Steigerung der PERC-Solarzellenleistung: ALD-abscheidetes Al₂O₃ mit optimiertem Zweischritt-Glühen für überlegene Si-Passivierung

Zusammenfassung

In dieser Studie wurden Aluminiumoxid-Schichten (Al₂O₃) mittels räumlicher atomarer Lagenschichtabscheidung (spatial ALD) unter Verwendung von deionisiertem Wasser und Trimethylaluminium hergestellt, gefolgt von Sauerstoff (O₂), Formiergas (FG) oder einem zweistufigen Glühprozess. Die Minderheitsträgerlebensdauer der Proben wurde mit einem Sinton WCT-120 gemessen. Die Feld-Effekt-Passivierung und chemische Passivierung wurden anhand der festen Oxidladung (Q_f) und der Grenzflächen-Defektdichte (D_it) bewertet, jeweils mittels Kapazität-Spannungs-Messungen. Die Ergebnisse zeigen, dass O₂-Glühen eine hohe Q_f von −3,9 × 10¹² cm⁻² liefert, während FG-Glühen eine exzellente Si-Grenzflächen-Wasserstoffierung mit einer niedrigen D_it von 3,7 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻² bewirkt. Basierend auf der Betrachtung der besten Feld-Effekt-Passivierung durch Sauerstoff-Glühen und der besten chemischen Passivierung durch Formiergas wurde der zweistufige Glühprozess optimiert. Es wurde verifiziert, dass der sequenziell in Sauerstoff und dann in Formiergas geglühte Al₂O₃-Film eine hohe Q_f (2,4 × 10¹² cm⁻²) und eine niedrige D_it (3,1 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²) aufweist, was die beste Minderheitsträgerlebensdauer von 1097 µs ergibt. Der SiN_x/Al₂O₃-Passivierungsstapel mit zweistufigem Glühen erreicht eine Lebensdauer von 2072 µs, nahe am intrinsischen Lebensdauer-Limit. Schließlich wurde der Wirkungsgrad von Passivierten-Emitter-und-Rückseiten-Zellen (PERC) von 21,61 % bei Verwendung eines industriellen Glühprozesses auf 21,97 % bei Verwendung des zweistufigen Glühprozesses gesteigert.

Einleitung

Passivierte Emitter und Rückseiten-Zellen (PERC) haben sich in den letzten Jahren als vielversprechende Technologie für sowohl hohe Effizienz als auch wettbewerbsfähige Kosten etabliert. Der Hauptunterschied zwischen PERC und herkömmlichen Vollaluminium-Rückseiten-Feld-Silizium-Solarzellen liegt in der Rückseitenpassivierung der Wafer. Erhebliche Anstrengungen wurden unternommen, um die Wafer-Oberflächenpassivierung zu verbessern. Minderheitsträgerlebensdauern von 0,8–8 ms wurden für p-typische Float-Zone-Wafer berichtet, die durch Vakuum [1,2,3,4] oder räumliche ALD-Aluminiumoxid (Al₂O₃) [5,6,7] passiviert wurden. Die Passivierungsqualität für p-typische Czochralski-Wafer ist geringer, im Bereich von 0,1–2 ms [8, 9]. Räumliche ALD Al₂O₃ wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht und in der Industrie angewendet, aufgrund ihrer höheren Abscheiderate (0,03–1,2 nm/s) im Vergleich zu konventioneller Vakuum-ALD (< 0,03 nm/s) [10, 11]. Trimethylaluminium (TMA) und H₂O sind die am weitesten verbreiteten Precursoren, da sie kostengünstige, flüchtige Flüssigkeiten sind und einfach zu handhaben. Einige Forschungsgruppen verwenden andere Precursoren wie AlCl₃ oder O₃ [12,13,14]. Al₂O₃ gilt derzeit als das beste Passivierungsmaterial aufgrund seines Feldeffekts und der chemischen Passivierung [15]. Es wurde festgestellt, dass der H₂O-basierte ALD-Prozess überwiegend zu einer Siliziumoxid-Schicht (SiO_x) an der Al₂O₃/Si-Grenzfläche führt, und diese Grenzflächenschicht kann nach der Abscheidung oder dem Glühen auftreten. Nachträgliches Glühen von Al₂O₃-Schichten in Stickstoff oder Formiergas (FG) hat sich als signifikant lebensdauersteigernd für Wafer erwiesen [12, 17]. Wasserstoff in FG oder Al₂O₃ bewirkt die Wasserstoffierung der Si-Grenzfläche während des Glühens. Die Glühtemperatur liegt typischerweise unter 500 °C, darüber tritt Dehydrierung auf. Andere Glühprozesse zur weiteren Verbesserung der Passivierungsqualität sind jedoch selten berichtet worden.

