Steigerung der PERC-Zelleneffizienz durch Minimierung von Grenzflächenfallen mittels Hochdichte-Wasserstoffbehandlung

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine Hochdichte-Wasserstoffbehandlung (HDH) vorgeschlagen, um Grenzflächenfallen zu reduzieren und die Effizienz von passivierten Emitter-Rückseiten-Kontakt-Solarzellen (PERC) zu steigern. Der Wasserstoff wird bei einem Druck von ca. 70 atm und einer relativ niedrigen Temperatur von ca. 200 °C komprimiert, um Grenzflächenfallen zu verringern, ohne andere Teile des ursprünglichen Fertigungsprozesses der Vorrichtung zu verändern. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) bestätigte die Verstärkung der Si–H-Bindung, und die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) wies die Reduktion der SiN/Si-Grenzflächenfallen nach der HDH-Behandlung nach. Darüber hinaus wurden elektrische Messungen der Leitfähigkeit-Spannung durchgeführt und ausgewertet, um die Grenzflächenfallendichte (Dit) zu verifizieren. Zudem wurden Kurzschlussstromdichte (Jsc), Serienwiderstand (Rs) und Füllfaktor (F.F.) mit einer simulierten Lichtquelle von 1 kW m⁻² globalem AM1.5-Spektrum analysiert, um die Steigerung der Zelleneffizienz zu bestätigen. Die externe Quantenausbeute (EQE) wurde ebenfalls gemessen, um die Verbesserung der Umwandlungseffizienz bei verschiedenen Wellenlängen zu belegen. Schließlich wird ein Modell vorgeschlagen, um die experimentellen Ergebnisse vor und nach der Behandlung zu erklären.

Einleitung

Solarzellen zählen zu den erneuerbaren Energien und gelten als am ehesten in der Lage, herkömmliche petrochemische Energieträger zu ersetzen. Es gibt verschiedene Solarzellentypen basierend auf unterschiedlichen Materialsystemen, wie Silizium [1,2,3], Perowskit [4, 5] oder III–V-Verbindungen [6, 7]. Darunter ist die siliziumbasierte Solarzelle aufgrund ihrer niedrigen Kosten, hohen Stabilität und exzellenten Effizienz von bis zu 26 % [8,9,10] am weitesten verbreitet. Die PERC-Vorrichtung (Passivated Emitter Rear Contact) wird als eines der vielversprechendsten Geräte angesehen, um Rückseitenfeld-Solarzellen (BSF) abzulösen [11, 12]. 1983 schlug Prof. Martin Green an der University of New South Wales (UNSW) erstmals eine PERC-Zelle vor, deren Konzept darin bestand, Emitter und Rückseiten-Passivierungsschicht zu kombinieren, um Grenzflächenfehler zu reduzieren und die Zelleneffizienz zu steigern. Obwohl die PERC-Emitter- und Rückseiten-Passivierungsschicht Grenzflächenfehler passivieren können, beeinflusst die Schichtqualität entweder des Emitters oder der Antireflexbeschichtung (ARC) die Grenzfläche [13,14,15].

Laut früheren Arbeiten ist neben der Verbesserung der Dünnschichtqualität zur Reduktion von Grenzflächenfallen die Nachbehandlung durch Ausglühen eine weitere Methode zur Defektminderung [16,17,18]. Eine Nachbehandlung mit Formiergas (95 % Stickstoff, 5 % Wasserstoff) bei 400 °C wird eingesetzt, um Grenzflächenfälle mit Wasserstoff zu passivieren und die Zelleneffizienz zu erhöhen. Leider erfordert eine solche Behandlung Reaktionstemperaturen von ca. 400 °C, was für Solarzellen wie Heterojunction-with-Intrinsic-Thin-Layer (HIT), die bei Temperaturen unter 200 °C gefertigt werden, zu hoch ist.

