Surface passivation of black silicon phosphorus emitters
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-01-23
Department
Major/Subject
Micro- and Nanosciences
Mcode
ELEC3037
Degree programme
NanoRad - Master’s Programme in Nano and Radio Sciences (TS2013)
Language
en
Pages
10+60
Series
Abstract
Black silicon (b-Si) has been of interest of the photovoltaic community already some time due to its excellent light absorption properties. The difficulties in the surface passivation of b-Si have recently been overcome with atomic layer deposited (ALD) Al2O3. However, there is no solution yet presented for the dominating p-type solar cells with an n+ emitter, i.e. a heavily doped layer near the cell surface, as Al2O3 provides only limited passivation for such emitters due to its negative fixed charge. This problem is enhanced in b-Si since its passivation relies more heavily on the field-effect passivation. In this thesis, the addressed problem is approached by searching thin film materials with positive fixed charge. Based on a literature review, the most promising passivation scheme, SiO2/Al2O3 dielectric stack, is selected and studied experimentally on phosphorus doped b-Si surfaces. First, electrical properties between thermally oxidized and ALD SiO2 interlayer are compared using minority carrier lifetime and contactless C–V measurements. The measurements reveal that the charge in the stacks with thermal SiO2 possesses unsuitable polarity while the charge in the ALD stacks is found to be positive. Furthermore, the interface defect density between silicon and the ALD stack is found to be 1e11 cm-2eV-1, which should be sufficiently low for efficient emitter surface passivation. The ALD SiO2/Al2O3 stacks with positive fixed charge are then applied to b-Si phosphorus emitters. The stacks are found to passivate planar emitters efficiently and they work surprisingly well also on b-Si which has not been reported earlier. The level achieved on planar surfaces cannot fully be reached but it was expected due to a larger surface area. Since the optimization of the emitter itself was left out of the scope of this study, excessive doping limits the measured emitter saturation current. Nevertheless, the results suggest that the actual surface passivation works which was the goal of this study. The results thus provide a significant step towards the implementation of b-Si for commercial p-type silicon solar cells.Musta pii on jo jonkin aikaa herättänyt mielenkiintoa aurinkokennoyhteisössä erinomaisten absorptio-ominaisuuksiensa ansiosta. Ongelmat mustan piin pintapassivoinnissa on hiljattain onnistuttu ratkaisemaan atomikerroskasvatetulla (ALD) alumiinioksidilla (Al2O3). Toimivaa ratkaisua ei ole kuitenkaan vielä toistaiseksi esitetty markkinoita hallitseville p-tyypin aurinkokennoille. Näiden kennojen n+ emitteriä, eli kennon pinnan lähellä olevaa vahvasti seostettua kerrosta, ei pystytä passivoimaan kunnolla Al2O3:lla materiaalin sisältämien negatiivisten varausten vuoksi. Ongelma korostuu entisestään mustalla piillä, jonka passivointi tukeutuu vahvasti varausten luomaan sähkökenttään. Tässä työssä ongelmaa lähestytään etsimällä ohutkalvoja, jotka sisältävät positiivisia kiinteitä varauksia. Kirjallisuuskatsauksen perusteella lupaavinta vaihtoehtoa, SiO2/Al2O3-kaksoiseristekerrosta, tutkitaan kokeellisesti fosforilla seostetulla mustalla piillä. Ensin verrataan termisellä oksidoinnilla ja ALD:llä valmistettujen SiO2-välikerrosten sähköisiä ominaisuuksia vähemmistövarauksenkuljettajien elinaika- ja kontaktittomilla kapasitanssi–jännitemittauksilla. Mittaukset paljastavat termisesti kasvatetun kalvon varauksen olevan polaarisuudeltaan väärä, kun taas ALD:llä kasvatetun kaksoiskerroksen varaukset ovat positiivisia. Lisäksi piin ja ALD-kaksoiskerroksen rajapinnan kidevirhetiheydeksi mitataan 1e11 cm-2eV-1, jonka pitäisi olla riittävän matala tehokkaaseen emitterin pintapassivointiin. ALD SiO2/Al2O3-kaksoiskerroksia sovelletaan seuraavaksi musta pii -fosforiemittereihin. Kaksoiskerroksen havaitaan passivoivan planaarit emitterit tehokkaasti, ja ne toimivat myös mustalla piillä yllättävän hyvin, mitä ei ole raportoitu aikaisemmin. Mustalla piillä ei aivan saavuteta planaarien tasoa, mikä oli odotettavaa suuremman pinta-alan vuoksi. Koska työn tarkoituksena ei ollut itse emitterin optimointi, voimakas seostus rajoittaa mitattua emitterisaturaatiovirtaa. Tulokset kuitenkin viittaavat siihen, että itse pintapassivointi toimii, mikä oli työn tavoite. Tulokset ovat täten merkittävä askel kohti mustan piin soveltamista kaupallisissa p-tyypin piiaurinkokennoissa.Description
Supervisor
Savin, HeleThesis advisor
Vähänissi, VilleKeywords
black silicon, surface passivation, phosphorus emitter, atomic layer deposition, SiO2, Al2O3