In dieser Studie werden Al₂O₃-Schichten auf Si durch räumliche ALD mit TMA und H₂O als Precursoren hergestellt. Die Effekte von Sauerstoff (O₂) und FG-Nachglühen auf die Passivierung von Si-Wafern werden untersucht und analysiert. Ein zweistufiges Glühen als Kombination von O₂- und FG-Glühen wird vorgeschlagen und zeigt eine höhere Wafer-Lebensdauer im Vergleich zu den einzelnen Gas-Glühprozessen. Schließlich werden die photovoltaischen Leistungen von PERCs vorgestellt, die mit Industriestandard, O₂-, FG- und zweistufigem Glühen gefertigt wurden.

Methoden

Als Substrate dienten p-typische (100) Czochralski-Silizium-Wafer mit einem Widerstand von 1 Ω·cm und einer Dicke von 200 µm. Die Wafer wurden mit dem standardmäßigen RCA-Prozess gereinigt, gefolgt von einem 30-sekündigen HF-Eintauchen zur Entfernung des nativen Oxids auf den Wafern. Die Al₂O₃-Dünnschichten mit einer Dicke von 18 nm wurden mit einem räumlichen ALD-System abgeschieden, wobei H₂O und TMA als Oxidationsmittel bzw. Aluminiumquelle dienten. Der Abstand zwischen den Gasinjektionsköpfen und dem beweglichen Substrathalter betrug etwa 1 mm. Die detaillierten Abscheideparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Temperatur der Leitungen betrug 70 °C, um eine Kondensation der Precursoren zu verhindern. Einige der Wafer wurden mit einem Siliziumnitrid (SiN_x, 120 nm)/Al₂O₃ (18 nm) Stapel passiviert, wobei die SiN_x-Schicht mittels 13,56-MHz-induktiv gekoppelter Plasma-Dampfphasenabscheidung bei 120 °C mit einem Gasgemisch aus Ammoniak (NH₃) und Tetramethylsilane (TMS) abgeschieden wurde. Weitere Parameter für die SiN_x-Abscheidung sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Sauerstoff-, FG- oder zweistufige Glühprozess wurde an den Proben durchgeführt, und die Glühparameter sind in Tabelle 3 aufgelistet. Die Lebensdauer der Proben wurde mit einem Sinton WCT-120 gemessen. Die Kapazität-Spannungs-Messung (C-V) wurde an Metall-Oxid-Halbleiter-Proben (MOS) mit einem Kapazitätsmessgerät (HP 4284a) bei 1 MHz bei Raumtemperatur durchgeführt. Für die MOS-Fertigung wurden die Wafer mit einer 18-nm-dicken Al₂O₃-Schicht beschichtet und geglüht. Aluminiumfilme mit einer Dicke von 500 nm wurden auf beiden Seiten der Proben als Elektroden aufgedampft. Die Fläche der MOS-Proben betrug 1 mm². Querschnittsaufnahmen der Proben wurden mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erhalten. Für die PERC-Fertigung ist ein Schema der Geräte in Abb. 1 dargestellt, wobei die ALD-Passivierung nur auf der Rückseite erfolgt. Die Wafer wurden mit alkalischer Lösung texturiert, um zufällige Pyramiden zu erzeugen. Der Emitter wurde durch POCl₃-Diffusion in einem Standard-Röhrenofen mit einem Flächenwiderstand von 100 Ohm/Quadrat gebildet. Ein SiN_x von 85 nm Dicke wurde auf der Vorderseite des Wafers als Antireflexionsschicht durch induktiv gekoppelte Plasma-CVD (ICPCVD) abgeschieden. Die Rückseite des Wafers wurde 3 Minuten bei 70 °C mit KOH-Lösung poliert. Die Al₂O₃-Schichten von 18 nm Dicke wurden mittels räumlicher ALD abgeschieden. Ein ICPCVD-SiN_x von 120 nm Dicke wurde auf dem Al₂O₃ abgeschieden. Die Proben wurden mit verschiedenen Glühprozessen geglüht. Die rückseitigen lokalen Öffnungen mit einem Durchmesser von 40 µm und einem Abstand von 260 µm wurden durch 532-nm-Laserstrukturierung erzeugt. Schließlich wurde ein Silbergitter auf der Vorderseite und Aluminium auf dem rückseitigen Dielektrikum im Siebdruckverfahren aufgebracht, gefolgt von Co-Firing bei einer Spitztemperatur von 850 °C. Die Stromdichte-Spannungs-Kennlinien (J-V) wurden mit einem Dual-Lichtquellen-Solarsimulator (Wacom Co., Japan) unter Verwendung sowohl einer Xenon- als auch einer Halogenlampe mit einem kalibrierten Klasse-A-AM-1,5G-Simulationsspektrum gemessen.

