Tillämpning av Al2O3 för solcellsytopassivering

Källa: atomiclimits.com

Det finns många saker att säga (och förklara) om ökningen av PERC och dess tillverkningsprocess och det här är något jag lämnar för ett annat blogginlägg för tillfället. Men en sak är tydlig som också tydligt anges i rapporten: ”Nyckeln till PERC-tillverkning är bakpassivering, medan det enhälliga materialet för detta ändamål är aluminiumoxid, som kan deponeras med PECVD-maskiner, välkända från applicering av kiselnitrid, eller Atomic Layer Deposition (ALD) -verktyg”. Jag vill ansluta mig till denna aspekt eftersom vår forskning vid Eindhoven University of Technology i hög grad har bidragit till utforskningen av ytpassivationen av Al2O3(ALD och PECVD), till undersökningen av grundläggande aspekter och materialegenskaper som ligger till grund för den höga nivån av ytpassivering, samt för demonstrationen av Al2O3i solcellanordningar.

Jag funderade på att ta itu med några viktiga aspekter av Al2O3ytpassivering och dess deponeringsprocesser men sedan kom jag ihåg att jag hade skrivit ner många av dessa aspekter under 2011 när jag förberedde ett konferenspapper för den 21: a NREL Workshop om kristallina kiselsolceller& Moduler: Material och processer organiserade i Breckenridge Colorado 2011. Jag blev inbjuden till denna konferens (som äger rum årligen, sehttps://siliconworkshop.com) eftersom vårt arbete med Al2O3hade väckt stor uppmärksamhet vid den tiden. När jag läste igenom konferensbidraget fann jag att många av de aspekter som beskrivs i tidningen fortfarande kvarstår och var ganska förebyggande. Därför har jag bestämt mig för att kopiera hela texten nedan och bara lägga till några små kommentarer till den. Förresten, artikeln baserades på tio frågor vars svar borde ge en god uppfattning om ”utsikterna för användning av Al2O3för högeffektiva solceller”Eftersom detta var tidningen på tidningen.

Jag skulle vilja tillägga här att jag också höll ett plenarsamtal vid25thEuropeiska PV solenergikonferens och utställningi Valencia 2010. Detta var då intresset för Al2O3inom solcellindustrin började verkligen ta fart. Jag spelade in den presentationen och du kan lyssna på denhär. Det bör ge dig en snabb översikt över alla relevanta aspekter relaterade till Al2O3på 20 min. Dessutom vill jag notera att mycket mer information ges i granskningsdokumentet som min tidigare doktorand och jag skrev 2012:Status och framtidsutsikter för Al2O3-baserade ytpassivationsscheman för kiselsolceller(länk). Om du är inblandad eller intresserad av Al2O3för solceller är detta förmodligen en måste läsas.

Slutligen vill jag nämna att många saker har hänt sedan dessa dagar men som sagt kommer detta att tas upp i ett annat blogginlägg snart!

Konferensbidrag 21: a Workshop om kristallina kiselsolceller& Moduler: material och processer - Breckenridge Colorado - 2011 *

Granskning av utsikterna för användning av Al2O3för högeffektiva solceller

Al2O3är ett material som snabbt har blivit populärt de senaste åren som tunnfilmspassiveringsmaterial för c-Si solceller (PV). I detta bidrag kommer tio frågor att tas upp som kan finnas i solcellsgemenskapen.

1) - Ytpassivering av Al2O3, vad är historien?

Redan 1989 rapporterade Hezel och Jaeger om Al's passiveringsegenskaper2O3filmer vid den tiden beredda genom pyrolys [1]. Även om detta dokument rapporterar om materialets mycket intressanta egenskaper när det gäller ytpassivering av c-Si (t.ex. närvaron av en hög densitet av negativa laddningar), var det mer intresse för a-SiNx: H tunna filmer vid den tiden och materialet förblev i princip obemärkt i PV-samhället. Detta förändrades dock runt 2005 när forskargrupper vid IMEC [2] och Eindhoven University of Technology (TU / e) [3] visade att Al2O3filmer framställda genom atomskiktsdeposition (ALD) - en särskild form av kemisk ångdeposition (CVD) [4] - leder till utmärkta nivåer av ytpassivering avn-typ ochp-typ c-Si. Efter dessa första rapporter intresset för Al2O3växte snabbt, särskilt när det visades att Al2O3leder också till en utmärkt passivering avp+-typytor [5] och efter rapportering om solcellernas prestanda där Al2O3införlivades för att passivera bakre och främre sidoytor avp-typ [6] ochn-typ [7] solceller.

