Приложение на Al2O3 за пасивиране на повърхността на слънчевите клетки

Източник: atomiclimits.com

Има много неща за казване (и обяснение) относно възхода на PERC и неговия производствен процес и това е нещо, което засега ще оставя за друга публикация в блога. Но едно нещо е очевидно, както също е ясно посочено в доклада: „Ключът към производството на PERC е пасивацията отзад, докато единодушният избор на материал за тази цел е алуминиевият оксид, който може да се отлага с помощта на PECVD машини, добре известни от прилагането на силициев нитрид или инструменти за атомно нанасяне на слоеве (ALD)”. Искам да се свържа с този аспект, тъй като нашите изследвания в Технологичния университет в Айндховен допринесоха значително за изследването на пасивацията на повърхността от Al2O3(ALD и PECVD), за изследване на фундаментални аспекти и свойства на материалите, лежащи в основата на високото ниво на пасивация на повърхността, както и за демонстрацията на Al2O3в устройства със слънчеви клетки.

Мислех да се обърна към някои важни аспекти на Ал2O3повърхностна пасивация и нейните процеси на отлагане, но след това си спомних, че съм записал много от тези аспекти през 2011 г., когато подготвях конферентен доклад за 21-ия семинар на NREL за кристални силициеви слънчеви клетки&усилвател; Модули: Материали и процеси, организирани в Брекенридж, Колорадо през 2011 г. Бях поканен на тази конференция (която се провежда ежегодно, вж.https://siliconworkshop.com), защото нашата работа по Ал2O3беше привлякъл много внимание по това време. Препрочитайки доклада на конференцията, установих, че много от аспектите, описани в доклада, все още се запазват и са доста предвидими. Затова реших да копирам текста на цялата статия по-долу и просто да добавя някои малки коментари към нея. Между другото, статията се базира на 10 въпроса, чиито отговори трябва да дадат добра представа за „перспективите за използването на Al2O3за високоефективни слънчеви клетки”Тъй като това беше заглавието на доклада.

Тук бих искал да добавя, че аз също изнесох пленарна реч в25тиЕвропейска конференция и изложение за слънчева енергиявъв Валенсия през 2010 г. Това беше по времето, когато интересът към Ал2O3в индустрията на слънчевите клетки наистина започна да излита. Записах тази презентация и можете да я слушате обратнотук. Тя трябва да ви даде бърз преглед на всички релевантни аспекти, свързани с Al2O3за 20 минути Освен това искам да отбележа, че много повече информация е предоставена в рецензионния документ, който с бившия ми докторант написахме през 2012 г .:Състояние и перспективи на Ал2O3базирани схеми за пасивация на повърхността за силициеви слънчеви клетки(връзка). Ако сте замесени или се интересувате от Ал2O3за слънчевите клетки това вероятно е задължително четиво.

И накрая искам да спомена, че много неща са се случили от тези дни, но както казахме, скоро това ще бъде разгледано в друга публикация в блога!

Конферентен доклад 21-ви семинар за кристални силициеви слънчеви клетки&усилвател; Модули: Материали и процеси - Breckenridge Колорадо - 2011 *

Преглед на перспективите за използването на Al2O3за високоефективни слънчеви клетки

Ал2O3е материал, който бързо набира популярност през последните години като тънкослоен пасивиращ материал за c-Si фотоволтаици (PV). В този принос ще бъдат разгледани десет въпроса, които биха могли да съществуват в общността на слънчевите клетки.

1) - Пасивация на повърхността от Al2O3, каква е историята?

Още през 1989 г. Хезел и Йегер съобщават за пасивиращите свойства на Al2O3филми по това време, подготвени чрез пиролиза [1]. Въпреки че тази статия докладва за много интересните свойства на материала по отношение на повърхностната пасивация на c-Si (напр. Наличието на висока плътност на отрицателните заряди), има повече интерес за a-SiNx: H тънки филми по това време и материалът остава основно незабелязан във фотоволтаичната общност. Това обаче се промени около 2005 г., когато изследователските групи в IMEC [2] и Айндховенския технологичен университет (TU / e) [3] показаха, че Al2O3филми, приготвени чрез отлагане на атомни слоеве (ALD) - особена форма на химическо отлагане на пари (CVD) [4] - водят до отлични нива на повърхностна пасивация наn-тип иp-тип c-Si. След тези първоначални доклади интересът към Ал2O3нараства бързо, особено когато се докаже, че Ал2O3също води до отлична пасивация наp+тип повърхности [5] и след докладване за работата на слънчевите клетки, в които Al2O3е вграден за пасивиране на задната и предната странична повърхност наp-тип [6] иn-тип [7] слънчеви клетки.

