Stability of silicon surface passivation under damp heat and light soaking
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-12-22
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
2021
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
66 + app. 46
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 158/2021
Abstract
The reliable and stable performance of crystalline silicon solar cells is vital in mitigating climate change, as they contribute to approximately 95% of all produced solar cells. During operation, solar cells are subjected to intense illumination, high temperatures, and high ambient humidity, which can be especially harmful for their surface passivation. This thesis investigated the stability of silicon surface passivation under damp heat and light soaking as well as potential mechanisms behind the resulting degradation. Particularly, the influence of the spatial atomic layer deposition (SALD) mode, the passivation layer thickness, the properties of the interface between substrate and the layer, and nanotextured surfaces on the stability were considered. The thesis demonstrated the potential of using SALD AlOx for the surface passivation of nanotextured silicon. 20-nm-thick SALD AlOx films provided similar performance as AlOx deposited with conventional ALD, but with over 9 times higher deposition rate. Additionally, the damp heat stability of AlOx films deposited with both SALD and thermal ALD was studied, and film thickness was observed to have a more significant impact on the stability than the surface nanotexture. 20-nm-thick SALD AlOx films were stable for up to 1000 h of exposure, but degradation was observed with thinner films. Interestingly, loss of chemical passivation explained the degradation in the case of conventional ALD, while a reduction of field-effect passivation was observed with SALD AlOx. Under light soaking, film thickness above 5 nm provided stable passivation. An important result was that a thin SiOx film resulting from an RCA2 clean underneath the AlOx layer enhanced the passivation stability under both conditions, making this interfacial oxide one of the key parameters for the stability. The degradation under light soaking could not be linked to the charge of the AlOx film or the density of interface defects, due to which a separate degradation mechanism linked to copper impurities was considered. Indeed, a dramatic increase of surface recombination was observed in copper-contaminated silicon, indicating that also copper can contribute to surface recombination. Additionally, it was demonstrated that bulk degradation caused by copper impurities could be mitigated in solar cells using dark anneals. However, this procedure might lead to increased surface recombination as a trade-off. In conclusion, this thesis brings insights on the stability of silicon surface passivation, which provides means to enhance the in-field performance of high-efficiency solar cells. These results are also applicable in the microelectronics and photodetector industries, in which strict process and impurity control to achieve stable surface passivation are vital for device performance.Kiteiseen piihin perustuvien aurinkokennojen luotettavuus on tärkeää ilmastonmuutoksen torjunnassa, sillä ne vastaavat n. 95% maailmassa tällä hetkellä tuotetuista aurinkokennoista. Kenttäolosuhteissa aurinkokennot altistuvat voimakkaalle auringonvalolle, korkeille lämpötiloille sekä ilmankosteudelle, mikä voi olla haitallista niiden pintapassivoinnille. Tässä väitöskirjassa tutkittiin piin pintapassivoinnin stabiiliutta pitkäkestoisen valotuksen sekä korkealle ilmankosteudelle altistumisen aikana. Lisäksi tutkittiin mahdollisia mekanismeja havaituille rappeumille. Erityisesti tarkasteltiin spatiaalisen atomikerroskasvatuksen (SALD), passivointikalvon paksuuden, rajapintaoksidin ominaisuuksien, sekä nanorakenteisen pintatekstuurin vaikutusta passivoinnin stabiiliuteen. Työssä osoitettiin SALD-menetelmällä kasvatetun AlOx-kalvon kyky passivoida piin nanorakenteinen pinta. 