p-Si 태양 전지용 홀 선택적 접점으로서 열 증발 MoOX 박막의 광학 및 전자 특성에 대한 열처리 후 효과

결과 및 토론

그림 1a는 10nm 두께의 MoO_X의 사진을 나타냅니다. 다양한 온도(100 °C, 200 °C 및 300 °C)에서 5분 동안 공기 중에서 어닐링된 석영 유리에 필름. 모든 샘플은 시각적으로 무색 투명합니다. 그림 1b의 해당 광 투과율 스펙트럼에서 100°C 열처리된 MoO_X의 투과율 스펙트럼을 볼 수 있습니다. 필름은 어닐링되지 않은 필름의 필름과 거의 겹칩니다. 어닐링 온도가 높을수록 600–1100nm 범위에서 투과율이 낮아지며, 이는 산소 결손에 의해 유도된 자유 캐리어 흡수에 할당될 수 있습니다[46]. 두꺼운 MoO_X 굴절률 n을 측정하기 위해 폴리싱된 Si 웨이퍼에 필름(20nm)을 증착합니다. 및 소광 계수 k 좀 더 정확하게. 그림 1c의 굴절률은 1.8–2.5 범위에 있으며 이는 다른 연구[31, 32]와 일치합니다. n 곡선 및 k 곡선(그림 1d)은 4개의 샘플 간에 약간의 차이가 있습니다. n 633nm에서 20nm 두께의 필름은 약간 감소하며, 이는 표 2에 요약되어 있습니다.

아 사진 및 b 10nm 두께의 MoO_X의 투과 스펙트럼 다른 온도에서 5분 동안 공기 중에서 어닐링된 석영 유리에 필름. ㄷ 굴절률 n 그리고 d 소광 계수 k 20nm 두께의 MoO_X의 곡선 연마된 실리콘 웨이퍼의 필름

그런 다음 추가 파일 1:그림 S1과 같이 표면 형태를 AFM으로 특성화합니다. 해당 RMS(Root-mean-square) 거칠기는 표 2에 나열되어 있습니다. 증착된 10nm 두께의 MoO_X 박막(추가 파일 1:그림 S1a)은 4.116nm의 RMS 거칠기를 가지며 이는 물결 모양의 표면 형태에 따릅니다. 어닐링 온도가 높아짐에 따라(추가 파일 1:그림 S1b–d), MoO_X의 표면 기복 필름은 더 커지는 반면 특징적인 구조는 디웨팅 프로세스로 인해 더 작아지고 훨씬 더 조밀해집니다[47]. 300°C에서 어닐링한 후 RMS 거칠기는 12.913nm에 이릅니다. 20nm 두께의 필름은 약 1nm의 RMS로 덜 거칠습니다(표 2). Dewetting 과정은 또한 어닐링 처리의 함수로 RMS 측정에 의해 표시된 대로 억제됩니다. 위의 형태 변화는 장치 수준에서 산화막의 변화를 완전히 반영하지 않습니다. 여기서 MoO_X 필름은 Si에 증착되고 Ag 전극으로 덮이지만 형태 진화는 MoO_X의 고유한 특성을 제공할 수 있습니다. SiO₂에 표면.

MoO_X 분자 구조에 영향을 줄 수 있는 산소 결손을 형성하는 자연적인 경향이 있습니다[48]. 이러한 공석 관련 분자 구조 변화를 식별하기 위해 MoO_X에서 라만 분광 측정이 수행됩니다. (20nm)/Si(<100>). MoO_X의 특징적인 피크가 없습니다. 열처리와 무관한 녹색광(532nm) 여기(추가 파일 1:그림 S2) 아래의 라만 스펙트럼에서 여기가 325nm의 자외선으로 바뀌면 MoO_X의 특성 밴드 일반적으로 600–1000cm ⁻¹ 에서 나타납니다. (그림 2). 515cm의 날카로운 피크 ⁻¹ 모든 샘플에서 Si-Si 결합에 해당합니다. 고유 및 100°C 풀림 MoO_X의 경우 필름, 라만 밴드는 695, 850 및 965cm ⁻¹ 에 있습니다. , [Mo₇에서 가져온 것입니다. O₂₄ ] ⁶⁻ , [월₈ O₂₆ ] ⁴⁻ 음이온 및 (O =)₂ Mo(–O–Si)₂ dioxo 종 [49]. 필름이 200°C에서 어닐링되면 965cm ^-1 970cm로 밴드 이동 ⁻¹ , Mo(= ¹⁶ 에 할당됨 오)₂ 다이옥소 종 [50]. 300°C 열처리된 MoO_X의 라만 스펙트럼 영화는 695, 810 및 980cm ⁻¹ 에서 밴드를 나타냅니다. . 810cm의 밴드 ⁻¹ (O =)₂ 동안 Si-O-Si 결합에서 Mo(–O–Si)₂ 980cm ⁻¹ 에서 밴드 기여 . 결과는 다른 온도에서의 어닐링이 MoO_X의 화학적 조성에 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 각 샘플의 산소 결손 농도의 차이를 나타낼 수 있는 필름.

