Hydrogen passivation of polycrystalline Si thin film solar cells [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Benjamin Gorka

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 39
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Extrait

Hydrogen Passivation
of Polycrystalline Si Thin Film
Solar Cells
vorgelegt von
Diplom-Physiker
Benjamin Gorka
aus Berlin
Von der Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Herr Prof. Dr. Christian Boit
Berichter: Herr Prof. Dr. Bernd Rech
Berichter: Herr Prof. Dr. Uwe Rau (Forschungszentrum Jülich)
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 17.12.2010
Berlin, 2010
D 832Contents
Zusammenfassung 6
Abstract 7
1 Introduction 9
2 Fundamentals 13
2.1 Hydrogen Diffusion and Passivation in Si . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Hydrogen Diffusion in Monocrystalline Si . . . . . . . . . 14
2.1.2 Trap-limited Hydrogen Diffusion in Silicon . . . . . . . . 16
2.1.3 Passivation of Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Sources for Hydrogenation of Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Molecular H Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2
2.2.2 Plasma Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Solid Source (Firing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Hydrogen Passivation of Poly-Si Thin Film Solar Cells: State-
of-the-Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Experimental Procedures 25
3.1 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 PolycrystallineSiSolarCellsformedbySPCofPE-CVD
grown a-Si:H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1.2 Polycrystalline Si Solar Cells formed by SPC of E-Beam
Evaporated a-Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.3 Rapid Thermal Annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.4 Hydrogenation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Plasma Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Sample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.1 Raman - Phonon Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.2 Electron Spin Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.3 Open Circuit Voltage and Suns-Voc . . . . . . . . . . . . 35
3Contents
4 Plasma Process Optimization 39
4.1 Influence of H Plasma Treatment on Device Performance . . . . 39
4.2 of Plasma Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Plasma Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.1 Plasma Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5 Dynamic of the Hydrogen Passivation 59
5.1 Time and Temperature Dependence of Hydrogen Passivation . . 59
5.2 Optimum Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 H Out-Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6 Interaction of Passivation with Material Properties 77
6.1 Influence of Defect Annealing on Hydrogen Passivation . . . . . 77
6.1.1 Influence of Defect Annealing on the Dynamics of HP . . 78
6.1.2 Variation of Defect . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2 Passivation of Poly-Si Films with Different Structural Properties 83
6.2.1 Structural Properties After Electron Beam Evaporation
and Crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.2 Hydrogen Passivation of Defects (Si dangling bonds) . . 89
6.2.3PassivationofSolarCellswithDifferentStruc-
tural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2.4 InterplayofDefectAnnealingwithPassivationandStruc-
tural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7 Discussion of Electronic Solar Cell Performance 103
8 Discussion 111
9 Conclusion 119
Acknowledgement 121
List of Publications 123 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Conferences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4Contents
Nomenclature 127
Bibliography 131
5Zusammenfassung
Die Wasserstoffpassivierung ist ein zentraler Prozess in der Herstellung von
polykristallinen Si (poly-Si) Dünnschichtsolarzellen. Im Rahmen der Arbeit
wurde ein RF-Parallelplattenreaktor für die Wasserstoffbehandlung eingesetzt.
Schwerpunkte der Untersuchungen waren (i) die Rolle von Plasmaparametern
(wie Druck, Elektrodenabstand und Leistung), (ii) die Dynamik der Wasser-
stoffbehandlung und (iii) das Zusammenspiel aus Passivierung und Materialei-
genschaften. Die Charakterisierung erfolgte anhand von Messungen der Leer-
laufspannung V an poly-Si Referenzzellen.OC
Durch Messungen der Plasma-Durchschlagspannung V wurden optimalebrk
Bedingungen für die Passivierung gefunden. Beste Ergebnisse bei Elek-
trodenabständen erzielt, bei denenV für den jeweiligen Druck ein Minimumbrk
hatte. Es wurden Plasmasimulationen durchgeführt, die nahe legen, dass dies
einerMinimierungderIonenenergieentspricht.EineErhöhungdesWasserstoff-
gehaltes im Plasma führte dagegen zu keiner Verbesserung der Passivierung.