20 nm:n paksuudella SALD-kalvo oli yhtä tehokas passivoinnissa kuin tavallisella ALD:llä kasvatettu kalvo, mutta pinnoitusnopeus oli 9 kertaa suurempi. Kosteusaltistuksessa havaittiin, että AlOx-kalvon paksuus vaikutti stabiiliuteen enemmän kuin pinnan nanorakenne. Pintapassivointi oli stabiili 1000 tunnin mittaisessa kosteusaltistuksessa 20 nm:n paksuisilla kalvoilla, mutta tätä ohuempien kalvojen pintapassivointiominaisuudet rappeutuivat joko kalvon varauksen alenemisen tai pintadefektien lisääntymisen vuoksi. Valotuksen alla passivointi pysyi vakaana yli 5 nm:n paksuisilla kalvoilla. Kokeissa havaittiin, että RCA2-käsittelyllä kasvatettu SiOx-kerros AlOx-kalvon alla paransi stabiiliutta merkittävästi, joten rajapinnan oksidi oli yksi stabiiliuden avaintekijöistä. Valotuksen alla pintarekombinaation kasvua ei voitu selittää kalvon varauksen muutoksella tai rajapintadefektien määrän kasvulla, minkä vuoksi työssä tutkittiin myös epäpuhtauksien mahdollista vaikutusta ilmiöön. Kuparia sisältävissä piinäytteissä havaittiinkin merkittävää pintarappeumaa, joten aurinkokennojen valmistuksessa piihin päätyvät kupariepäpuhtaudet saattavat selittää osaltaan pintarekombinaation kasvun. Lisäksi osoitettiin, että kuparin aiheuttama rappeuma piin sisäosissa voidaan poistaa aurinkokennoista pimeässä tehtävin lämpökäsittelyin. Tämä menetelmä saattaa kuitenkin johtaa lisääntyneeseen pintarekombinaatioon. Väitöskirjassa esitetyt tulokset tuovat lisätietoa piin pintapassivoinnin stabiiliudesta sekä tiedeyhteisölle että useille teollisuuden toimijoille. Tulokset hyödyttävät aurinkokennoalan lisäksi mikroelektroniikkateollisuutta ja valoilmaisimien valmistusta. Näillä aloilla stabiili pintapassivointi on välttämätöntä sähköisten komponenttien toiminnan kannalta, ja sen toteuttaminen edellyttää tarkkoja prosessivaatimuksia ja epäpuhtauksien hallintaa.Description
Defence is held on 22.12.2021 12:00 – 15:00
https://aalto.zoom.us/j/63899799102
Supervising professor
Savin, Hele, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, FinlandThesis advisor
Vähänissi, Ville, Dr., Aalto University, FinlandKeywords
surface passivation, damp heat, light soaking, spatial ALD, copper contamination, pintapassivointi, ilmankosteus, valotus, spatiaalinen ALD, kuparikontaminaatio
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Ismo T. S. Heikkinen, Päivikki Repo, Ville Vähänissi, Toni Pasanen, Ville Malinen, and Hele Savin. Efficient surface passivation of black silicon using spatial atomic layer deposition. Energy Procedia, 124, 282-287, 2017.
DOI: 10.1016/j.egypro.2017.09.300 View at publisher
-
[Publication 2]: Ismo T. S. Heikkinen, George Koutsourakis, Sebastian Wood, Ville Vähänissi, Fernando A. Castro, and Hele Savin. Stability of the surface passivation properties of atomic layer deposited aluminum oxide in damp heat conditions. AIP Conference Proceedings, 2147, 050003, 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201909205303DOI: 10.1063/1.5123852 View at publisher
-
[Publication 3]: Ismo T. S. Heikkinen, George Koutsourakis, Sauli Virtanen, Marko Yli-Koski, Sebastian Wood, Ville Vähänissi, Emma Salmi, Fernando A. Castro, and Hele Savin. AlOₓ surface passivation of black silicon by spatial ALD: Stability under light soaking and damp heat exposure. Journal of Vacuum Science and Technology A, 38, 022401, 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202002032023DOI: 10.1116/1.5133896 View at publisher
-
DOI: 10.1016/j.solmat.2021.111360 View at publisher
-
[Publication 5]: Marko Yli-Koski, Toni P. Pasanen, Ismo Heikkinen, Michael Serue, and Hele Savin. Low-T anneal as a cure for LeTID in Mc-Si PERC cells. AIP Conference Proceedings, 2147, 140013, 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201909205352DOI: 10.1063/1.5123900 View at publisher