열처리 후 20nm 두께의 MoO_X의 UV 라만(325nm) 스펙트럼 연마된 실리콘 웨이퍼의 필름

XPS는 MoO_X에서 진행됩니다. 필름(10nm)을 사용하여 각 산화 상태의 상대적 함량과 산소 대 몰리브덴(O/Mo) 원자 비율을 정량화합니다. Shirley 배경 빼기 및 Gaussian-Lorentzian 곡선에 의한 피팅 후 XPS 스펙트럼의 다중 피크 디콘볼루션이 수행됩니다. Mo 3d 코어 수준은 이중선 스핀-궤도 분할 Δ을 통해 두 개의 이중선 피크로 분해됩니다. _BE 3.1 eV 및 3:2의 피크 면적 비율[11]. 그림 3과 같이 Mo ⁶⁺ 의 피크 3d_5/2 코어 레벨은 ~ 233.3 eV 결합 에너지를 중심으로 합니다. 모든 샘플에 대해 Mo ⁵⁺ 로 표시되는 ~ 232.0 eV의 두 번째 이중선 , 실험 데이터에 대한 좋은 적합도를 얻기 위해 필요합니다[8]. O/Mo 비율은 다음 공식에 의해 계산됩니다[51]:

나 (월 ^{n +} )는 Mo 3d 스펙트럼의 개별 구성 요소 강도입니다. n Mo 이온의 원자가 상태와 관련이 있습니다. 즉, Mo ⁵⁺ 의 경우 5입니다. Mo ⁶⁺ 의 경우 6 . 인자 1/2은 각 산소 원자가 두 개의 몰리브덴 원자에 의해 공유되기 때문입니다.

표 3에 나열된 모든 샘플의 O/Mo 비율은 3 미만입니다. 전이 금속 산화물 증착 동안 산소 손실 및 산화 상태 전이가 보고되었습니다[1]. XPS 측정은 현장 외이므로 열 증발 MoO₃에 대한 공기 노출 실온에서 필름은 또한 산소 결손을 증가시킬 수 있습니다[18, 52]. 어닐링되지 않은 MoO_X의 O/Mo 비율 필름은 2.958인 반면 100°C에서 후-어닐링하면 값이 2.964로 증가합니다. 어닐링 온도가 높을수록 O/Mo 비율이 점차 감소합니다. 100°C 열처리된 샘플의 가장 높은 O/Mo 비율은 공기에서 MoO_X로 주입된 열 활성 산소로 설명될 수 있습니다. 영화 [38]. 추가 파일 1:그림 S3은 10nm 두께의 열처리된 MoO_X의 Si 2p XPS 스펙트럼을 비교합니다. 영화. 어닐링되지 않은 샘플의 Si 2p XPS 스펙트럼은 실리콘 원소와 Si ⁴⁺ 의 이중 피크를 보여줍니다. 정점. 시 ²⁺ 피크는 100°C에서 어닐링될 때 나타납니다. 200 및 300°C에서 어닐링 시 Si ⁴⁺ 피크 , 시 ³⁺ 및 Si ²⁺ 동시에 존재합니다. 또한 SiO_X에서 계산된 X 4개의 샘플에 대한 값은 각각 2, 1.715, 1.672 및 1.815입니다. SiO_X의 산소 원자 MoO_X 출신; 따라서 O/Mo 비율은 산소를 취하는 SiOx와 산소를 주입하는 공기 사이의 균형에 따라 달라집니다. 그런데 어닐링 온도가 높을수록 Si 원소의 신호가 약해져서 두꺼운 SiO_X를 나타냅니다. 중간막 [26].

10nm 두께의 MoO_X의 Mo 3d 코어 수준 XPS 스펙트럼 실리콘 웨이퍼의 필름 a 포스트 어닐링 없이 b에서 포스트 어닐링 포함 100°C, c 200°C 및 d 300°C

산화물의 양이온 산화 상태를 감소시키면 일함수가 감소하는 경향이 있습니다[1]. UPS는 MoO_X의 일함수를 계산하는데 활용됩니다. 열처리의 기능으로 필름. 그림 4a는 일함수의 미세한 진동을 볼 수 있는 UPS 스펙트럼의 2차 전자 차단 영역을 보여줍니다. 그림 4b에서 공기 어닐링 후 가전자대 영역[37]의 결함 피크가 더 약해지는 것을 볼 수 있습니다. 표 3은 XPS 피팅에서 평가된 O/Mo 비율과 연마된 실리콘 웨이퍼의 샘플에 대한 UPS 2차 전자 컷오프에서 평가된 해당 일함수를 나열합니다. 일함수의 결과와 MoO_X의 화학량론 강한 양의 상관 관계가 공개된 그림 4c에도 나와 있습니다. O/Mo 비율이 2.942에서 2.964로 증가하면 일 함수가 약 0.06eV 증가합니다.

