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estabilidad del tiempo de vida efectivo de las obleas de silicio de la zona de flotación con esquemas de pasivación de superficie de alox bajo iluminación a temperatura elevada

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estabilidad del tiempo de vida efectivo de las obleas de silicio de la zona de flotación con esquemas de pasivación de superficie de alox bajo iluminación a temperatura elevada

2016-11-24

abstracto


para la aplicación de células solares, la estabilidad de la calidad de pasivación de la interfaz a las condiciones en el campo es crucial. hemos realizado un experimento para probar la elasticidad de diferentes esquemas de pasivación basados ​​en óxido de aluminio a la iluminación a 75 ° c. Se realizaron diferentes tratamientos térmicos para activar la pasivación y / o simular la cocción por contacto antes del empapado ligero. el experimento se realizó con silicio de zona flotante de 1 Ωcm de dopaje de tipo p y n. el estudio demuestra que se puede lograr una buena calidad de pasivación tanto por deposición de la capa atómica como por pecvd y que la adición de capas de recubrimiento de nitruro de silicio mejora en gran medida la estabilidad térmica. en las obleas de tipo p se observó una degradación severa pero temporal de la calidad eléctrica del volumen de la oblea durante las primeras horas tras la aplicación de tales capas de recubrimiento. además de este efecto, se observó una estabilidad temporal razonable de la vida efectiva para las muestras de tipo p, mientras que las muestras de tipo n presentaron una excelente estabilidad a largo plazo.


palabras clave: silicio de zona flotante; pasivación de óxido de aluminio; estabilidad; remojo ligero


1. Introducción

las recientes mejoras en la eficiencia de los conceptos de células solares industrialmente viables han sido impulsadas por

mejoras de la calidad del material a granel y reducción de las pérdidas de recombinación en las superficies. esto fue apoyado

por la aparición de esquemas de pasivación basados ​​en óxido de aluminio para aplicaciones industriales debido a su buen

propiedades de pasivación la buena calidad de pasivación de las capas de óxido de aluminio está bien establecida en la literatura y

demostrado por una multitud de estudios, p. [1] y referencias en el mismo. estudios sobre la estabilidad de

Los esquemas de pasivación usualmente se enfocan en un sistema y / o un factor de estrés como almacenamiento oscuro, iluminación o humedad

condiciones de prueba de calor [2-4]. para generalizar los hallazgos anteriores hemos realizado un estudio que compara múltiples

diferentes esquemas en una combinación de factor de estrés que ocurre al operar el módulo fotovoltaico: iluminación en

temperatura elevada.


nomenclatura

al2o3 capas estequiométricas de óxido de aluminio depositadas por p-ald

capas de óxido de aluminio alox depositadas por pecvd

fz float-zone

letid degradación inducida por luz y temperatura elevada

p-ald deposición de capa atómica activada por plasma

deposición química de vapor mejorada por plasma de pecvd

imágenes de fotoluminiscencia pli

rtp procesamiento térmico rápido

srv superficie recombinación velocidad


2. experimento


2.1. preparación de la muestra, todos los experimentos se realizaron en obleas de silicio de zona flotante de cuatro pulgadas (fz). después de la limpieza con productos químicos húmedos, se realizó un tratamiento de oxidación a 1050 ° C para estabilizar la calidad del volumen de la oblea, como lo sugieren Grant et al. [5]. la capa de óxido de silicio resultante se grabó posteriormente. para demostrar si el tratamiento térmico afectó al experimento, un grupo de muestra de referencia no estuvo sujeto a él. las capas de óxido de aluminio investigadas de 20 o 30 nm de espesor se depositaron en ambos lados de la oblea ya sea por deposición de capa atómica activada por plasma (p-ald) a 230 ° c o por deposición de vapor químico mejorada por plasma (pecvd) a 300 ° c. la aplicación común de capas de óxido de aluminio en el entorno industrial es capas delgadas coronadas por capas dieléctricas adicionales. estas capas generalmente proporcionan funciones adicionales tales como mejoras ópticas o estructuración simplificada. también se ha demostrado que las capas de nitruro de silicio depositado con pecvd son beneficiosas para la estabilidad de las capas de pasivación de óxido de aluminio a los tratamientos térmicos, p. [6, 7]. por lo tanto, para una parte de los grupos de muestra se depositaron 100 nm de a-sinx (índice de refracción 2) sobre las capas de óxido de aluminio. después de la deposición, las capas de pasivación se activaron mediante una variedad de tratamientos térmicos que se asemejan a tratamientos potenciales en el procesamiento de células solares. las muestras fueron recocidas en gas de formación a 425 ° C, en aire ambiente en una placa calefactora a 450 ° C o en una atmósfera de nitrógeno en un horno de procesamiento térmico rápido (rtp) a 650 a 900 ° c. la incertidumbre con respecto a la temperatura real de la muestra para este último proceso se estima en un rango de tset ± 15 k a partir de las medidas de los termopares.