In dieser Arbeit schlagen wir eine geeignete Hochdichte-Wasserstoffbehandlung (HDH) vor, um die Grenzflächenfälle zwischen der Emitter-Passivierungsschicht und der n-Typ-Si-Schicht zu reduzieren, ohne zusätzliche Elemente der Vorrichtungsfertigung ändern zu müssen. Ähnlich wie in früheren Untersuchungen wird die HDH-Behandlung genutzt, um Defekte mittels Wasserstoffionen zu passivieren. Die experimentellen Ergebnisse deuten auf eine Verstärkung der Si–H-Bindung nach der HDH-Behandlung hin, gemessen mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). Zusätzlich wurden elektrische Messungen – darunter Leitfähigkeit, Kurzschlussstromdichte (Jsc), Serienwiderstand (Rs) und Füllfaktor (F.F.) – extrahiert, um die Reduktion der Zustandsdichte (Dit) und die Steigerung der Zelleneffizienz zu bestätigen. Schließlich wurde ein Modell vorgeschlagen, um die Auswirkungen der HDH-Behandlung auf die PERC-Solarzelle weiter zu veranschaulichen.

Experimentelle Methoden

PERC-Solarzellenfertigung

Der PERC-Fertigungsprozess ist wie folgt dargestellt. Als Substrat wird p-Typ-Czochralski-Silizium mit einer Dicke von ca. 150 µm verwendet. Eine KOH-Lösung ätzt die Si-Substratoberfläche und bildet die pyramidenartige Texturmorphologie. Zur Bildung der p-n-Übergangs wird POCl₃ in die Si-Substratoberfläche diffundiert, um die n-Typ-Schicht zu erzeugen. Anschließend wird die Emitter-SiN-Passivierungsschicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) als Antireflexbeschichtung (ARC) aufgebracht. Nach der ARC-Schichtabscheidung wird die rückseitige n-Typ-Schicht mit HF-Lösung entfernt. Dann wird eine 25 nm dicke Al₂O₃-Schicht als Rückseiten-Passivierungsschicht mittels atomarer Lagenschichtung (ALD) abgeschieden. Darauf folgt eine 95 nm dicke SiN-Schicht per CVD. Nach Abschluss der Rückseitenpassivierung wird Laserablation angewendet, um Rillen für den Siebdruckprozess der Silber-(Ag)-Vorderelektrode auf der ARC-Schicht zu schneiden, während Aluminium (Al) für die Hinterelektrode dient. Schließlich wird das Bauelement in einem Brennprozess erhitzt, um einen ordnungsgemäßen Kontakt zwischen Metall und Halbleiter sicherzustellen. Die Struktur der PERC-Vorrichtung ist in Abb. 1 dargestellt.

HDH-Behandlung

Die HDH-Behandlung wird anschließend auf das PERC-Bauelement angewendet. Der Prozess ist in Abb. 2 dargestellt. Wasserstoffgas dient als Behandlungsquelle und wird in die Reaktionskammer mit dem PERC-Bauelement gepumpt. Das Gas wird auf 70 atm komprimiert und die Reaktionstemperatur auf 200 °C für 1 Stunde eingestellt. Anschließend wird das Gas abgepumpt, um die HDH-Behandlung abzuschließen.

Materialcharakterisierung

Ein Bruker VERTEX 70v FTIR wird verwendet, um die Si–H-Bindung vor und nach der Behandlung zu analysieren, und ein ION-TOF TOF-SIMS V dient der Analyse des Wasserstoffverhältnisses an der SiN/Si-Grenzfläche.

Elektrische Charakterisierung

I-V- und G-V-Kennlinien werden mit einem Agilent B1500 Halbleiteranalysator und einer Cascade M150 Messstation in einer Dunkelbox sowohl unter Licht- als auch unter Dunkelbedingungen gemessen. Die Effizienzparameter (Jsc, Rs und Füllfaktor) werden bei einer simulierten Lichtquelle von 1 kW m⁻² globalem AM1.5-Spektrum bei 25 °C extrahiert. Ein QEX10 Solar Cell External Quantum Efficiency (EQE) System analysiert die Effizienz von 300 bis 1200 nm.