아 2차 전자 차단 영역 및 b 열처리 후 MoO_X의 UPS 스펙트럼의 가전자대 실리콘 웨이퍼에 필름. ㄷ 화학량론(O/Mo 비율)에 대해 플롯된 일 함수

MoO_X 적용 전 p에서 부동태화 접점으로 필름 -Si 웨이퍼, AFORS-HET[44]를 사용하여 1차원 에너지 밴드 시뮬레이션을 수행하여 p의 선명한 이미지를 얻습니다. -Si/MoO_X 이종 접촉자. p의 두께 -Si 및 MoO_X 필름은 각각 1μm 및 10nm로 설정됩니다. p의 수용체 농도 -Si는 1 × 10 ¹⁶ 입니다. cm ⁻³ , 결과적으로 4.97eV의 일함수가 됩니다. MoO_X 이후 n입니다 -유형 재료[53], 1 × 10 ¹⁶ 범위에서 공여체 농도를 변경하여 산소 결손 농도 변화를 시뮬레이션합니다. cm ⁻³ ~ 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ . 그림 5a는 MoO_X의 일함수와 도너 농도를 보여줍니다. 기하급수적으로 상관관계가 있습니다. 그림 5c, d는 도너 농도(N _D ) of MoO_X 1 × 10 ¹⁶ 입니다. 및 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , 각각. p의 두 밴드 -Si 및 MoO_X 일함수 차이와 페르미 에너지 평형으로 인해 구부러집니다. 효율적인 캐리어 추출을 위해서는 p의 가전자대에서 광 생성된 구멍이 필요합니다. -Si는 MoO_X에 제시된 전자와 재결합합니다. 인접한 금속 전극에서 주입되는 전도대 [7, 54]. p의 밴드 벤딩 -시, MoO_X 총 밴드 굽힘은 그림 5b에 나와 있습니다. MoO_X의 업무 기능으로 (WF _모 ) 변경, p의 밴드 기능에는 뚜렷한 변화가 없습니다. -시. 이에 반해 MoO_X의 밴드 벤딩은 전자 주입에 유리한 내장 전기장을 나타내는 는 일함수가 증가함에 따라 증가합니다. MoO_X 작업 함수는 p의 전체 밴드 굽힘을 증가시킵니다. -Si/MoO_X 연락처, 대부분은 MoO_X에 있습니다. 부분. 따라서 MoO_X의 높은 일함수는 p에서의 전자 주입 측면에서 바람직합니다. -Si/MoO_X 인터페이스.

p의 시뮬레이션된 에너지 밴드 결과 -Si/MoO_X 연락하다. 아 일함수와 N의 관계 _D MoO_X의 (N _D-MO ). ㄴ 피 -시, MoO_X 및 p에 대한 총 밴드 굽힘 -Si/MoO_X 연락하다. p의 수용체 농도 -Si는 1 × 10 ¹⁶ 입니다. cm ⁻³ . p의 시뮬레이션된 밴드 다이어그램 -Si/MoO_X N으로 연락 _D-MO c입니다. 1 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ 그리고 d 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ , 각각

그림 6은 어두운 I–V를 나타냅니다. p의 특성 -Si/MoO_X Cox 및 Strack 방법을 사용하는 접점(추가 파일 1:개략도는 그림 S4 참조) [42]. I–V의 기울기 곡선은 도트 전극의 직경이 증가함에 따라 증가합니다. I-V 어닐링되지 않은 샘플과 100°C로 어닐링된 샘플의 곡선은 선형이며 비접촉 저항(ρ _ㄷ ) 0.32 및 0.24 Ω‧cm ² 로 적합 , 각각. 100°C에서 어닐링하면 SiO_X가 생성되지만 p의 레이어 -Si/MoO_X 더 두꺼운 인터페이스, WF _모 어닐링되지 않은 MoO_X보다 높습니다. 따라서 해당 샘플은 최고의 정공 수송 특성을 나타냅니다. I-V 200 및 300°C에서 어닐링된 샘플의 곡선은 작은 도트 직경에서 비선형이 되며 옴 접촉으로 간주될 수 없습니다. 100°C에서 어닐링된 샘플과 비교할 때 더 높은 어닐링 온도에서 어닐링된 샘플은 더 낮은 전류를 가집니다. 일함수의 작은 강하로서 주된 이유는 더 높은 어닐링 온도가 더 두꺼운 SiO_X를 야기하기 때문입니다. p의 레이어 -Si/MoO_X 인터페이스, 캐리어가 산화물 장벽을 통해 터널링을 더 어렵게 만듭니다.