2) - Какви са основните свойства на материала на Al2O3филми, използвани за пасивиране на Si?

Ал2O3е диелектрик с широка честотна лента (~ 8,8 eV за насипни материали), който се състои в различни кристални форми. За пасивиращите слоеве обаче аморфният Al2O3филмите се използват с малко по-ниска честотна лента (~ 6.4 eV) и с коефициент на пречупване ~ 1.65 при енергия на фотона 2eV. Следователно филмите са напълно прозрачни в областта на дължината на вълната, която представлява интерес за слънчевите клетки. Филмите обикновено са доста стехиометрични (съотношение [O] / [Al]=~ 1,5), въпреки че може да има леко излишък на O във филма. Когато се приготвят чрез CVD-базирани техники, филмите показват също ниско съдържание на водород (обикновено 2-3 ат.%) И този водород е свързан предимно с (излишъка) О като –ОН групи. Установено е обаче, че отличните свойства на пасивиране не зависят чувствително от Al2O3свойства като стехиометрия и чистота на материала [8]. Съдържанието на водород в Al2O3се установява, че филмите са много важни за химическата пасивация на c-Si, получена от Al2O3филми. Това важи и за междуфазния слой на SiOx(1-2 nm дебелина), която (винаги) се образува между Al2O3и Si при прилагане на базирани на CVD техники [3,9].

Индексът на пречупване n и коефициентът на екстинкция k от 30 nm Al2O3филм, депозиран от ALD[10].

3) - Кои техники могат да се използват за приготвяне на Ал2O3тънки филми?

Ал2O3филми за пасивиране на повърхността на c-Si са отложени чрез термично и плазмено подпомагане на ALD, използващо Al (CH3)3дозиране на прекурсор заедно с различни източници на окислители (H2O, O3и O2плазма) [8,11]. Увеличен с плазма CVD (PECVD, от Al (CH3)3и N2O или CO2смеси) също е бил използван за депозиране на Al2O3[8,12,13], както и техниката на физическо отлагане на пари (PVD) на разпрашване [14]. В ранните дни (1989) Хезъл и Йегер използват пиролиза на Al (OiPr)3за отлагането на Al2O3които бяха първите резултати на Ал2O3базирана пасивация на c-Si, която някога е била докладвана [1]. Също така са изследвани зол-гел процеси за Al2O3синтез за пасивиране на c-Si [15,16]. Във всички тези случаи отгряването на филмите при ~ 400 ° C е от полза или дори се изисква за постигане на високо ниво на пасивация на повърхността.

Различни конфигурации на реактора за термичен ALD: (а) реактор с една пластина, (б) реактор с периодична употреба и реактор с пространствен ALD. В (а) и (б) циклите ALD се извършват във времевата област, а в (в) циклите ALD се извършват в пространствения домейн[17].

4) - Какво прави Ал2O3толкова уникален за повърхностна пасивация?

За Si повърхности могат да бъдат разпознати два механизма за пасивиране. Първият механизъм е намаляването на плътността на състоянието на интерфейсаDтона повърхността на Si, например чрез пасивиране на висящи връзки на Si от атоми H. Този механизъм се нарича „химическа пасивация“. Вторият механизъм е намаляването на плътността на малцинствените носители на заряд, присъстващи на повърхността на Si чрез вградено електрическо поле на повърхността. Тази така наречена „пасивация на полеви ефект“ може да бъде постигната чрез допинг профили или чрез фиксирани таксиQfприсъства в тънък филм, отложен върху Si. Отличната пасивация от Ал2O3обикновено е комбинация от двата механизма.

