese Messungen aufbauend wurde ein mikroskopisches Modell entwickelt, das beschreibt wie Eigenschaften der Grenzfläche und die dort vorhandene Wasserstoffkonzentration die Oberflächenpassivierung beeinflussen. Zentrale Aussage dieses Modells ist, dass chemisch erzeugte native Siliziumoxide im Vergleich zu Siliziumoxiden, die an Luft entstehen, eine Grenzfläche bilden, welche sich über mehrere Atomlagen erstreckt und dadurch Grenzflächenzustände, durch weniger Gitterverspannungen, verringern. An der Grenzfläche vorhandene offene Si-Bindungen sind außerdem mit Wasserstoff abgesättigt.Untersuchungen, die an mit SiO2-Schutzschichten bedeckten SiNx:H-Schichten im Vergleich zu unbedeckten Schichten auf Silizium durchgeführt wurden, zeigten, dass durch die SiO2-Schutzschicht mehr Si-H-Bindungen während eines Feuerschritts entstehen, mehr Wasserstoff an der Grenzfläche zum Silizium gefunden werden kann, die Zustandsdichte an der Grenzfläche zum Silizium geringer ist und damit die Oberflächenpassivierung verbessert wird.Fiel Licht hoher Intensität auf eine gefeuerte SiNx:H/SiO2-Doppelschicht, die auf p Typ-Silizium abgeschieden war, ließ sich eine Zunahme der Minoritätsladungsträgerlebensdauer feststellen (25% bis über 200% Zunahme). Der Effekt trat deutlich stärker auf, wenn die Dielektrika auf chemisch erzeugte native Siliziumoxide abgeschieden wurden. Ein auf Basis von Coronaaufladungs- und Lebensdauermessungen entwickeltes mikroskopisches Modell beschreibt, dass durch Licht beeinflusster protonischer Wasserstoff für die beobachteten lichtinduzierten Veränderungen verantwortlich ist. Im Modell ist protonischer Wasserstoff an der Grenzfläche für Defektzustände verantwortlich, die durch Photonen mit einer Energie über 0,5 eV verringert werden können.Mit optischen Simulationen wurden Einzel- (SARC) und Doppelantireflexschichten (DARC) aus SiNx:H und SiO2 auf Zelllevel und im Modul für größtmögliche Lichtein-kopplung ins Substrat optimiert. Zusätzlich wurde erstmals die Erhöhung der Prozessstabilität gegenüber Dickenschwankungen, die sich durch eine DARC ergibt, quantifiziert. Für eine SARC, die nur 40% der optimalen Schichtdicke hat, ergab sich eine um mehr als sechsmal so hohe Verringerung der Effizienz als für eine DARC (1%abs zu 0,15%abs). Im optimalen Fall errechnete sich für eine DARC ein Vorteil von 0,33 mA/cm2 (+ 0,84% relativ) für die Stromdichte und 0,17% (+ 0,85% relativ) für die Effizienz im Vergleich zu einer SARC. Die größere Prozessstabilität durch die Insensitivität gegenüber inhomogener Schichtdicke kann genutzt werden, um Dielektrika stärker in Richtung hoher Passivierqualität oder reduzierter Prozesszeit zu optimieren.Im Modul war der Vorteil einer DARC durch die Simulation alleine nicht sichtbar. Er ergab sich hier durch eine Vereinfachung der Selektion der Zellen aufgrund einer geringeren Änderung der Optik der Zelle durch die Verkapselung in EVA. Mit Hilfe einer Überblendung der Simulationsergebnisse ließ sich für den Bereich 55-75 nm SiNx:H-Dicke und 70-110 nm SiO2-Dicke eine für sowohl Zellauswahl, Zell- als auch Modulherstellung optimale DARC finden.Eine Kombination der optischen Vorteile (Kapitel 3) und der elektrische Vorteile (Unterkapitel 2.4), die eine DARC mit sich brachte, ergab bei einem kleinen Effizienzgewinn (ca. 0,1%abs) und einer deutlichen