una amplia gama de esquema de pasivación y combinaciones de procesos térmicos se investigó en el estudio. una visión general de las variaciones investigadas se da en la fig. 1.


2.2. las condiciones de prueba y las medidas de caracterización de la vida efectiva del portador de carga minoritaria τeff en muestras simétricas de por vida proporcionan una medida para la recombinación en el volumen de la oblea y en las interfaces con la pasivación de la superficie. Se usó un instrumento de medición de vida de sinton wct-120 para medir τeff en una región de 4 cm de diámetro alrededor del centro del

muestra. los tiempos de vida se evaluaron a una densidad fija de portadores de carga minoritaria de 5 × 1015 cm-3 para ambos tipos de dopaje.

la actividad de recombinación en la oblea y los cambios de la calidad de pasivación superficial se pueden resolver fácilmente en este

el nivel de inyección y la medición en el centro de la oblea minimizan la influencia de los daños en la manipulación.

la estabilidad de los esquemas de pasivación estudiados a la iluminación a temperatura elevada se realizó por 1 sol

iluminación equivalente de la lámpara halógena a 75 ° c. las mediciones de por vida se realizaron ex situ, es decir, las muestras se

eliminado de la etapa de muestra con temperatura controlada.

las temperaturas en el rango de 75 ° c pueden ocurrir en el funcionamiento del módulo en el campo bajo una iluminación intensa. tal

las condiciones obviamente no se aplican continuamente. sin embargo, esperamos que estas condiciones se aceleren e intensifiquen

posibles efectos de degradación mientras - con suerte - no se desencadenan efectos que no ocurrirían en la aplicación real. eso

Cabe señalar que la iluminación de la lámpara halógena utilizada presentó una menor proporción de longitudes de onda ultravioleta que el solar

espectro. por otro lado, esta parte del espectro a menudo se absorbe en el módulo convencional de vidrio y célula solar

materiales de encapsulamiento


3. resultados


3.1. calidad de pasivación

una visión general de los mejores valores de τeff medidos de los grupos de muestra introducidos en la fig. 1 se muestran en la fig. 2. el

el τeff medido en las muestras demuestra que los diferentes esquemas de pasivación y los procesos térmicos dan como resultado

diferente calidad de pasivación observamos que ambas técnicas de deposición para el óxido de aluminio pueden proporcionar excelentes

pasivación cuando se deposita una capa superior de a sinx en la parte superior. las muestras investigadas de los grupos 1 y 2 presentan τeff

valores cercanos a la parametrización del límite intrínseco por richter et al. [8]. algunas muestras de tipo n incluso exceden el

parametrización, que indica un rendimiento de pasivación sobresaliente. algunas de las muestras de tipo p son ligeramente

afectada por la contaminación de hierro introducida durante el procesamiento químico húmedo, lo que causa una pequeña disminución en

toda la vida. además de los efectos inducidos por el hierro, se observa una mejora en τeff en algunas muestras cuando se ilumina

a 75 ° c, lo que indica una mejora de los parámetros de interfaz a lo largo del tiempo. muestras que no sufrieron el

La etapa de oxidación a 1050 ° C (grupo 3) exhibe un τeff menor que las muestras que presentan la misma pasivación superficial después del

pretratamiento térmico las muestras que no cuentan con una capa de tapa A sinx (grupo 4) dan como resultado una vida útil inferior

nivel, demostrando la utilidad de tales capas.