Фактът, че Ал2O3може да съдържа много висока плътност (до 1013см-3) наотрицателентакси прави материала уникален [18]. Почти почти всички други материали (по-специално SiO2и a-SiNx: H) съдържат положителни фиксирани заряди и с по-ниска плътност. За Ал2O3фиксираните такси се намират на границата между Al2O3и междуфазния SiOxна Si [19]. Освен това е интересно да се отбележи, че плътността на фиксираните заряди в Al2O3зависи от метода на приготвяне на Al2O3.За филми, приготвени от плазмено подпомогнати ALD и PECVD, обикновено по-високQfсе намира като за филми, приготвени от термична ALD. В по-късния случай отличното ниво на пасивиране може главно да се отдаде на ниско нивоDтониво.

Втори ключов аспект на Ал2O3, аспект, който досега е получил по-малко внимание, е фактът, че Ал2O3също така действа ефективен резервоар за водород, осигуряващ водород към Si интерфейса по време на термични обработки (по време на отгряване и по време на етапа на изпичане). Това наскоро беше недвусмислено установено [9] и обяснява факта, че такова отлично ниво на химическа пасивация може да бъде постигнато от Al2O3филми, депозирани директно върху H-завършен Si или върху Si, съдържащ депозиран SiOxслой (напр. чрез PECVD или ALD), който сам по себе си пасивира относително слабо (т.е. когато няма Al2O3прилага се покриващ слой) [20].

Скорост на рекомбинация на повърхността Seff, максза плазмен асистиран и термичен ALD Al2O3филми като функция от плътността на короновия заряд, отложена върху Al2O3. Този сюжет разкрива, че и двата филма съдържат фиксирана отрицателна плътност на заряда, но с по-малко заряд в термичната проба ALD. Термичната ALD има по-високо ниво на химическа пасивация, както се вижда от по-ниската стойност на Seff, максв точката, в която фиксираните такси се компенсират от корона.

Забележка 2018:Последните последващи изследвания на пасивирането на силициеви повърхности от различни метални оксиди разкриха, че много от тези метални оксиди са диелектрици с отрицателен заряд, например HfO2, Ga2O3, TiO2, Nb2O5и т.н.

5) - Каква е ефективността на слънчевите клетки (от индустриален тип) с Al2O3?

Предвид ентусиазма за Ал2O3в рамките на фотоволтаичната общност [21,22] е много вероятно работата на слънчевите клетки, съдържащи Al2O3слоевете за пасивиране се тестват широко. Тъй като обаче се отнася до ценна и патентована информация за фотоволтаични компании, резултатите от тези тестове не се оповестяват или не се докладват изрично като такива. Първите резултати за слънчеви клетки с Al2O3поставиха обаче сцената и бяха от решаващо значение за задействане на интереса на фотоволтаичната индустрия. Отчетени са първите резултати от слънчеви клетки заpтип PERC клетки, в които ALD Al2O3е използван за пасивиране на задната повърхност, като еднослоен и в стек, комбиниран с PECVD-SiOx(сътрудничество ISFH - TU / e) [6]. Най-добрата ефективност в този първи доклад е 20,6%, а в по-късна работа за подобни слънчеви клетки е получена ефективност от 21,5% [13]. Друго важно ранно постижение е ефективността от 23,2% заnтип PERL клетки, в които ALD Al2O3комбиниран с PECVD a-SiNx: H бяха използвани за пасивиране на предната повърхност (сътрудничество Fraunhofer ISE - TU / e) [7]. На по-късен етап е постигната ефективност от 23,5% за този вид слънчеви клетки [23]. Други резултати от слънчеви клетки са докладвани от ITRI [24], ECN [25] и Университета в Констанц [26].

Слънчева клетка PERL с Si-основа от n-тип и пасивиращ слой от предната повърхност на Al2O3(30 nm) заедно с a-SiNx: H (40 nm) антирефлексно покритие[7].

Забележка 2018:Очевидно индустриалният пробив на Ал2O3е бил в технологията PERC.

6) - Какви са изискванията за филма и условията за обработка?