2) - Vilka är de grundläggande materialegenskaperna hos Al2O3filmer som används för Si-passivering?

Al2O3är ett brett bandgap (~ 8,8 eV för bulkmaterial) dielektriskt som består i olika kristallina former. För passiveringsskikt är emellertid amorft Al2O3filmer används med ett något lägre bandgap (~ 6,4 eV) och med ett brytningsindex på ~ 1,65 vid en fotonenergi på 2eV. Filmerna är därför helt transparenta över våglängdsregionen som är intressant för solceller. Filmerna är typiskt ganska stökiometriska ([O] / [Al] -förhållande=~ 1,5) även om det kan finnas ett litet överskott av O i filmen. När de framställs med CVD-baserade tekniker uppvisar filmerna också ett lågt väteinnehåll (vanligtvis 2-3 vid.%) Och detta väte är mestadels bunden till (överskott) O som –OH-grupper. Det har emellertid observerats att de utmärkta passiveringsegenskaperna inte beror känsligt på Al2O3egenskaper som stökiometri och materialrenhet [8]. Vätehalten i Al2O3filmer har emellertid visat sig vara mycket viktiga för den kemiska passiveringen av c-Si erhållen från Al2O3filmer. Detta håller även gränsytans skikt av SiOx(1-2 nm tjocklek) som (alltid) bildas mellan Al2O3och Si vid tillämpning av CVD-baserade tekniker [3,9].

Brytningsindex n och extinktionskoefficient k för en 30 nm Al2O3film deponerad av ALD[10].

3) - Vilka tekniker kan användas för att förbereda Al2O3tunna filmer?

Al2O3filmer för c-Si-ytpassivering har deponerats av termisk och plasmastödd ALD med användning av Al (CH3)3föregångsdosering tillsammans med olika oxidantkällor (H2O, O3och O2plasma) [8,11]. Plasmaförstärkt CVD (PECVD, från Al (CH3)3och n2O eller CO2blandningar) har också använts för att avsätta Al2O3[8,12,13] liksom den fysiska ångdepositionstekniken (PVD) för sputtring [14]. I de tidiga dagarna (1989) använde Hezel och Jaeger pyrolys av Al (OiPr)3för deponering av Al2O3som var de första resultaten på Al2O3-baserad passivering av c-Si som någonsin rapporterats [1]. Sol-gel-processer har också undersökts för Al2O3syntes för c-Si-passivering [15,16]. I alla dessa fall är glödgning av filmerna vid ~ 400 ° C fördelaktig eller till och med nödvändig för att uppnå en hög nivå av ytpassivering.

Olika reaktorkonfigurationer för termisk ALD: (a) enkel-wafer-reaktor, (b) satsreaktor och rumslig ALD-reaktor. I (a) och (b) utförs ALD-cyklerna i tidsdomänen och i (c) utförs ALD-cyklerna i den rumsliga domänen[17].

4) - Vad gör Al2O3så unik för ytpassivering?

Två passiveringsmekanismer kan urskiljas för Si-ytor. Den första mekanismen är minskningen av gränssnittstillståndstäthetenDDetvid Si-ytan, t ex genom passivering av Si-dinglande bindningar av H-atomer. Denna mekanism kallas "kemisk passivering". Den andra mekanismen är minskningen av densiteten hos de minoritetsladdningsbärare som finns på Si-ytan genom ett inbyggt elektriskt fält vid ytan. Denna så kallade "fälteffektpassivering" kan uppnås genom dopningsprofiler eller med fasta avgifterQfnärvarande i en tunn film avsatt på Si. Den utmärkta passiveringen av Al2O3är vanligtvis en kombination av båda mekanismerna.