3.2. activación de defectos a granel en el silicio fz de tipo p.

observamos que varias muestras de tipo p de los grupos 1 a 3 (es decir, que presentan una capa de protección) muestran una degradación

seguido de una recuperación de τeff al iluminarse a 75 ° c en las primeras horas. un efecto similar fue observado por

sperber et al. [9] y ejemplos se muestran en la fig. 3. dependiendo de la temperatura de cocción, observamos el temporal

la degradación es grave. las muestras cocidas a altas temperaturas exhiben una vida útil de inyección baja de tan solo 30 μs en el

mínimo de la curva, mientras que las muestras que se disparan a temperaturas moderadas muestran solo una degradación leve. un patrón característico

se ve en las imágenes de fotoluminiscencia y un tratamiento de re-pasivación a temperatura ambiente demuestra de manera concluyente

el efecto es causado por defectos de recombinación activa en la masa de la oblea. una investigación exhaustiva y discusión de

el efecto se puede encontrar en ref.


3.3. estabilidad a largo plazo

las evoluciones temporales de τeff medidas en muestras de los grupos 1 y 2 se muestran en la fig. 3. el tipo n

las muestras presentan una excelente estabilidad durante todo el experimento. la progresión de las muestras de tipo p es

dominado por los defectos a granel discutidos en la sección 3.2 (y ref. [10]) en las primeras diez a veinte horas. después,

las vidas son estables en un nivel alto durante 1000 horas, seguidas de una ligera degradación. las muestras pasivadas por

las capas de óxido de aluminio desnudo (grupo 4) mostraron una degradación ligera pero constante del τeff medido (no mostrado).

sin embargo, la imagen pl reveló que la degradación proviene de daños superficiales relacionados con la manipulación de muestras del

Capas delgadas. debido al menor nivel de vida general, no podemos excluir el efecto observado en muestras de tipo p con límite

ocurrir en capas desnudas de óxido de aluminio, aún. las progresiones medidas de todos los grupos de muestra y un detalle

la discusión se puede encontrar en ref.

4. Conclusión

hemos realizado un experimento con una variedad de esquemas de pasivación basados ​​en óxido de aluminio depositados en obleas de silicio fz de tipo p y n de 1 Ωcm. fueron sometidos a diferentes tratamientos de activación térmica para estudiar la calidad de pasivación resultante y su estabilidad a la iluminación a temperatura elevada. los tiempos de vida efectivos medidos demuestran que las capas de óxido de aluminio pueden proporcionar una muy buena calidad de pasivación. los tiempos de vida medidos en algunas muestras de tipo n incluso exceden sistemáticamente la parametrización actual de la recombinación intrínseca dada por richter et al. [8]. esto indica una excelente calidad de pasivación y sugiere que la parametrización sea demasiado conservadora.

las pruebas de estabilidad se realizaron mediante iluminación con lámpara halógena con una intensidad equivalente al sol a 75 ° c durante varios miles de horas. Se observó una estabilidad excelente de las muestras de tipo n pasivadas con óxido de aluminio y protegidas por una capa de cubierta sin Senx. Las muestras de tipo p procesadas por igual presentaron una degradación significativa pero temporal de la vida útil en masa y una ligera degradación para las duraciones de iluminación superiores a 1000 horas. las condiciones experimentales (es decir, principalmente la temperatura alta constante) dan como resultado una aceleración significativa de los efectos en comparación con la aplicación en el campo. por lo tanto, los resultados simulan la aplicación en campo durante varios años y, por lo tanto, no se espera que la degradación observada sea muy perjudicial para el funcionamiento del módulo. sin embargo, el efecto debe tenerse en cuenta para la interpretación de los estudios realizados en tales condiciones, p. estudios de letid o la estabilidad del estado de defecto bo estabilizado.

la estabilidad a largo plazo de los esquemas de pasivación investigados se trata en detalle en la ref. [11]. la degradación está relacionada con la formación de defectos en la masa de la oblea y es el tema principal de la ref.


expresiones de gratitud

este trabajo fue apoyado por el ministerio federal alemán de asuntos económicos y energía bmwi y por los socios de la industria dentro del grupo de investigación solarlife bajo contrato no. 0325763a. los autores son responsables del contenido.


fuente: sciencedirect


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