Много технически въпроси трябва да бъдат разгледани, за да се приложи Al2O3в слънчеви клетки. Отговорите на тези въпроси очевидно зависят от вида и конфигурацията на слънчевите клетки, но някои общи идеи са получени от проучванията, проведени през последните няколко години. За депозирани с ALD филми е установено, че минималната дебелина е съответно 5 nm и 10 nm за асистирана с плазма и термична ALD [27]. Очаква се разликата да произтича от по-ниската важност на пасивацията на полеви ефект чрез термична ALD. Оптималната температура на отлагане е в диапазона 150-250oС [8]. Въпреки че нивото на пасивиране не е много чувствително към температурата на отлагане, оптималното се определя от химическата пасивация [9]. При по-ниски температури Al2O3плътността на филма не е достатъчно висока, докато при по-високи температури Al2O3има твърде ниско съдържание на водород. И в двата случая Al2O3не може да осигури достатъчно водород за пасивиране на висящите връзки на Si на границата (по време на отгряването), било поради прекалено голяма дифузия на водород в околната среда или твърде малък резервоар с водород за начало. Като се има предвид отгряването на Al2O3- стъпка, която е от съществено значение за пълното активиране на пасивацията на повърхността - оптималната температура е около 400oС [27]. При тази температура от филма се отделя достатъчно водород. Фактът, че водородът от филма намалява плътността на състоянието на границата се потвърждава и от факта, че отгряване в N2газът работи добре, не е необходимо образуване на газово отгряване. Продължителността на стъпката на отгряване може да бъде най-малко 1 минута. за осигуряване на отлични нива на пасивация на повърхността. Ал2O3също е достатъчно стабилен по време на стъпката на изпичане, както се използва в слънчеви клетки от индустриален тип с метализирана ситопечат Нивото на пасивация обаче се влошава по време на тази висока температура (обикновено 800 - 900oC за няколко секунди) [28,29], но оставащото ниво на пасивиране е напълно достатъчно за такива слънчеви клетки от индустриален тип. Ал2O3също беше намерен за съвместим сa-SiNx: H в стековите системи и дори се отчита подобрена термична стабилност [30]. Също така стекове от Al2O3със синтетичен SiO при ниска температура2беше установено, че стрелят стабилно [20].

Скорост на рекомбинация на повърхността Seff, максза плазмен асистиран и термичен ALD Al2O3филми след отгряване при различни температури в N2за 10 минути. Дадени са данни за p- и n-тип Si. Данните на 200oC се отнасят до нанесени филми (температурата на отлагане е 200 ° СoC за всички филми)[27].

Забележка 2018:В PERC, стек от Al2O3/ a-SiNx: Използва се H и този стек позволява по-тънък Al2O3филми. Дебелината на Al2O3в PERC е 4-10 nm.

7) - Методите за отлагане на Al2O3мащабируема?

Методите за отлагане на PECVD [13,31] и разпрашването [14,32] със сигурност са мащабируеми и те вече се прилагат в производството на c-Si слънчеви клетки. Компанията Roth& Rau са адаптирали тяхната техника за микровълнова PECVD за Al2O3отчетено е отлагане и добри резултати от пасивирането [13]. Конкурентното предимство на тази технология е, че съществуващите PECVD системи могат доста лесно да бъдат модифицирани, като се избягват големи инвестиции в разработване на нови технологии и / или намаляване на големи капиталови разходи. За пръскането досега отчетените резултати от пасивирането не са толкова добри, колкото за PECVD и ALD, въпреки че може да са достатъчни за търговското производство на слънчеви клетки.

Конвенционалният ALD е неподходящ за индустриално производство на слънчеви клетки с висока производителност. Пропускателната способност обаче може да се увеличи, като се премине към периодична обработка, при която множество (100+) пластини са покрити наведнъж в една реакторна камера. Този път се следва от компаниите Beneq [33,34] и ASM [35] Друг подход се възприема от две холандски компании. Както Levitech [36-38], така и SolayTec [39-41] са разработили пространствено-ALD оборудване, при което циклите на ALD не се извършват във времевата област, а в пространствената област. Това трябва да позволи обработка с висока производителност от над 3000 пластини на час на инструмент.

Сравнение на резултатите от пасивирането на c-Si за пространствено-ALD, PECVD и разпрашване[42]. ALD обикновено дава най-добрата ефективност на пасивиране, въпреки че PECVD е много близо[8,43].

Забележка 2018:През 2011 г. Roth& Rau е придобита от Meyer Burger и това е настоящото име на компанията. През последните няколко години се случи много в областта на Ал2O3депозиране и компаниите, предоставящи инструментите. Вижте последващия блог.