Schematische Darstellung von PERC-Solarzellen mit SiN_x/ALD Al₂O₃-Rückseitenpassivierung

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die injektionsabhängigen Minderheitsträgerlebensdauern der Al₂O₃/Si/Al₂O₃-Proben ohne und mit verschiedenen Glühprozessen. Vor dem Glühen ist die Minderheitsträgerlebensdauer niedrig, unter 100 µs über den gesamten Injektionsbereich. Die Lebensdauer verbessert sich nach dem Glühprozess erheblich als Folge der chemischen Passivierung und Feldeffekt-Passivierung durch das geglühte Al₂O₃. Die Lebensdauerwerte unterscheiden sich jedoch unter diesen drei Glühbedingungen: Sauerstoff-Glühen hat die niedrigste Kurve, FG-Glühen die mittlere, und das zweistufige Glühen die höchste. Die Lebensdauerwerte bei einer Injektion von 3 × 10¹⁵ cm⁻³ sind in Abb. 2b extrahiert dargestellt. Die O₂-, FG- und zweistufig geglühten Proben weisen Lebensdauern von 818, 934 und 1098 µs auf. Beachten Sie, dass das zweistufige Glühen die höchste Lebensdauer nur mit der Glühreihenfolge erster Schritt in O₂ und zweiter Schritt in FG erreicht. Die umgekehrte Reihenfolge ergibt eine Lebensdauer ähnlich der Probe mit nur O₂-Glühen. Dies könnte daran liegen, dass, wenn FG-Glühen zuerst durchgeführt wird, das folgende O₂-Glühen Dehydrierung verursachen könnte. Niwano et al. berichteten, dass für einen durch Si–H- oder Si–H₂-Bindungen terminierten Wafer die Exposition gegenüber Sauerstoff zur Ersetzung der Wasserstoffbindungen durch Si–O-Bindungen führt [18].

a Injektionsabhängige Minderheitsträgerlebensdauer. b Lebensdauer bei einer Injektion von 3 × 10¹⁵ cm⁻³ für Al₂O₃/Si/Al₂O₃-Proben mit O₂-, FG- und zweistufigem Glühen

Da die Gesamtpassivierung durch Feldeffekt und chemische Passivierung bestimmt wird, hilft die C-V-Messung zu klären, welche Passivierung in den Fällen von O₂-, FG- und zweistufigem Glühen dominiert. Abbildung 3a zeigt die normierten C-V-Kurven für die Proben ohne und mit verschiedenen Glühprozessen. Die Steigung der Kurven im Abreicherungsbereich kann als Indikator für die Grenzflächen-Defektdichte (D_it) dienen, da die Existenz von Grenzflächenfallen eine Streckung der C-V-Kurve bewirkt [19]. Das zweistufige Glühen ergibt die größte Steigung unter den anderen, und somit wird die niedrigste D_it erwartet. Um weitere Informationen zu gewinnen, werden die Werte der festen Oxidladungsdichte (Q_f) und D_it aus den C-V-Kurven extrahiert und in Abb. 3b dargestellt. Die Q_f ist hilfreich für die Bewertung der Feldeffekt-Passivierung und wird berechnet durch [20]:

$$ Q_f = \frac{C_{ox}(W_{ms} - V_{fb})}{q A} $$ (1)

