Low temperature surface passivation of crystalline silicon and its application to the rear side of solar cells [Elektronische Ressource] / von Stefan Dauwe

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 59
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Low-Temperature Surface Passivation
of Crystalline Silicon
and its Application to the Rear Side
of Solar Cells
Vom Fachbereich Physik der Universit¨at
Hannover
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Stefan Dauwe
geboren am 7. Juli 1968 in Harderberg
2004Referent: Prof. Dr. R. Hezel
Korreferent: Prof. Dr. H. Pfnur¨
Tag der Promotion: 15. Januar 2004
Schlagw¨orter: Solarzellen, kristallines Silicium, Oberfl¨achenpassivierung
Keywords: solar cells, crystalline silicon, surface passivationKurzzusammenfassung
Zentrales Thema der Arbeit ist die Untersuchung von passivierenden Filmen zur Mini-
mierung der Ladungstrag¨ errekombination an kristallinen Silicium-Oberfl¨achen. Neben der
Erweiterung der Standardtheorie zur Oberflachenrekombination wird erstmals die Anwen-¨
dung von amorphen hydrogenisierten Siliciumnitrid (SiN ) Filmen und amorphen Siliciumx
(a-Si:H) Filmen zur Ruc¨ kseitenpassivierung von Solarzellen eingehend untersucht.
Das Standardverfahren zur Verringerung der Rekombination an der Oberflache ist die¨
◦thermische Oxidation des Siliciums bei hohen Temperaturen (≥ 1000 C). Die hohen Her-
stellungstemperaturen sind aus prozesstechnischen und energetischen Grunden ungunstig.¨ ¨
Als vielversprechende Alternative werden SiN und a-Si:H Filme untersucht, die plasma-x
gestutzt aus der Gasphase abgeschieden werden (engl. plasma-enhanced chemical vapour¨
deposition (PECVD)).
Im theoretischen Teil wird das Modell zur Beschreibung der Oberflachenrekombination¨
bei Vorliegen einer Bandverbiegung erweitert. Fur¨ den Fall einer starken Oberflac¨ henband-
verbiegung wird eine Naherung¨ sl¨osung fur¨ die Berechnung der Bandverbiegung und der
Oberflachenrekombinationsgeschwindigkeit (ORG) abgeleitet.¨
◦Die SiN Filme werden in einem remote PECVD Reaktor bei 400 C abgeschie-x
den wobei die Filmzusammensetzung (Si/N Verhaltnis) variiert wird. Kapazitats-Span-¨ ¨
nungs (C-V)-Messungen zeigen, dass N-reiche SiN Filme wegen einer hoheren¨ Grenz-x
flachenzustandsdichteeineschlechterePassivierqualitataufweisen.DiefestepositiveLadung¨ ¨
Q in den SiN Filmen wird erstmals unter Beleuchtung bestimmt. Dazu wird die Bandver-f x
biegunganderSilicium-OberflachemittelszusatzlichaufgebrachterKoronaladungengezielt¨ ¨
variiert. Anhand des Zusammenhangs zwischen gemessener ORG und Koronaladungsdich-
12 −2 ¨te ergibt sich Q ≈ 2×10 cm in Ubereinstimmung mit C-V-Messungen im Dunkeln.f
Bei Si-reichen SiN Filmen, die wegen hoher Leckstrome weder mit der C-V noch mit der¨x
Korona-Lebensdauermethode untersucht werden k¨onnen, werden die bislang unbekannten
Grenzflachenparameter anhand von Schichtwiderstandsmessungen der Inversionsschicht an¨
der Silicium-Oberfl¨ache abgeschat¨ zt. Damit wird gezeigt, dass sehr stark Si-reiche SiN Fil-x
me trotz ihres hervorragenden Passiviervermogens ein geringeres Q haben.¨ f
Des weiteren wird die Passivierqualit¨at von a-Si:H Filmen optimiert. Mit den Filmen
werden erstmals die exzellenten Werte fur die Oberflachenpassivierung, die derzeit mit SiN¨ ¨ x
und SiO Filmen erzielt werden, erreicht und ub¨ ertroffen. ORGs unter 10cm/s werden2
sowohl auf p (1,5Ωcm) als auch auf n (3,8Ωcm) dotiertem Silicium erreicht.