Ergebnisse und Diskussion

Die Emitter-SiN-Passivierungsschicht mit und ohne HDH-Behandlung wird mittels FTIR-Analyse untersucht. Wie in Abb. 3 gezeigt, weisen sowohl die unbehandelte als auch die behandelte SiN-Schicht die N–H-Streckschwingung bei 3350 cm⁻¹ und die Si–H-Streckschwingung bei 2165 cm⁻¹ auf [19,20,21]. Die Absorptionspeak-Intensitätsverhältnisse von N–H- und Si–H-Bindungen sind jedoch nach der Behandlung beide erhöht, was impliziert, dass Wasserstoff in die SiN-Schicht eingebracht wird.

Um zu bestätigen, dass die HDH-Behandlung die SiN/Si-Grenzflächenfallen reduziert, wird die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) zur Bestätigung der Wasserstoffverteilung eingesetzt [22, 23]. In Abb. 4 ist die Wasserstoffintensität in der per CVD abgeschiedenen SiN-Schicht höher als im Si. Nach der Behandlung nimmt die Wasserstoffintensität im Volumen nicht offensichtlich zu, aber an der SiN/Si-Grenzfläche ist sie deutlich erhöht. Dieses Ergebnis zeigt, dass die HDH-Behandlung an der SiN/Si-Grenzfläche wirkt.

Um den Unterschied in Dit zwischen der Emitter-SiN-Schicht und dem p-Si-Substrat nach HDH-Behandlung weiter zu bestätigen (Abb. 5), wird eine Al/SiN/p-Si/Al Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Struktur gefertigt. Da die SiN/p-Si-Grenzfläche eine große Anzahl an Defekten aufweist, kann das G-V-Ergebnis zur Extraktion der Grenzflächenfallendichte (Dit) herangezogen werden [24]. Die Leitfähigkeitsgleichung lautet:

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

wobei ω die Kreisfrequenz, τ die Trägerlebensdauer und Gp die frequenzabhängige Leitfähigkeit ist. Zur Vereinfachung ist Dit proportional zur Leitfähigkeit, und der Leitfähigkeitspeak nimmt nach der Behandlung ab, was darauf hindeutet, dass die HDH-Behandlung die PERC-Grenzflächenfallen reduzieren kann.

Anschließend werden elektrische Messungen an der PERC-Zelle sowohl unter Licht- als auch unter Dunkelbedingungen durchgeführt. Die Vorspannung wird an die Al-Hinterelektrode angelegt, während die Vorderelektrode geerdet ist. Der Spannungs-Sweep-Bereich reicht von −1 bis 0,75 V. Abb. 6 zeigt die I-V-Kennlinie unter Dunkelbedingungen. Der Leckstrom wird nach der HDH-Behandlung signifikant reduziert, das Reduktionsverhältnis beträgt ca. 0,5 Größenordnungen. Zudem wird der Buckel im Vorwärtsstrom auf der rechten Seite der I-V-Kennlinie nach der Behandlung verringert. Wir extrahieren die I-V-Kurve und wandeln sie in den Idealitätsfaktor gemäß der Diodengleichung um:

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

wobei Iₛ der Sättigungsstrom, q die Elementarladung, V die angelegte Spannung, n der Idealitätsfaktor, k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur ist. Gleichung 2 kann weiter vereinfacht werden; wenn n nahe 1 liegt, nähert sich der Vorwärtsstrom dem Diffusionsstrom. Liegt n nahe 2, ist der Vorwärtsstrom nahe am Rekombinationsstrom [25]. Nach der Behandlung sinkt die Steigung des Vorwärtsstroms von 1,5 auf 1,42, was bedeutet, dass der Vorwärtsstrom aufgrund der Verringerung der Defektzahl näher am Diffusionsstrom liegt.