wobei C_ox die Akkumulations-Oxidkapazität, W_ms die Arbeitfunktionsdifferenz zwischen Halbleiter und Elektrode (in diesem Fall −0,9 V), V_fb die Flachbandspannung, q die Elementarladung und A die Fläche der MOS-Bauelemente ist. Die Q_f beträgt −3,2 × 10¹¹ cm⁻² für die als-abgeschiedene Probe. Q_f auf diesem Niveau führt zu schwacher Feldeffekt-Passivierung [21]. Alle geglühten Proben erhöhen Q_f auf das Niveau von 10¹² cm⁻². Man sieht, dass O₂-Glühen die höchste Q_f von 3,9 × 10¹² cm⁻² liefert, das zweistufige Glühen eine mittlere Q_f und FG-Glühen die niedrigste Q_f ergibt. Andererseits wird der D_it-Wert, geschätzt nach der Terman-Methode [22], ebenfalls gezeigt, um die chemische Passivierung zu bewerten. Die als-abgeschiedene Probe hat einen D_it von mehr als 10¹³ eV⁻¹ cm⁻². Er reduziert sich auf 5,4 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻² für O₂-Glühen, 3,7 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻² für FG-Glühen und 3,1 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻² für zweistufiges Glühen. Somit zeigt der Vergleich von O₂- und FG-Glühen, dass O₂-Glühen die bessere Feldeffekt-Passivierung aufweist, während FG die bessere chemische Passivierung hat. Ersteres könnte mit dem Wachstum der interfacialen SiO_x-Schicht zusammenhängen. Im Gegensatz zum FG-Glühen, das bei relativ niedriger Temperatur und ohne Sauerstoff durchgeführt wird, wird beim O₂-Glühen ein verbessertes Wachstum der interfacialen SiO_x-Schicht erwartet. Dies könnte die Möglichkeit der Al-Substitution für Si an der Al₂O₃/SiO₂-Grenzfläche erhöhen, was als eine mögliche Quelle negativer Festladungen angesehen wird [23]. Beim zweistufigen Glühen ist die mittlere Q_f als Kombination von O₂- und FG-Glühen vernünftig. Sein D_it-Wert ist jedoch niedriger als der des FG-Glühens. Dies wird durch den zusätzlichen Beitrag der höheren Qualität der interfacialen Oxidschicht durch das O₂-Glühen im ersten Schritt erklärt. Einige Studien berichteten auch, dass ein dichteres SiO_x zu einer besseren Passivierung führt [24]. Der niedrigere D_it bei der zweistufig geglühten Probe kann auch der verbesserten Wasserstoffierung der Siliziumoberfläche durch den Wasserstoff im Al₂O₃-Film zugeschrieben werden.

a Normierte C-V-Kurven. b D_it und Q_f für Proben mit O₂-, FG- und zweistufigem Glühen

Abbildung 4 zeigt die Querschnitts-TEM-Bilder der Proben ohne und mit verschiedenen Glühprozessen. Vor dem Glühen wird eine SiO_x-Grenzflächenschicht zwischen Si und Al₂O₃ beobachtet, obwohl die Grenzfläche nicht klar ist. Dies könnte daran liegen, dass H₂O im ersten ALD-Halbzyklus verwendet wurde. Beim O₂-Glühen erhöht sich die Dicke der Grenzflächenschicht auf 5,6 nm, aufgrund des Glühens bei hoher Temperatur (600 °C) und in Sauerstoffatmosphäre. Es wurde berichtet, dass Sauerstoff einen sehr kleinen Diffusionskoeffizienten in Al₂O₃ hat (~ 10⁻³⁸ cm⁻¹ bei 600 °C) [25], und somit ist es unwahrscheinlich, dass Sauerstoff durch die Al₂O₃-Schicht diffundiert, um die Si-Grenzfläche zu erreichen. Stattdessen tauscht der Umgebungs-Sauerstoff mit dem Sauerstoff in Al₂O₃ aus, wodurch ein mobiler Sauerstoff entsteht, der den Austauschprozess in tieferen Al₂O₃-Bereichen wiederholen kann, bis der Sauerstoff die Si-Grenzfläche erreicht [26]. Die in FG geglühte Probe zeigt eine klarere Grenzfläche mit einer sehr dünnen SiO_x-Grenzflächenschicht von 1,4 nm, was anderen Forschungsgruppen ähnelt, die den Glühprozess in N₂ oder FG durchführen [16]. Dies belegt, dass FG-Glühen das Grenzflächenschichtwachstum begrenzt. Das zweistufige Glühen zeigt eine mittlere SiO_x-Grenzflächenschichtdicke von etwa 4 nm, als Folge der reduzierten Zeit des O₂-Glühens.