8) - Spatial-ALD за производство с голям обем, какви са ползите?

Двете най-важни предимства на пространствения ALD са, че той позволява вградена атмосферна обработка на ALD и че циклите не се извършват във времевата област, а в пространствената област. Последното означава, че инжектирането на предшественика и реагента се извършва в различни отделения или зони, в които се намират видовете газова фаза. Тези зони са разделени от бариери за инертен газ, създадени от зоните за продухване между тях. За да бъде субстратът изложен на различни зони последователно, повърхността на субстрата се превежда през различните зони. Този превод може да бъде линейно чрез преместване на субстрата през много повтарящи се зони (подход, преследван от Levitech [36-38]) или може да бъде периодично чрез преместване на субстратите по отношение на отлагащата глава оттук-нататък (подход, преследван от SolayTec [39 -41,44]). Други предимства за вградения пространствен ALD са фактът, че лесно може да се постигне еднопосочно отлагане, отсъствието на движещи се части (освен пластините) и фактът, че не се отлага по стените на реактора. Също така използването на прекурсори е ефективно.

Пространствената ALD система „Levitrack“ на Levitech за вградена обработка на пластини на слънчеви клетки при атмосферно налягане[36-38]. Вафлите се задвижват на входа на коловоза и те "плават" върху лагери от газ, създадени от инжектираните газове: Al (CH3)3предшественик, N2продухване, Н2О реагент и N2продухване и др. Положението на вафлите се самостабилизира в средата на пистата, а също така разстоянието между съседни вафли от няколко сантиметра се саморегулира. В текущата конфигурация системата дава ~ 1 nm Al2O3на 1 m дължина на системата.

9) - Ами производствените разходи за една вафла за Al2O3слоеве за пасивиране?

В този момент е трудно да се отговори на този въпрос. Някои производители на оборудване на Al2O3системите за отлагане отчитат няколко цента на вафла. Обаче, прилагането на например схеми за пасивиране на задната повърхност има големи последици за общия процес на производството на слънчеви клетки и следователно разходите за собственост ще зависят до голяма степен от детайлите на избраната схема за пасивиране на задната повърхност. Също така интеграцията на Al2O3с други материали и стъпки за обработка е голямо предизвикателство, което в момента се решава от фотоволтаичната индустрия.

Едно важно откритие досега е фактът, че пасивирането на слънчевите клетки от Al2O3не изисква полупроводникова чистота на Al (CH3)3предшественик. Установено е, че ефективността на пасивиране, получена от соларен клас Al (CH3)3също е отличен [10]. Това е само един от важните аспекти, свързани с разходите, които трябва да бъдат взети под внимание. Друго интересно наблюдение е, че много добри показатели за пасивиране могат да се постигнат и от други, малко по-малко пирофорни прекурсори от Al (CH3)3, например ALD на Al2O3от Al (CH3)2(OiPr) и O2плазмата разкрива също много добро пасивиране [10].

Ефективен живот за плазмено подпомаган и термичен ALD Al2O3филми, отложени от полупроводник и соларен клас Al (CH3)3[10]. Съответният Seff, максстойностите са толкова ниски, колкото=1-2 cm / s за нива на инжектиране от 1014-1015см-3. От тази цифра може да се заключи, че не е необходимо да се използват много скъпи прекурсори, за да се постигнат отлични нива на пасивация на повърхността

Забележка 2018:Ясно е, че използването на Al2O3нанослоевете за пасивиране се отплащат. Използването на Al (CH3)3тъй като прекурсорът е много важен фактор на разходите, така че оптимизираното и ефективно използване на прекурсора е от ключово значение.

10) - Какви са общите перспективи за използването на Al2O3в PV?

Въпросът вероятно не е дали Ал2O3ще се използва в търговски слънчеви клетки, но когато Al2O3ще се прилага. Въпросът е също така в кой тип слънчеви клетки Al2O3ще се прилага. Може да не е само в висококачествени, високоефективни, монокристални Si слънчеви клетки. Ал2O3тънките филми също могат да бъдат интересни за по-масовото производство на слънчеви клетки. Следователно може да се заключи, че общите перспективи са много ярки.