Um die Passivierqualitat auch am Bauelement zu verifizieren, werden SiN und a-Si:H¨ x
Filme als Ruc¨ kseitenpassivierung in hocheffiziente Solarzellen implementiert. Aufgrund der
hohen positiven Ladung in den SiN Filmen wird eine Inversionsschicht an der Silicium-x
Oberflac¨ he influenziert. Es konnte erstmals unzweifelhaft gezeigt werden, dass Elektronen,
dieausderInversionsschichtindenRuckseitenkontakteinfließen,denWirkungsgradbeiden¨
SiN passiviertenZellenverringern.ImVergleichzuReferenzzellen,dieeineSiO passiviertex 2
Ruckseite haben, werden statt 20,9% nur 19,5% erreicht. Der Einbau eines lokalen Back¨
Surface Fields (LBSF) oder die Passivierung mit stark Si-reichen SiN Filmen verringertx
diese Einbußen. Mit den LBSF Zellen wird ein unabh¨angig bestat¨ igter Wirkungsgrad von
20,6% erreicht. Mit a-Si:H Filmen als Ruckseitenpassivierung werden 19,2% erzielt.¨Abstract
The main focus of this work is the investigation of passivating films that minimise
charge carrier recombination at crystalline silicon surfaces. Besides the extension of the
standard surface recombination theory, amorphous hydrogenated silicon nitride (SiN ) andx
amorphous hydrogenated silicon (a-Si:H) films are used for the first time as rear surface
passivation schemes for solar cells.
The standard method to reduce surface recombination is thermal oxidation at high
◦temperatures (≥ 1000 C). These high fabrication temperatures are unfavourable for both
process risks and energy consumption. This work focuses on promising alternatives: films
fabricated using plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD).
The theoretical part of this work extends the model for surface recombination in the
presence of surface band bending. In the case of strong band bending, an approximate
solution for the calculation of the band bending and the surface recombination velocity
(SRV) is derived.
ThepassivationmechanismsofSiN filmsareexamined,buildingontheresultsofearlierx
◦research studies. The films are deposited in a remote PECVD reactor at 400 C. The film
composition (Si/N ratio) is varied by changing the silane gas flow while maintaining the gas
flow of the remaining process gases (ammonia and nitrogen). Capacitance-voltage (C-V)
measurements reveal that the poorer surface passivation provided by N-rich SiN films isx
due to a higher interface state density. Using a novel method developed in this work, the
fixed positive charge density Q within the SiN films is determined for the first time underf x
illumination. The method is based on adjusting the surface band bending by depositing
coronachargesanddeterminingtheSRVfromcontactlesslifetimemeasurements. Avalueof
12 −2Q ≈ 2×10 cm isunambiguouslydeterminedunderilluminationincorrespondencewithf
dark C-V measurements. Si-rich SiN films that are neither accessible with C-V nor withx
corona-lifetimemeasurementsduetohighleakagecurrentsareinvestigatedbymeasuringthe
sheet resistance of the underlying inversion layer. Despite an excellent surface passivation
of SiN films with a very high Si content, a lower Q is determined.x f
Furthermore, the passivation quality of a-Si:H films is optimised. At deposition temper-
◦atures in the range of 200−250 C, outstanding surface passivation with SRVs well below
10cm/s are achieved both on p- (1.5Ωcm) and n- (3.8Ωcm) type silicon. These low SRVs
obtained for the first time can easily compete with the record low SRVs reported for SiO2
and SiN films.x
In order to verify the demonstrated passivation quality on real devices, high-efficiency
solar cells have been fabricated incorporating SiN and a-Si:H films for rear surface passi-x
vation. Owing to the high positive charge density within the SiN films, an inversion layerx
is induced at the silicon surface. Electrons flowing from the inversion layer into the rear
contact reduce the energy conversion efficiency of the SiN passivated cells. Compared withx
20.9% efficient reference cells with high-temperature SiO rear surface passivation, only2
19.5% are obtained with SiN passivation. An incorporation of a local back surface fieldx
(LBSF)ortheusageofSiN filmswithaveryhighSicontentreducethelossesconsiderably.x
In case of the LBSF cells, an independently confirmed cell efficiency of 20.6% is achieved.
Using a-Si:H films for rear surface passivation, 19.2% efficient solar cells are obtained.Contents
1 Introduction 1
2 Carrier Recombination in Crystalline Silicon 5
2.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Distinction between Bulk and Surface Recombination . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Bulk Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Radiative Band-to-Band Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.2 Band-to-Band Auger Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.3 Recombination through Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Surfacebination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4.1 Recombination at the Actual Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Band-Bending towards the Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2.1 Calculation of the Space-Charge Density . . . . . . . . . . . 22
2.4.2.2 Calculation of the Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2.3 Calculation of the Surface Potential. . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2.4 Surface Recombination Including Band-Bending . . . . . . . 35
2.4.3 Recombination in the Space-Charge Region . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3.1 Position-dependent potential . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.3.2 Calculation of the Recombination Rate within the SCR . . . 41
2.4.4 Effective Surface Recombination Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.5 Constant Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5 Effective Carrier Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6 Surface Passivation of Sili