Det faktum att Al2O3kan innehålla en mycket hög densitet (upp till 1013centimeter-3) avnegativavgifter gör materialet unikt [18]. Nästan nästan alla andra material (särskilt SiO2och a-SiNx: H) innehåller positiva fasta laddningar och med lägre densitet. För Al2O3de fasta avgifterna är belägna vid gränssnittet mellan Al2O3och gränsytan SiOxpå Si [19]. Dessutom är det intressant att notera att densiteten av fasta avgifter i Al2O3beror på beredningsmetoden för Al2O3.För filmer framställda av plasmaassisterad ALD och PECVD i allmänhet en högreQffinns som för filmer framställda av termisk ALD. I det senare fallet kan den utmärkta passiveringsnivån främst tillskrivas en lågDDetnivå.

En andra nyckelaspekt av Al2O3, en aspekt som hittills har fått mindre uppmärksamhet, är det faktum att Al2O3verkar också en effektiv vätgasreservoar som ger väte till Si-gränssnittet under värmebehandlingar (under glödgning och under avfyrningssteget). Detta har nyligen entydigt fastställts [9] och förklarar det faktum att en sådan utmärkt nivå av kemisk passivering kan uppnås av Al2O3filmer, antingen avsatta direkt på H-terminerat Si eller på Si innehållande en deponerad SiOxskikt (t.ex. av PECVD eller ALD) som passiverar relativt dåligt av sig själv (dvs när ingen Al2O3täckskikt appliceras) [20].

Ytrekombinationshastighet Seff, maxför plasmaassisterad och termisk ALD Al2O3filmer som en funktion av koronaladdningstätheten deponerad på Al2O3. Denna plot avslöjar att båda filmerna innehåller en fast negativ laddningstäthet men med mindre laddning i det termiska ALD-provet. Den termiska ALD har en högre nivå av kemisk passivering såsom avslöjas av det lägre värdet av S.eff, maxvid den punkt där de fasta avgifterna kompenseras av koronavgifterna.

Not 2018:Ny uppföljningsundersökning om passivering av kiselytor av olika metalloxider har avslöjat att många av dessa metalloxider är negativa laddningsdielektriker, t.ex. HfO2, Ga2O3TiO2, Nb2O5, etc.

5) - Vad är prestandan hos (industriella) solceller med Al2O3?

Med tanke på entusiasmen om Al2O3inom solcellssamhället [21,22] är det mycket troligt att prestanda för solceller som innehåller Al2O3passiveringsskikt testas omfattande. Men eftersom det handlar om värdefull och skyddad information för solcellsföretag avslöjas inte resultaten av dessa tester eller rapporteras inte uttryckligen som sådana. De första resultaten på solceller med Al2O3satte dock scenen och var avgörande för att utlösa PV-industrins intresse. De första solcellsresultaten rapporterades förp-typ PERC-celler i vilka ALD Al2O3användes för passivering av bakytan, som ett enda lager och i en stapel kombinerad med PECVD-SiOx(samarbete ISFH - TU / e) [6]. Den bästa effektiviteten i denna första rapport var 20,6% och i senare arbete för liknande solceller erhölls en effektivitet på 21,5% [13]. En annan viktig tidig prestation var en effektivitet på 23,2% förn-typ PERL-celler i vilka ALD Al2O3kombinerat med PECVD a-SiNx: H användes för passivering på framsidan (samarbete Fraunhofer ISE - TU / e) [7]. I ett senare skede uppnåddes en effektivitet på 23,5% för denna typ av solceller [23]. Andra solcellsresultat har rapporterats av ITRI [24], ECN [25] och universitetet i Konstanz [26].

PERL-solcell med Si-bas av n-typ och ett passiveringsskikt på framsidan av Al2O3(30 nm) tillsammans med en a-SiNx: H (40 nm) antireflexbeläggning[7].

Not 2018:Uppenbarligen är Al: s industriella genombrott2O3har varit i PERC-tekniken.

6) - Vilka är kraven på film och bearbetningsförhållanden?