Забележка 2018:Ал2O3нанослоевете позволяват технологията PERC, която се появи на пазара около 2014 г. Тази година продукцията на световните клетъчни фабрики може да достигне близо 50%.

Препратки:

1. Р. Хезели др.,J. Electrochem. Soc136518-523 (1989)

2. Г. Агостинелии др.,Сол. Energy Mater. Сол. Клетки903438-3443 (2006)

3. Б. Хоекси др.,Приложение Физ. Lett.89042112 (2006)

4. SM Джорджи др.,Chem.Преп.110111-131 (2010)

5. Б. Хоекси др.,Приложение Физ. Lett.91112107 (2007)

6. J. Schmidtи др.,Prog.Фотоволтаици Рез. Приложение16461-466 (2008)

7. J. Benickи др.,Приложение Физ. Lett.92253504 (2008)

8. Г. Dingemansи др.,Електрохим. Твърдо състояние Lett.13H76-H79 (2010)

9. Г. Dingemansи др.,Приложение Физ. Lett.97152106 (2010)

10. G. Dingemans и WMM Kessels,25-та Европейска фотоволтаична конференция и изложение за слънчева енергия, Валенсия (2010)

11. Г. Dingemansи др.,Електрохим.Твърдо състояние Lett.14H1-H4 (2011)

12. С. Мияджимаи др.,ПриложениеФиз. Експрес3012301 (2010)

13. П. Сен Касти др.,IEEE Electron Device Lett.31695-697 (2010)

14. Т.-Т. Лии др.,Физ.Статус Solidi RRL3160-162 (2009)

15. П. Витанови др.,Тънки твърди филми5176327-6330 (2009)

16. H.-Q. Сяои др.,Брадичка. Физ.Lett.26088102 (2009)

17. DH Левии др.,J. Disp. Технол.5484-494 (2009)

18. Б. Хоекси др.,J. Appl. Физ.104113703 (2008)

19. Н. М. Терлиндени др.,ПриложениеФиз. Lett.96112101 (2010)

20. Г. Dingemansи др.,Физ. Статус Solidi RRL522-24 (2011)

21. Sun&усилвател; Вятърна енергия, ноември (2010)

22. Photon International, март (2011)

23. J. Benickи др.,35-та конференция на специалистите по фотоволтаици IEEE, Хонолулу (2010)

24. WC Слънцеи др.,Електрохим.Твърдо състояние Lett.12H388-H391 (2009)

25. И. Г. Ромини др.,25-та Европейска фотоволтаична конференция и изложение за слънчева енергия, Валенсия (2010)

26. J. Ebserи др.,25-та Европейска фотоволтаична конференция и изложение за слънчева енергия, Валенсия (2010)

27. Г. Dingemansи др.,Физ.Статус Solidi RRL410-12 (2010)

28. Г. Dingemansи др.,J. Appl. Физ.106114907 (2009)

29. J. Benickи др.,Физ. Статус Solidi RRL3233-235 (2009)

30. J. Schmidtи др.,Физ.Статус Solidi RRL3287-289 (2009)

31. Roth& Rau,http://www.roth-rau.de

32. J. Liuи др.,25-та Европейска фотоволтаична конференция и изложение за слънчева енергия, Валенсия (2010)

33. JI Skarp,218-а среща на електрохимичното общество, Лас Вегас (2010)

34. Beneq,http://www.beneq.com

35. ASM,http://www.asm.com

36. EHA Grannemanи др.,25-та Европейска фотоволтаична конференция и изложение за слънчева енергия, Валенсия (2010)

37. В. И. Кузнецови др.,218-а среща на електрохимичното общество, Лас Вегас (2010)

38. Levitech,http://www.levitech.nl

39. Б. Верманги др.,Prog.Фотоволтаици Рез. Приложение(2011)

40. П. Пуди др.,Adv. Матер.223564-3567 (2010)

41. SoLayTec,http://solaytec.org

42. J. Schmidtи др.,25-та Европейска фотоволтаична конференция и изложение за слънчева енергия, Валенсия (2010)

43. П. Сен Касти др.,Приложение Физ. Lett.95151502 (2009)

44. П. Пуди др.,Физ. Статус Solidi RRL5165-167 (2011)