Querschnitts-TEM-Bilder für Proben a ohne Glühen und mit b O₂, c FG und d zweistufigem Glühen

Abbildung 5a zeigt die injektionsabhängige Minderheitsträgerlebensdauer der SiN_x/Al₂O₃-passivierten Wafer ohne und mit verschiedenen Glühprozessen. Die Lebensdauern bei einer Injektion von 3 × 10¹⁵ cm⁻³ betragen 1569, 1579 und 2072 µs für O₂-, FG- und zweistufiges Glühen. Die Verbesserungen hängen damit zusammen, dass plasmachemisch abgeschiedene SiN_x-Schichten je nach Abscheideparametern gewisse Mengen Wasserstoff enthalten können. Während des Glühprozesses würde ein Teil des Wasserstoffs zur Si-Grenzfläche wandern und die Si-Grenzflächen-Wasserstoffierung verstärken [27]. Wie in der Literatur berichtet [6, 28,29,30], liegt die Lebensdauer von SiN_x/Al₂O₃-passivierten p-typischen CZ-Wafern im Bereich von 0,1–2 ms. Die optimale Temperatur der Nachabscheidungsglühung entweder in Stickstoff oder FG liegt bei etwa 400–500 °C. In dieser Arbeit zeigt der in FG geglühte SiN_x/Al₂O₃-passivierte CZ-Wafer eine Lebensdauer von 1579 µs und eine optimale Glühtemperatur von 450 °C, was mit den berichteten Werten übereinstimmt. Diese optimale Temperatur wird jedoch durch die Wasserstoffierung der Silizium-Grenzfläche begrenzt. Aus der Sicht der Siliziumoxid-Grenzflächenschicht könnte diese Schicht eine andere optimale Temperatur haben, da hohe Temperaturen allgemein die Qualität von Siliziumoxid-Schichten verbessern. Daher könnte das zweistufige Glühen sowohl die Qualität der interfacialen Oxidschicht als auch die Silizium-Grenzflächen-Wasserstoffierung optimieren und zu einer höheren Lebensdauer von 2072 µs im Vergleich zum einstufigen FG-Glühen führen. Zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden 50 Proben mit zweistufigem Glühen hergestellt, und ihre Minderheitsträgerlebensdauer ist in Abb. 5b dargestellt. Die Proben weisen Lebensdauerwerte zwischen 1939 und 2224 µs auf. Der Mittelwert beträgt 2075 µs, und der Fehler liegt innerhalb von ± 7 %. Das intrinsische Lebensdauer-Limit des in dieser Studie verwendeten Wafers beträgt etwa 2300 µs, berechnet mit der Richter-Parametrisierung [31]. Somit ergibt das zweistufige Glühen eine Lebensdauer nahe der Lebensdauerbegrenzung und demonstriert eine exzellente Grenzflächenpassivierung. Für andere ALD wird auch eine Siliziumoxid-Grenzflächenschicht zwischen Al₂O₃/Si gefunden, und das zweistufige Glühen sollte in der Lage sein, die Passivierungsqualität von Si-Wafern zu verbessern. AlO_x/SiN_x ist notwendig, da das Siliziumnitrid nicht nur die Passivierung verbessert, sondern auch die Rückseitenreflexion erhöht und AlO_x vor dem Hochtemperatur-Co-Firing-Prozess bei der PERC-Fertigung schützt.

a Injektionsabhängige Minderheitsträgerlebensdauer von SiN_x/Al₂O₃-passivierten Proben mit O₂-, FG- und zweistufigem Glühen. b Lebensdauer bei einer Injektion von 3 × 10¹⁵ cm⁻³ für 50 Proben mit zweistufigem Glühen

Abbildung 6 zeigt die implizite Leerlaufspannung (V_oc) für die SiN_x/Al₂O₃-passivierten Proben mit verschiedenen Glühprozessen. Für p-typische Wafer und lange Diffusionslängen kann die implizite V_oc wie folgt geschrieben werden:

$$ \text{implizite } V_{oc} = \frac{kT}{q} \ln \left( \frac{\Delta n (N_A + \Delta n)}{n_i^2} \right) $$ (2)

wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, n_i die intrinsische Trägerkonzentration, N_A die Akzeptorkonzentration und ∆n die Exzess-Trägerkonzentration ist, die bei Ein-Sonnen-Lichtintensität mit dem WCT-120 Sinton Lebensdauertester gemessen wird. Man sieht, dass die O₂- und FG-geglühten Proben ähnliche implizite V_oc-Werte von 696 und 697 mV aufweisen. Das zweistufige Glühen hat eine implizite V_oc von 706 mV.