Många tekniska frågor måste tas upp för att implementera Al2O3i solceller. Svaren på dessa frågor beror uppenbarligen på den planerade solcellstypen och konfigurationen, men vissa allmänna insikter har erhållits från de studier som genomförts de senaste åren. För ALD-deponerade filmer har den minsta tjockleken visat sig vara 5 nm och 10 nm för plasmaassisterad respektive termisk ALD [27]. Skillnaden förväntas härröra från den lägre vikten av fälteffektpassivering av termisk ALD. Den optimala avsättningstemperaturen ligger inom intervallet 150-250oC [8]. Även om passiveringsnivån inte är särskilt känslig för avsättningstemperaturen styrs det optimala av den kemiska passiveringen [9]. Vid lägre temperaturer är Al2O3filmtätheten är inte tillräckligt hög medan Al vid högre temperaturer2O3har för lågt väteinnehåll. I båda fallen har Al2O3kan inte ge tillräckligt med väte för att passivera Si-hängande bindningar på gränssnittet (under glödgning), antingen på grund av för stor utdiffusion av väte i omgivningen eller en för liten vätebehållare till att börja med. Med tanke på glödgningen av Al2O3- ett steg som är nödvändigt för att aktivera ytpassivationen i sin fulla utsträckning - den optimala temperaturen är cirka 400oC [27]. Vid denna temperatur frigörs tillräckligt med väte från filmen. Det faktum att väte från filmen minskar densiteten i gränsytatillståndet bekräftas också av det faktum att en glödgning i N2gas fungerar bra, ingen formande gasglödgning krävs. Glödgningsstegets varaktighet kan vara så kort som 1 min. för att ge utmärkta nivåer av ytpassivering. Al2O3är också tillräckligt stabil under avfyrningssteget som används i solceller av industriell typ med screentryckt metallisering. Passivationsnivån försämras emellertid under detta högtemperatursteg (typiskt 800 - 900oC i några sekunder) [28,29] men den återstående nivån av passivering är överlägset tillräcklig för sådana solceller av industriell typ. Al2O3hittades också kompatibel meda-Syndx: H i stapelsystem och till och med en förbättrad termisk stabilitet rapporterades [30]. Även staplar av Al2O3med lågtemperatur-syntetiserad SiO2befanns vara skjutstabil [20].

Ytrekombinationshastighet Seff, maxför plasmaassisterad och termisk ALD Al2O3film efter glödgning vid olika temperaturer i N2i 10 min. Data ges för p- och n-typ Si. Uppgifterna vid 200oC avser deponerade filmer (avsättningstemperaturen var 200oC för alla filmer)[27].

Not 2018:I PERC, en stapel Al2O3/som ix: H används och denna stack möjliggör tunnare Al2O3filmer. Tjockleken på Al2O3i PERC är 4-10 nm.

7) - Är metoderna för deponering av Al2O3skalbar?

Deponeringsmetoderna för PECVD [13,31] och förstoftning [14,32] är verkligen skalbara och de är redan implementerade i c-Si solcellstillverkning. Företaget Roth& Rau har anpassat sin mikrovågsugn PECVD-teknik för Al2O3deponering och bra passiveringsresultat rapporterades [13]. Konkurrensfördelen med denna teknik är att befintliga PECVD-system ganska enkelt kan modifieras och undviker stora investeringar i utveckling av ny teknik och / eller minskning av stora investeringar. För sputtering är de hittills rapporterade passiveringsresultaten inte lika bra som för PECVD och ALD, även om de kan vara tillräckliga för kommersiell solcellstillverkning.

Konventionell ALD är olämplig för produktion av industriella solceller med hög kapacitet. Genomströmningen kan dock ökas genom att gå till satsvis bearbetning där flera (100 () skivor täcks på en gång i en enda reaktorkammare. Denna väg följs av företagen Beneq [33,34] och ASM [35] Ett annat tillvägagångssätt vidtas av två nederländska företag. Både Levitech [36-38] och SolayTec [39-41] har utvecklat rumslig-ALD-utrustning där ALD-cyklerna inte utförs inom tidsdomänen utan i den rumsliga domänen. Detta bör möjliggöra hög genomströmning av mer än 3000 skivor per timme per verktyg.

Jämförelse av c-Si-passiveringsresultat för rumslig ALD, PECVD och förstoftning[42]. ALD ger vanligtvis bästa passiveringsprestanda även om PECVD kommer väldigt nära[8,43].

Not 2018:2011, Roth& Rau förvärvades av Meyer Burger och detta är företagets nuvarande namn. Under de senaste åren har mycket hänt inom Al2O3deponering och de företag som tillhandahåller verktygen. Se uppföljningsbloggen.