Untersuchungen zur Dynamik zeigten, dass eine Wasserstoffbehandlung bei
geringen Temperaturen (≤ 400°C) mehrere Stunden dauert. Dagegen kann
diese bei erhöhten Temperaturen von 500°C bis 600°C in nur 10 min (Pla-
teauzeit) erfolgreich durchgeführt werden. Anhaltende Behandlungen führten
zu einer Verschlechterung von V , vor allem ober- und unterhalb des be-OC
obachteten Optimums (<500°C und >600°C). Als alternatives Verfahren zur
Herstellung von poly-Si Schichten wurde die Elektronenstrahlverdampfung un-
tersucht. Unterschiedliche Materialeigenschaften wurden durch Variation der
DepositionstemperaturT = 200−700°C eingestellt und mithilfe von Ramandep
und ESR untersucht. Große Körner wurden nach Festphasenkristallisation von
amorphem Si, das bei 300°C abgeschieden wurde, erreicht. Die Anzahl offener
Si-Bindungen konnte mittels Passivierung um etwa eine Größenordnung re-
16 −3duziert werden. Die niedrigste Konzentration von 2.5· 10 cm wurde für
poly-Si mit den größten Körnern gefunden und steht im Einklang zu den be-
sten Solarzellenergebnissen (nach RTA und Passivierung).
Die Wasserstoffpassivierung von poly-Si Filmen konnte bei hohen Tempera-
turen von 500°C bis 600°C mittels Plasmabehandlung erfolgreich durchgeführt
werden. Jedoch scheinen im Laufe der Plasmabehandlung auch neue Defekte
zu entstehen, die mit andauernder Passivierung zu einer Verschlechterung von
V führen. Dieser Effekt sollte minimiert werden. Um hohe Leerlaufspannun-OC
gen oberhalb von 450 mV zu erreichen, wird zunehmend auch eine niedrige
Rekombination an Grenzflächen wichtig.
6Abstract
Hydrogen passivation is a key process step in the fabrication of polycrystalline
Si (poly-Si) thin film solar cells. In this work a parallel plate rf plasma setup
was used for the hydrogen passivation treatment. The main topics that have
been investigated are (i) the role of plasma parameters (like hydrogen pressure,
electrode gap and plasma power), (ii) the dynamics of the h treatment
and (iii) passivation of poly-Si with different material properties. Passiva-
tion was characterized by measuring the open-circuit voltage V of poly-SiOC
reference samples.
Optimum passivation conditions were found by measurements of the break-
down voltage V of the plasma for different pressures p and electrode gapsbrk
d. For each pressure, the best passivation was achieved at a gap d that corre-
sponded to the minimum in V . Plasma simulations were carried out, whichbrk
indicate that best V corresponds to a minimum in ion energy. V was notOC OC
improved by a larger H flux. Investigations of the passivation dynamic showed
that a plasma treatment in the lower temperature range (≤ 400°C) is slow and
takes several hours for the V to saturate. Fast passivation can be success-OC
fully achieved at elevated temperatures around 500°C to 600°C with a plateau
time of 10 min. It was found that prolonged hydrogenation leads to a loss in
V , whichislesspronouncedwithintheobservedoptimumtemperaturerangeOC
(500°C− 600°C). Electron beam evaporation has been investigated as an al-
ternative method to fabricate poly-Si absorbers. The material properties have
been tuned by alteration of substrate temperature T = 200− 700°C anddep
were characterized by Raman, ESR and V measurements. Largest grainsOC
were obtained after solid phase crystallization (SPC) of a-Si, deposited in the
temperaturerangeof300°C.ThedefectconcentrationofSidanglingbondswas
lowered by passivation by about one order of magnitude. The lowest dangling
16 −3bond concentration of 2.5· 10 cm after passivation was found for poly-Si
with largest grains and coincides with best solar cell results, obtained after
rapid thermal annealing and hydrogen passivation.
Hydrogen passivation of poly-Si films was successfully achieved with a par-
allel plate rf H plasma treatment at elevated temperatures around 500°C to
600°C. Yet it seems thatt induced defect gen