Modeling the Size Distribution of Iron Precipitates in Phosphorus-Implanted Silicon Solar Cells

Abstract

A pivotal phase in the manufacturing of crystalline silicon solar cells is the formation of the charge collecting pn-junction. Typically, the junction is created via dopant in-diffusion, but lately creating it through implantation has also raised interest. Implantation offers several potential benefits compared to diffusion, such as fewer processing steps and better process control. However, the differences between diffused and implanted junctions with respect to gettering, that is, the control of harmful metal impurities are not yet fully understood. This work studies the precipitation and diffusion of iron in intentionally iron-contaminated phosphorus-implanted silicon solar cells under varying time-temperature profiles.

In this study, it is shown that unlike in the case of diffused cells, not only the total amount of precipitated iron, but also the precipitate size distribution of iron can be important when minimizing the harmful effects of iron on the performance of implanted solar cells. A slow cooling from the implant activation temperature to a moderate gettering anneal temperature can result in few, but large iron precipitates at the implanted surface, which improves the bulk minority carrier diffusion length but reduces the open circuit voltage of the solar cell. However, by first forcing bulk precipitation by quenching the wafers to room temperature before the gettering anneal, a large number of small precipitates is formed, resulting in a high open circuit voltage.

The iron precipitate size distributions are analyzed in detail via a heterogeneous iron precipitation model and the simulation results are validated with synchrotronbased micro-X-ray fluo-rescence measurements. It is shown that the precipitate size distribution after the gettering anneal can be predicted, if the gettering efficiency of the gettering anneal in question is known. Thus, the next step towards predictive impurity-to-efficiency modeling of implanted cells is predicting the gettering efficiency based solely on the implantation parameters.

Keskeinen vaihe piiaurinkokennojen valmistuksessa on varauksen keräävän liitoksen valmistus. Perinteisesti liitos valmistetaan diffusoimalla seosatomeita piikiekkoon, mutta viime aikoina liitoksen luominen istuttamalla on myös herättänyt mielenkiintoa. Verrattuna perinteiseen diffuusioon, istutus on paremmin hallittavissa ja sen avulla voidaan vähentää prosessivaiheiden määrää. Vahingollisten metalliepäpuhtauksien getterointi, eli niiden haittavaikutuksen minimointi kennoprosessin aikana ei ole kuitenkaan niin laajasti ymmärretty istutetuissa kuin diffusoiduissa kennoissa. Tämä työ tutkii rautaepäpuhtauksien erkautumista ja diffuusioita tarkoituksella kontaminoiduissa piiaurinkokennoissa erilaisten lämpökäsittelyiden aikana.

Työn tulokset osoittavat, että toisin kuin diffusoiduissa kennoissa, istutetuissa kennoissa erkautuneen raudan kokonaismäärän lisäksi myös erkaumien kokojakaumalla on merkitystä, mikäli raudan negatiiviset vaikutukset halutaan minimoida. Hidas jäähdytys istutuksen aktivointilämpötilasta getterointilämpötilaan voi johtaa harvoihin, mutta isoihin rautaerkaumiin istutetulla pinnalla, mikä lisää vähemmistövarauksenkuljettajan diffuusiopituutta bulkissa, mutta saattaa vähentää kennon avoimen piirin jännitettä. Toisaalta mikäli kennot jäähdytetään nopeasti aktivaatiolämpötilasta huoneen lämpötilaan, syntyy useita, pieniä erkaumia, jotka eivät vahingoita avoimen piirin jännitettä, mutta saattavat rajoittaa diffuusiopituutta bulkissa.

Rautaerkaumien kokojakaumia tutkitaan heterogeenisellä erkaumamallilla ja simuloidut kokojakaumat vahvistetaan vertaamalla niitä synkrotroniavusteisella mikro-röntgenfluoresenssi mittauksilla. Työssä näytetään, että kokojakauma getterointiprosessin jälkeen pystytään ennustamaan, mikäli getterointiprosessin aikana bulkista vähentynyt rautakonsentraatio tiedetään etukäteen. Seuraava tutkimusaskel on ennustavan mallin kehittäminen, joka pystyisi ennustamaan rautakonsentraation vähentymisen pelkkien istutusparametrien avulla.