Implizite V_oc der SiN_x/Al₂O₃-passivierten Proben mit O₂-, FG- und zweistufigem Glühen

Abbildung 7 zeigt die J-V-Kennlinien und photovoltaischen Parameter wie V_oc, Kurzschlussstromdichte (J_sc), Füllfaktor (FF) und Umwandlungswirkungsgrad (η) der gefertigten PERCs mit verschiedenen Glühprozessen. Die Leistung einer industriellen PERC wird ebenfalls zum Vergleich gezeigt. Die industrielle PERC wurde unter identischen Bedingungen gefertigt, jedoch wurde kein zusätzlicher Glühprozess verwendet, da die Al₂O₃-Schicht während der SiN_x-Abscheidung bei 400 °C geglüht wurde. Beachten Sie, dass in dieser Studie während der Glühprozesse die Vorderseite nach unten gelegt wurde und Kontakt zu einem Waferhalter hatte. Die vordere SiN_x-Schicht war den Glühgasen nicht ausgesetzt, sodass der Einfluss der vorderen SiN_x-Schicht vernachlässigbar sein könnte. Die industrielle PERC zeigt die niedrigste V_oc von 665,4 mV unter den anderen. Dies könnte auf ihre niedrigere Wafer-Lebensdauer von 797 µs bei einer Injektion von 3 × 10¹⁵ cm⁻³ zurückzuführen sein. Der V_oc-Wert verbessert sich auf 671,3 mV für O₂-Glühen und 672,3 mV für FG-Glühen. Das zweistufige Glühen erhöht V_oc weiter auf 675,5 mV, was einer Verbesserung von etwa 0,6 % im Vergleich zum einstufigen Glühen oder 1,5 % im Vergleich zur industriellen entspricht. Es gibt keinen großen Unterschied in J_sc und FF zwischen den PERCs. Das zweistufige Glühen zeigt die besten Umwandlungswirkungsgrade von 21,97 %, was 0,36 % absolut höher ist als die industrielle PERC. Schließlich wurden fünf PERCs für jeden Glühprozess gefertigt. Der Mittelwert und der Verteilungsbereich von V_oc und FF sind in Abb. 8a und b dargestellt. Die PERCs mit zweistufigem Glühen zeigen V_oc von 675–677,5 mV mit einem Mittelwert von 676 mV und FF von 0,813–0,819 mit einem Mittelwert von 0,816.

Stromdichte-Spannungs-Kennlinien und photovoltaische Leistung von PERCs mit industrieller Standardfertigung, O₂-Glühen, FG-Glühen und zweistufigem Glühen

Mittelwert und Verteilungsbereich von a V_oc und b FF für PERCs mit verschiedenen Glühprozessen

Fazit

Die Al₂O₃-Schichten werden mittels atomarer Lagenschichtabscheidung hergestellt, gefolgt von O₂-, FG- oder zweistufigem Glühen. Vergleicht man O₂-Glühen mit FG-Glühen, so ergibt ersteres eine dickere SiO_x-Grenzflächenschicht und eine höhere Q_f-Dichte von −3,9 × 10¹² cm⁻², was eine überlegene Feldeffekt-Passivierung anzeigt. Das FG-Glühen zeigt den niedrigeren D_it von 3,7 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻², resultierend aus der Wasserstoffierung der Si-Grenzfläche. Das zweistufige Glühen kombiniert die Vorteile dieser beiden Glühprozesse und weist eine mittlere Q_f und den niedrigsten D_it von 3,1 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻² auf. Die SiN_x/Al₂O₃-passivierten Proben mit zweistufigem Glühen demonstrieren eine Minderheitsträgerlebensdauer von 2072 µs, nahe am intrinsischen Lebensdauer-Limit. Für die mit zweistufigem Glühen gefertigte PERC können V_oc von 675,5 mV und Umwandlungswirkungsgrad von 21,97 % erzielt werden, was jeweils Steigerungen von 10 mV und 0,36 % absolut im Vergleich zur industriellen PERC bedeutet.

Abkürzungen

Al₂O₃:

Aluminiumoxid

ALD:

Atomare Lagenschichtabscheidung

C-V:

Kapazität-Spannung

D_it:

Grenzflächen-Defektdichte

FF:

Füllfaktor

FG:

Formiergas

J_sc:

Kurzschlussstromdichte

J-V:

Stromdichte-Spannung

MOS:

Metall-Oxid-Halbleiter

NH₃:

Ammoniak

O₂:

Sauerstoff

PERC:

Passivierter Emitter und Rückseiten-Zelle

Q_f:

Feste Oxidladung

SiN_x:

Siliziumnitrid

SiO_x:

Siliziumoxid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

TMA:

Trimethylaluminium

TMS:

Tetramethylsilane

V_oc:

Leerlaufspannung

η:

Umwandlungswirkungsgrad