8) - Spatial-ALD för tillverkning av stora volymer, vilka är fördelarna?

De två viktigaste fördelarna med rumslig ALD är att det möjliggör inbyggd atmosfärisk ALD-bearbetning och att cyklerna inte utförs i tidsdomänen utan i den rumsliga domänen. Det senare innebär att föregångaren och reaktantinjektionen äger rum i olika fack eller zoner där gasfasarterna är begränsade. Dessa zoner är åtskilda av barriärer för inert gas skapade av rensningszoner däremellan. För att underlaget exponeras för de olika zonerna växelvis översätts substratytan genom de olika zonerna. Denna översättning kan ske linjärt genom att flytta substratet genom många upprepade zoner (tillvägagångssätt förföljt av Levitech [36-38]) eller det kan periodiskt flyttas genom att substraten flyttas i förhållande till ett deponeringshuvud fram och tillbaka (tillvägagångssätt som följs av SolayTec [39 -41,44]). Andra fördelar för inbyggd rumslig ALD är det faktum att avsättning på en sida lätt kan uppnås, frånvaron av rörliga delar (förutom skivorna) och det faktum att ingen avsättning sker vid reaktorväggarna. Användningen av föregångare är också effektiv.

Det rumsliga ALD-systemet "Levitrack" från Levitech för inbyggd bearbetning av solcellskivor vid atmosfärstryck[36-38]. Skivorna drivs vid spårets inlopp och de "flyter" på lager av gas som skapas av de insprutade gaserna: Al (CH3)3föregångare, N2rensa, H2O-reaktant och N2rensning etc. Våfflornas position är självstabiliserande i mitten av spåret och även avståndet mellan angränsande wafers på några centimeter är självreglerande. I den nuvarande konfigurationen ger systemet ~ 1 nm Al2O3per 1 m systemlängd.

9) - Vad sägs om produktionskostnaderna per skiva för Al2O3passiveringslager?

Denna fråga är svår att svara på just nu. Vissa utrustningstillverkare från Al2O3deponeringssystem rapporterar några cent per rån. Implementeringen av till exempel passiviseringssystem för baksidan har stora konsekvenser för det totala processflödet för solcellstillverkningen och kostnaden för ägandet beror därför i stor utsträckning på detaljerna i det valda passiveringsschemat för baksidan. Även integrationen av Al2O3med andra material och bearbetningssteg är en stor utmaning som för närvarande behandlas av PV-industrin.

Ett viktigt fynd hittills är det faktum att passivering av solceller av Al2O3kräver inte halvledarkvalitet av Al (CH3)3föregångare. Det visade sig att den passiveringsprestanda som erhölls med solkvalitet Al (CH3)3är också utmärkt [10]. Detta är bara en av de viktiga kostnadsrelaterade aspekterna som måste övervägas. En annan intressant observation var att en mycket bra passiveringsprestanda också kan uppnås av andra, något mindre pyroforiska prekursorer än Al (CH3)3, till exempel ALD för Al2O3från Al (CH3)2(OiPr) och O2plasma avslöjade också en mycket bra passiveringsprestanda [10].

Effektiv livslängd för plasma-assisterad och termisk ALD Al2O3filmer deponerade från halvledare och solkvalitet Al (CH3)3[10]. Motsvarande Seff, maxvärdena är så låga som=1-2 cm / s för injektionsnivåer på 1014-1015centimeter-3. Av denna figur kan man dra slutsatsen att det inte finns något behov av att använda mycket dyra föregångare för att nå utmärkta nivåer av ytpassivering

Not 2018:Det är uppenbart att användningen av Al2O3nanolager för passivering lönar sig. Användningen Al (CH3)3som föregångare är en mycket betydande kostnadsfaktor så en optimerad och effektiv användning av föregångare är nyckeln.

10) - Vilka är de övergripande utsikterna för användning av Al2O3i PV?

Frågan är förmodligen inte om Al2O3kommer att användas i kommersiella solceller men när Al2O3kommer att tillämpas. Frågan är också i vilken typ av solceller Al2O3kommer att tillämpas. Det kan inte bara vara i avancerade, högeffektiva, monokristallina Si-solceller. Al2O3tunna filmer kan också vara intressanta för mer vanlig solproduktion. Man kan därför dra slutsatsen att de övergripande utsikterna är mycket ljusa.