Zur weiteren Untersuchung der elektrischen Eigenschaften werden die Effizienzparameter (Jsc, Rs und Füllfaktor) bei einer simulierten Lichtquelle von 1 kW m⁻² globalem AM1.5-Spektrum bei 25 °C extrahiert. Nach der HDH-Behandlung steigt der durchschnittliche Wirkungsgrad von 17,3 % auf 18,2 %, wie in Abb. 7a dargestellt. Der Jsc erhöht sich von 37,6 auf 38,2 mA/cm² (Abb. 7b). Der Serienwiderstand Rs sinkt von 0,712 auf 0,487 Ω (Abb. 7c). Der Füllfaktor steigt von 70,5 % auf 73,3 % (Abb. 7d).

Um die Umwandlungseffizienz bei verschiedenen Wellenlängenbereichen zu bestätigen, wird die externe Quantenausbeute (EQE) von 300 bis 1200 nm analysiert [26, 27]. Wie in Abb. 8 gezeigt, beträgt die durchschnittliche EQE vor der HDH-Behandlung zwischen 400 und 600 nm 94 %. Nach der Behandlung steigt sie auf 97 % an, was durch die Unterdrückung der Emitter-SiN/Si-Grenzflächenfälle verursacht wird.

Schließlich wird ein Modell vorgeschlagen, um die Auswirkungen der HDH-Behandlung auf die PERC-Vorrichtung zu erklären. Die PERC-Emitter-Struktur Ag/SiN/n-Typ-Si und deren Beziehung zur SiN/Si-Grenzflächenfallenstruktur werden in Abb. 9 demonstriert. Wenn Licht Elektron-Loch-Paare im p-n-Übergang erzeugt, bewegen sich Elektronen zur Ag-Vorderelektrode. Sind Grenzflächenfallen an der SiN/Si-Grenzfläche vorhanden, unterstützen sie die Rekombination von Elektronen mit Löchern. Um die Grenzflächenfallen zu reduzieren, wird die HDH-Behandlung angewendet: Hochdruckgas injiziert Wasserstoff in die Vorrichtung, der an der Grenzfläche reagiert. Nach der Behandlung bindet Wasserstoff an die hängenden Bindungen an der SiN/Si-Grenzfläche, wodurch Grenzflächenfallen reduziert werden. Folglich nimmt die Rekombination ab, was den Leckstrom verringert und Jsc sowie Zelleneffizienz steigert.

Fazit

In dieser Studie wurde die HDH-Behandlung erfolgreich vorgeschlagen, um Grenzflächenfallen zu reduzieren und die Vorrichtungseffizienz zu steigern. Das FTIR-Spektrum zeigt eine Verstärkung der Si–H-Bindung und der Leitfähigkeit-Spannungs-Peak nimmt nach der Behandlung ab. Die verringerte Anzahl an Grenzflächenfallen führt zu einer Reduktion des Leckstroms, und der Idealitätsfaktor sinkt ebenfalls. Zudem steigt die Effizienz nach der Behandlung, und Jsc, Rs sowie Füllfaktor verbessern sich. Schließlich belegt das EQE-Ergebnis eine Verbesserung im Kurzwelligenbereich, was ein Beweis für die Reduktion der Emitter-Grenzflächenfallen ist.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind auf vernünftige Anfrage bei den Autoren erhältlich.

Abkürzungen

HDH:

Hochdichte-Wasserstoffbehandlung

PERC:

Passivierter Emitter-Rückseiten-Kontakt

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

SIMS:

Sekundärionen-Massenspektrometrie

Dit:

Grenzflächenfallendichte

Jsc:

Kurzschlussstromdichte

Rs:

Serienwiderstand

F.F.:

Füllfaktor

EQE:

Externe Quantenausbeute

BSF:

Rückseitenfeld

UNSW:

University of New South Wales

ARC:

Antireflexbeschichtung

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

ALD:

Atomare Lagenschichtung

MIS:

Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur