터널링 원자층 증착 알루미늄 산화물:실리콘 접합의 표면 패시베이션에 대한 상관 구조/전기 성능 연구

결과 및 토론

그림 1(b)는 실리콘 기판의 [011] 방향을 따라 촬영한 일반적인 HRTEM 이미지이다. 이 방향에서, 전자빔은 필연적으로 필름 기판 계면에 평행하다. 인쇄물의 상단 표면은 완벽하게 평평하지 않습니다. 이 관찰은 위의 서로 다른 비정질 층(실리카, 알루미나 및 질화규소) 사이의 계면도 거칠기 때문에 특성화를 매우 어려운 작업으로 만든다는 것을 의미합니다. 실제로 두께 측정은 이러한 거칠기로 인해 항상 과대평가됩니다. 그림 1(b)의 삽입은 HRTEM 이미지의 흰색 직사각형으로 표시된 대로 기판에 수직이고 10nm 너비 영역에 걸친 강도 프로파일입니다. 이 프로파일은 Si 기판 상단에 있는 3개의 비정질 층 사이의 대비 차이의 증거를 제공합니다. 실제로 Z 대비로 인해 실리카 층 위에서 더 어두운 0.9nm 두께의 층이 관찰될 수 있으며, 이는 아마도 ALD에 의해 성장된 알루미나 층일 것입니다. 이 결과를 확인하기 위해 에너지 분산 X선 분광기와 결합된 주사 투과 전자 현미경으로 얻은 화학적 매핑과 결합된 두 개의 서로 다른 알루미나 층에서 고각 환상 암시야 이미징이 수행되었습니다. 그림 1(c)와 (d)는 두 개의 다른 알루미나 층 두께를 보여주는 두 세트의 데이터입니다.

두 세트 모두 Si 기판의 상단 표면([011] 방향을 따라)을 나타내는 HAADF 이미지와 세 개의 비정질 층, 즉 실리카(어두운 영역), 알루미나(흰색 영역) 및 마지막으로 질화규소(중간 대비)로 구성됩니다. 특히 그림 1(d)에서 일부 밝은 점이 보입니다. 이러한 특징은 FIB가 얇은 포일을 준비하는 동안 보호층에서 나오는 백금 먼지 때문입니다. 두 구조 모두에 대해 알루미늄, 산소 및 실리콘의 STEM EDX 화학 맵이 그림 1(c) 및 (d) 상단에 보고됩니다. 알루미늄 지도는 HAADF 이미지의 흰색 영역에 해당하는 알루미늄의 존재를 멋지게 보여줍니다. 인접한 영역에 일부 밝은 점이 있지만 이는 획득 중 배경의 일부 "노이즈"에 해당합니다. 알루미나 및 실리카 층을 이미지화하기 때문에 산소 맵에서 더 넓은 영역을 볼 수 있습니다. 마지막으로 실리콘 맵은 실리콘이 없는 유일한 층인 알루미나 층에 해당하는 어두운 선을 나타냅니다. 확산 산란 현상으로 인해 화학 지도는 두께 값을 적절하게 추정하기 위한 최상의 데이터가 아닙니다.

알루미나 층의 존재에 의해 유도된 다른 대비를 보다 명확하게 보여주기 위해 우리는 그림 1(c)와 (d)와 같이 두 이미지에 대한 강도 프로파일을 표시했습니다. 이러한 프로파일에 의해 명확하게 입증된 바와 같이, 넓은 밴드는 알루미나 층에 해당하는 더 밝은 영역을 나타냅니다. 알루미나는 일정한 조도를 가지고 있다는 점을 감안할 때, 층의 양쪽 경사면 중간에 위치한 두 수직선 사이의 거리를 측정하여 층두께를 추정하는 것이 합리적이다. 결과는 각각 약 1.2 nm 및 1.9 nm입니다.

시리즈 저항의 진화 R _s

그림 2a와 같이 R _s 거의 일정합니다(R _s =1.1 ± 0.15 Ω) d =0.24 ~ 1.2 nm 및 d에 대해 3.1 ± 0.2 Ω으로 급격히 증가 =1.9 nm. 측정된 저항 R _s 에미터 및 베이스 영역, 금속 핑거 및 얇은 SiO₂와 관련된 저항의 추가입니다. 모두 R로 표시된 산화물 층 _나 , + 저항 R _목 알루미나 층과 관련이 있습니다. 모든 샘플에 대해 그림 4의 오차 막대(± 0.15 Ω)로 주어진 기술 절차의 재현성 한계에서 R _나 동일한 기술 프로세스가 적용되므로 상수로 간주됩니다. d 유일한 수정된 매개변수입니다. 따라서 R _s d까지 일정합니다. =1.2 nm 및 터널링 저항 R _목 분명히 d에 따라 다릅니다. , 우리는 최대 d =1.2 nm, R _목 다양하지만 그 변동은 측정의 분산, 즉 0.15 Ω보다 작습니다. R _목 터널링에 대한 전달 계수 γ의 역수에 직접적으로 결합됩니다. 즉, [29]에 의해 주어진 직사각형 장벽을 통한 캐리어의 터널링 확률:

m ^* 알루미나 장벽의 유효 질량(m ^* =0.75 m ₀ [30], m ₀ 전자 질량), h 플랑크 상수, q 는 전자 전하이고 ϕ _나 전도대 오프셋 ΔE_C와 동일한 유효 장벽 높이 유전체와 n ⁺ 사이 실리콘 접촉. 터널링 저항은 다음과 같이 지정됩니다.

여기서 A 상수입니다. d 동안 =1.9 nm, R _목 R에서 측정한 걸음 수에 해당합니다. _s , 따라서 우리는 R을 추론합니다. _목 (1.9 nm) =2 Ω. 이 값에서 A 계산할 수 있습니다. 이를 위해서는 ϕ를 알아야 합니다. _나 이는 페르미 준위가 많이 도핑된 n ⁺ 에서 전도대의 최소값 내에 있기 때문에 Si와 유전층 사이의 전도대 오프셋과 같습니다. 실리콘 접촉. 사실, 유전체 층은 실제로 몇 나노미터 SiO₂입니다. /알₂ O₃ 스택, 그래서 대역 오프셋은 이 두 유전체 층에 따라 달라집니다. 전도대 오프셋은 SiO₂의 경우 3.13–3.5 eV 및 2.08–2.8 eV 범위입니다. 및 Al₂ O₃ [31] 각각. 표 2는 A의 값을 보여줍니다. R의 값에서 추론된 전인자 _s d에서 측정 =1.9 nm, ϕ의 두 극단값에 대해 _나.

아 직렬 저항 R의 진화 _s 대 알루미나 두께. ㄴ R의 실험값 _s 시뮬레이션 한 R _시뮬 ϕ에 대해 계산됨 _나 =2.08 및 3.5 eV 대 알루미나 두께 d (nm)

그림 2b에서 R _s 및 총 시뮬레이션된 저항 R _시뮬 =R _나 + R _목 두 ϕ에 대해 _나 값 대 d (R _s d 사이의 평균값 1.1 Ω으로 취했습니다. =0.24 및 1.2 nm). 무엇이든 ϕ _나 , d 동안 ≤ 1.2 nm, R _목 무시할 수 있습니다. 그것은 우리의 시작 가설을 확인시켜줍니다:R의 진화에서 1.9 nm에서 관찰된 단계 _s 터널링 장벽의 진화와 관련이 있습니다. d 동안 1.2 nm 미만에서 알루미나 층의 주요 효과는 n ⁺ 를 부동태화하는 것입니다. 산화물에 국한된 고정 전하와 관련된 전계 효과 패시베이션을 통해 접점 및 p 표면. 더 큰 d 값, 알루미나 층은 전지의 전기적 성능을 감소시키는 기생 직렬 접촉 저항을 도입합니다.

마지막으로 저항률 ρ를 추정할 수 있습니다. 알루미나 층의. 이를 위해 측정된 저항 R을 고려합니다. 1.9 nm의 두께 값에 대해. 터널링 효과가 감소하고 레이어가 "대량 유사" 동작(조잡한 근사치)을 갖기 시작합니다. 이러한 알루미나 두께(d =1.9 nm) 및 표면 S 고려 접점의 (10.54 mm ² ), 우리는 ρ를 추론합니다. 다음 방정식을 사용하여:

이는 ρ로 이어집니다. =1.1 × 10 ⁶ Ω·cm. 시장에 나와 있는 벌크 재료의 경우 알루미나의 성장 온도와 불순물에 따라 저항 값이 10 ⁵ 에서 달라집니다. ~ 10 ¹⁴ Ω·cm(Kyocera™에서). 따라서 추정된 값은 얇은 층과 벌크 층 사이의 한계에 "의사 벌크" 물질이 있음을 보여줍니다.

이상 요소의 진화 n

직렬 저항이 있는 경우 태양 전지의 I-V 곡선은 다음과 같습니다.

나 셀 출력 전류, I _L 광 발생 전류, V 셀 양단의 전압, T 온도, k 볼츠만 상수, n 는 이상 요인이고 R _S 는 셀 시리즈 저항입니다. 낮은 주입 수준의 경우 band-to-band 또는 Schottky Read-Hall 재조합만 있는 경우 이상 계수 n 2보다 작습니다. 재조합이 소수 캐리어에 의해 제한되는 경우 1의 값에 도달합니다[31]. n의 증가 소수 캐리어와 다수 캐리어를 모두 포함하는 비정상적인 재조합 메커니즘이 발생하고 있음을 나타냅니다[32]. 그래서 n 장치의 재조합(또는 패시베이션)의 서명입니다. 또한 n 또한 R에 바인딩됩니다. _s 이상 요인을 증가시킵니다[33]. n의 진화 대 알루미나 두께는 그림 3a에 나와 있습니다.

아 이상 요소 <>n의 진화 대 알루미나 두께 d . ㄴ 일생의 진화 τ 대 알루미나 두께 d

낮은 두께 값(0.24 nm)의 경우 n 2보다 크며, 이는 부동태화되지 않은 표면의 서명입니다. 알루미나 두께가 증가함에 따라 n 약 1.5에서 감소하고 안정화되어 알루미나를 통한 효율적인 부동태화 효과를 나타냅니다. 1.9 nm의 알루미나 두께 값의 경우, n R의 급격한 증가에 따라 갑자기 4로 증가합니다. _s . 따라서 둘 다 R _s 그리고 n 알루미나 층이 낮은 터널링 장벽과 관련된 Si 접합을 잘 보호한다는 것을 보여줍니다. d 동안 =1.9 nm, 터널링 장벽이 증가하고 R의 후속 저하 _s 따라서 이상 요인입니다.

평생

패시베이션 효과를 설명하는 또 다른 주요 매개변수는 포토캐리어의 수명, τ입니다. . 실제로, 수명은 표면 결함(재결합 중심)의 농도에 묶인 캐리어의 재결합 속도와 직접적으로 연관됩니다. 이것은 측정된 개방 회로 전압, 시간 도함수 및 실제 조도 레벨에서 추론되었습니다. 알루미나 두께에 대한 진화는 그림 3b에 나와 있습니다. 수명의 진화는 이전 결과와 일치합니다. 주로 보호되지 않은 후면 접촉으로 인해 평균 값이 낮습니다. 그러나 알루미나 두께가 증가함에 따라 전면 접점의 패시베이션이 향상되고 최적의 두께 값이 1.2 nm인 것이 분명히 나타납니다. d 동안 =1.9 nm, 수명이 감소합니다. 알루미나 두께가 증가함에 따라 SiN_x에서 더 적은 수소가 확산될 수 있습니다. 열처리 중 접촉부에 층을 형성하여 화학적 패시베이션 효과가 감소합니다.

그림 4는 측정된 EQE 대 알루미나 두께를 보여줍니다. 최상의 EQE는 d에서 관찰됩니다. =1.2 nm. 주요 개선 사항은 600에서 900 nm까지 다양한 파장에서 관찰됩니다. 모든 경우에 EQE는 보호되지 않은 후면 접점에서 재결합의 신호인 IR의 이상적인 직사각형 모양과 거리가 멉니다.

다양한 알루미나 두께에 대한 측정된 EQE 대 파장

분석을 완료하기 위해 우리는 태양광 시뮬레이터와 Sinton의 방법을 사용하여 측정된 조명 하에서의 전기 매개변수를 연구했습니다. 그림 5는 알루미나 두께에 따른 태양 전지의 전력 효율을 보여줍니다. 솔라 시뮬레이터로 측정한 것과 R이 없는 최적화된 것 _s . 알루미나 두께가 증가함에 따라 측정된 PCE는 d에 대해 최대값 5%에 도달하는 더 나은 패시베이션 효과로 인해 증가합니다. =1.2 nm, d에 대해 감소하기 전 =1.9 nm. R에 대한 수정된 PCE _s =0은 약 11%에서 매우 일정한 값을 갖습니다. 이 값은 후면 접점의 패시베이션만 고려하면 합리적인 값입니다. d 동안 =1.9 nm, 수정된 수율은 기생 션트 저항으로 인해 6%까지 감소합니다.

알루미나 두께에 대한 측정 및 외삽 전력 효율 d