Not 2018:Al2O3nanolager har möjliggjort PERC-tekniken som dök upp på marknaden runt 2014. I år kan de globala cellfabrikernas produktion nå nära 50%.

Referenser:

1. R. Hezelet al.,J. Electrochem. Soc136518-523 (1989)

2. G. Agostinelliet al.,Sol. Energy Mater. Sol. Celler903438-3443 (2006)

3. B. Hoexet al.,Appl. Phys. Lett.89042112 (2006)

4. SM Georgeet al.,Chem.Varv.110111-131 (2010)

5. B. Hoexet al.,Appl. Phys. Lett.91112107 (2007)

6. J. Schmidtet al.,Prog.Photovoltaics Res. Appl.16461-466 (2008)

7. J. Benicket al.,Appl. Phys. Lett.92253504 (2008)

8. G. Dingemanset al.,Elektrokemi. Solid State Lett.13H76-H79 (2010)

9. G. Dingemanset al.,Appl. Phys. Lett.97152106 (2010)

10. G. Dingemans och WMM Kessels,25: e fotovoltaiska solenergikonferensen och utställningen, Valencia (2010)

11. G. Dingemanset al.,Elektrokemi.Solid State Lett.14H1-H4 (2011)

12. S. Miyajimaet al.,Appl.Phys. uttrycka3012301 (2010)

13. P. Saint-Castet al.,IEEE Electron Device Lett.31695-697 (2010)

14. T.-T. Liet al.,Phys.Status Solidi RRL3160-162 (2009)

15. P. Vitanovet al.,Tunna solida filmer5176327-6330 (2009)

16. H.-Q. Xiaoet al.,Haka. Phys.Lett.26088102 (2009)

17. DH Levyet al.,J. Disp. Technol.5484-494 (2009)

18. B. Hoexet al.,J. Appl. Phys.104113703 (2008)

19. NM Terlindenet al.,Appl.Phys. Lett.96112101 (2010)

20. G. Dingemanset al.,Phys. Status Solidi RRL522-24 (2011)

21. Sun& Vindkraft, november (2010)

22. Photon International, mars (2011)

23. J. Benicket al.,35: e IEEE-fotovoltaiska specialkonferensen, Honolulu (2010)

24. WC sönet al.,Elektrokemi.Solid State Lett.12H388-H391 (2009)

25. IG Romijnet al.,25: e fotovoltaiska solenergikonferensen och utställningen, Valencia (2010)

26. J. Ebseret al.,25: e fotovoltaiska solenergikonferensen och utställningen, Valencia (2010)

27. G. Dingemanset al.,Phys.Status Solidi RRL410-12 (2010)

28. G. Dingemanset al.,J. Appl. Phys.106114907 (2009)

29. J. Benicket al.,Phys. Status Solidi RRL3233-235 (2009)

30. J. Schmidtet al.,Phys.Status Solidi RRL3287-289 (2009)

31. Roth& Rau,http://www.roth-rau.de

32. J. Liuet al.,25: e fotovoltaiska solenergikonferensen och utställningen, Valencia (2010)

33. JI Skarp,218: e elektrokemiska samhällets möte, Las Vegas (2010)

34. Beneq,http://www.beneq.com

35. ASM,http://www.asm.com

36. EHA Grannemanet al.,25: e fotovoltaiska solenergikonferensen och utställningen, Valencia (2010)

37. VI Kuznetsovet al.,218: e elektrokemiska samhällets möte, Las Vegas (2010)

38. Levitech,http://www.levitech.nl

39. B. Vermanget al.,Prog.Photovoltaics Res. Appl.(2011)

40. P. Poodtet al.,Adv. Mater.223564-3567 (2010)

41. SoLayTec,http://solaytec.org

42. J. Schmidtet al.,25: e fotovoltaiska solenergikonferensen och utställningen, Valencia (2010)

43. P. Saint-Castet al.,Appl. Phys. Lett.95151502 (2009)

44. P. Poodtet al.,Phys. Status Solidi RRL5165-167 (2011)