Prozessvereinfachung für die Solarzellenmodulproduktion einen Prozessvorteil, der sehr einfach und ohne neue Geräte dargestellt werden könnte.Mit den in Kapitel 2 gewonnenen Erkenntnissen für die Rahmenbedingungen einer guten Oberflächenpassivierung und den durch Kapitel 3 ermöglichten Freiheiten bezüglich Schichtdickenschwankungen wurden daraufhin SiNx:H-Schichten mit dem Ziel einer verringerten Absorption bei bestmöglicher Passivierung optimiert. Die Messungen der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten der entwickelten Schichten ergab mit unter 10 cm/s einen Wert, der für niedrigbrechende SiNx:H Schichten (n=1,94) zuvor noch nicht veröffentlicht worden war. Optische Simulationen, gestützt durch Ellipsometermessungen, zeigten einen gut geeigneten Brechungsindex sowohl für Einfach- als auch für Doppelantireflexschichten bei kaum messbarer Absorption.Der Vergleich auf siebgedruckten p-Typ-Si Al-BSF-Solarzellen zeigte mit 38,2 mA/cm2 Kurzschlussstromdichte für das optimierte Siliziumnitrid in einer Doppelantireflexschicht erwartungsgemäß die höchste Effizienz. Die Betrachtung der EQE offenbarte für die optimierte Schicht im Vergleich zur Ausgangsschicht derselben Anlage durch eine verringerte Absorption und Reflexion eine deutlich höhere Quanteneffizienz bei kurzen Wellenlängen (über 15%abs mehr EQE bei 350 nm).Insgesamt zeigten die hergestellten Solarzellen, dass die Integration einer Doppelantireflexschicht schon ohne sonstige Anpassungen des Zellprozesses zu erhöhten Wirkungsgraden und einer höheren Prozessstabilität führt, und bestätigen damit die in den Simulationen berechneten Abhängigkeiten (Kapitel 3) und übertreffen die in der Simulation errechnete Effizienzsteigerung durch die bessere Oberflächenpassivierung der Schichten sogar. Für die DARC konnte mit ca. 0,5 mA/cm² höherer Kurzschlussstromdichte im Vergleich zur SARC eine Effizienzsteigerung von ca. 0,29%abs gemessen werden. Durch eine Anpassung des Zellprozesses, wie z.B. mit einem selektiven Emitter und für Doppelschichten optimierten Feuertemperaturen, bietet dieser Ansatz zusätzliches Effizienzpotential.Untersuchungen mit dem Ziel eine Passiviermöglichkeit für die Rückseite von siebgedruckten p Typ Si PERC Solarzellen zu finden zeigten, dass ein mit herkömmlichen PECVD-Anlagen herstellbares getempertes dielektrisches Schichtsystem aus SiNx:H, SiO2 und SiCx mit SiCx als primärer Passivierschicht für Proben eine sehr gute Oberflächenpassivierung darstellt (SRV unter 8 cm/s). Für den simulierten Einsatz in Solarzellen errechneten sich effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten von unter 200 cm/s für eine mit Punktkontakten metallisierte und gefeuerte Rückseite und damit deutlich geringere Werte als für ein Al-BSF. Eingesetzt in Zellprozessen, die keinen Hochtemperaturschritt nach dem Auftragen der Passivierschicht aufweisen, hat dieser Ansatz zusätzliches Effizienzpotential (SRV kontaktiert ca. 23 cm/s).Mit den dargestellten Untersuchungen und neuen Modellen trägt diese Arbeit zum besseren Verständnis der Vorgänge bei der dielektrischen Oberflächenpassivierung von Silizium bei. Daraus resultierende Prozessoptimierungen ermöglichen Effizienzsteigerungen und Prozessvereinfachungen für aktuelle und zukünftige Zellprozesse und sind einfach in bestehende Prozesse zu implementieren.