10nm 두께의 MoO_X의 접촉 저항 측정 연마된 실리콘 웨이퍼의 필름 a 포스트 어닐링 없이 b에서 포스트 어닐링 포함 100°C, c 200°C 및 d 300°C

MoO_X의 패시베이션 품질 (10nm)/p - 열처리의 함수로서 Si 이종 접합은 유효 소수 캐리어 수명(τ _에프 ). 주입 수준 의존 τ _에프 s는 추가 파일 1:그림 S5에 나와 있습니다. 여기서 τ _에프 1 × 10 ¹⁵ 주입 수준에서 s cm ⁻³ 표 3에 나열되어 있습니다. 어닐링되지 않은 MoO_X 필름은 최고의 패시베이션 능력을 보여줍니다. 처리 온도가 높을수록 τ가 낮아집니다. _에프 , 이는 계면 SiO_X의 화학적 부동태화의 결합된 결과입니다. MoO_X의 전계 효과 패시베이션 , SiO_X에서 더 큰 X MoO_X에서 실리콘의 더 적은 댕글링 본드와 더 큰 X를 의미합니다. 더 큰 내장 전기장 강도를 의미합니다.

MoO_X 그런 다음 영화는 p에 채택됩니다. -Si/MoO_X MoO_X의 영향을 조사하기 위한 (10nm)/Ag 구성(그림 7a) 장치 성능에 대한 의 전자 속성. 광전류 밀도 대 전압(J–V ) 곡선은 그림 7b에 나와 있습니다. 평균 J–V 특성은 그림 7c-f에 나와 있습니다. 낮은 V _OC 어닐링 후 s는 더 낮은 τ와 일치합니다. _에프 . MoO_X가 있는 셀을 제외한 모든 셀 300°C에서 풀림, 유사한 J 공유 _SC (~ 38.8mA/cm ² ), 이는 MoO_X의 광학 지수의 미세한 차이를 의미합니다. 및 계면 SiO_X의 두께 변화 장파장 범위에서 벌크 실리콘의 효과적인 광 흡수에 거의 영향을 미치지 않습니다. 최고의 PCE 열처리되지 않은 MoO_X가 있는 태양 전지의 수 영화는 18.99%로 이전 보고서[26]와 유사합니다. PCE 100°C 어닐링이 적용될 때 19.19%가 달성됩니다. PCE 개선은 주로 상승된 필 팩터(FF ) 감소된 직렬 저항으로, 이는 그림 6b의 낮은 접촉 저항과 일치합니다. 구멍의 비효율적인 수송은 FF의 감소로 이어집니다. , 이는 300°C 어닐링을 사용하는 기기에서 두드러집니다. 더 높은 어닐링 온도는 PCE로 이어집니다. 감소된 V에서 비롯된 드롭 _OC (MoO_X의 전계 효과 패시베이션 저하 ) 및 FF (더 두꺼운 SiO_X 중간층은 캐리어 터널링 확률을 줄입니다). MoO_X로 박막이 Ag 전극으로 덮인 경우 성능 저하가 주로 MoO_X에서 고온 유도된 원소 확산으로 인해 발생할 수 있습니다. /Ag 인터페이스는 이전 보고서[26]에서 설명했습니다. MoO_X로 Ag 원자의 확산 MoO_X 감소 의 일 함수, 페르미 준위는 금속에서 MoO_X로 전자 이동에 의해 평형 상태로 정렬됩니다. [19, 55, 56].

아 단면도, b J–V 곡선 및 c–f 평균 J–V p의 매개변수 -Si/MoO_X MoO_X가 있는 /Ag 태양 전지 다른 온도에서 어닐링된 필름

전반적으로 p의 성능은 -Si/MoO_X 이종 접합 태양 전지는 정공 선택성 MoO_X의 패시베이션 품질, 일 함수 및 대역 대 대역 터널링 [34] 속성의 영향을 받습니다. 영화. 현재 구조의 패시베이션 성능은 여전히 ​​열악하여 상대적으로 낮은 V _OC . 따라서 효율적인 표면 패시베이션은 도핑되지 않은 캐리어 선택적 접촉에 대한 연구 초점이 될 것입니다.