Физика/2

Физика/2. Физика твердого тела

Магистрант «Техническая физика» Клиновицкая И.А.

Восточно-Казахстанский Государственный Технический Университет им. Д.Серикбаева

Исследование эффекта геттерирования мультикристаллических пластин диффузией фосфора методом Lydop

Исследован эффект геттерирования металлических примесей методом диффузии фосфора. Доказано улучшение времени жизни свободных носителей заряда кремниевых пластин, что приводит к увеличению эффективности готовых фотоэлементов.

Геттерирование металлических примесей методом диффузии фосфора является хорошо известным методом для улучшения времени жизни свободных носителей заряда кремниевых пластин, особенно относительно загрязненного сырья, такого как мультикристаллический кремний [1,2,3]. Одновременное гетерирование примесей при создании p/n перехода вносит весомый вклад в увеличение эффективности (КПД) фотоэлементов.

Для исследования были использованы мультикристаллические пластины толщиной 180-200 мкм и удельным сопротивлением 1-1,2 Ω*см, текстурированные с обеих сторон раствором HCl/HNO₃. Затем был сформирован эмиттер посредством POCl3 диффузии при высокой температуре теплового процесса 835°C / 25 мин при пониженном давлении. Поверхность была пассивирована пленками SiNx с помощью плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD). Время жизни носителей заряда измерялось методом квази-стационарной фотопроводимости с помощью прибора Sinton WCT-120 — Offline Wafer Lifetime Measurement и измерительной системы Semilab WT-2000 методом µ-PCD (распад фотопроводимости в микроволновом диапазоне).

4 группы пластин были исследованы до процесса и после процесса. Построены картографии времени жизни неосновных носителей заряда и проведено измерение времени жизни.

В ходе эксперимента были определены оптимальные параметры процесса диффузии. Затем пластины были обработаны в растворе кислот для удаления фосфорсиликатного стекла и созданного эмиттера. Повторно был проведен процесс диффузии при выбранных параметрах. Как известно, поверхностная рекомбинация может сильно влиять и на ток короткого замыкания и на напряжение холостого хода, что непосредственно влияет на коэффициент полезного действия фотоэлемента.

Схема 1 – Блок-схема процесса диффузии (1ая диффузия фосфора / геттерирование) и (2ая диффузия фосфора / геттерирование)

Особенно пагубное влияние поверхностная рекомбинация оказывает на ток короткого замыкания, так как лицевая поверхность так же является и область с наибольшей генерацией носителей в солнечном элементе (СЭ). Снижение высокой поверхностной рекомбинации обычно достигается за счет уменьшения числа оборванных связей на поверхности путем ее пассивации (например, диоксидом кремния). Таким образом, для показательного измерения времени жизни носителей заряда, исключен эффект поверхностной рекомбинации путем нанесения пленок нитрида кремния с помощью плазменного химического осаждения (PECVD). Структура эксперимента для исследования эффекта геттерирования представлена на схеме 1.

Схема 2 показывает структуру мультикристаллических пластин, используемых в процессе данного исследования.

Пластины а) – пластины, как получены; b) – пластины с нанесенным с двух сторон антиотражающим покрытием (уменьшение числа оборванных связей на поверхности путем ее пассивации); с) – с созданным эмиттером с двух сторон.

Как упоминалось выше, в ходе эксперимента для создания эмиттера и исследования эффекта геттерирования использовалась дуффузионная печь Semco Engineering (Lydop). На начальном этапе исследования был проведен подбор оптимальных параметров процесса диффузии и составлен рецепт.

Как известно, процесс диффузии зависит от различных параметров, из которых температура и газовая среда являются наиболее важными [4]. В кислородной среде при температуре 850°С коэффициент диффузии (D) достигает значения примерно D~0.0013μм²/ч. Диффузия фосфора приводит к образованию на поверхности пластины эмиттера n-типа. Диффузия фосфора проводится в два этапа: предварительное осаждение (pre-deposition) и диффундирование (drive-in) [5-7]. На этапе предварительного осаждения, жидкий POCl3 барботируется газообразным N₂, испаряется и оседает на поверхности пластин. В присутствии кислорода формируется фосфорсиликатное стекло при температуре 850°С, из которого, как известно, фосфор диффундирует внутрь кремниевой пластины.

В ходе эксперимента были проведены следующие процессы:

1. Изменение соотношения газов-носителей O₂ и N₂. Название рецептов и количество газов представлено в таблице 1.

Таблица 1 – Соотношение газов-носителей (4 процесса)

R4			R3
N2 carrier	1200	sccm	N2 carrier	1500	sccm
O2 dilute	150	sccm	O2 dilute	250	sccm
O2 mix	150	sccm	O2 mix	250	sccm
R5			R4DI
N2 carrier	1000	sccm	N2 carrier	1700	sccm
O2 dilute	100	sccm	O2 dilute	300	sccm
O2 mix	100	sccm	O2 mix	300	sccm

При изменении соотношения газов, изменяется концентрация фосфора, при которой происходит легирование и создание p-n перехода. С помощью прибора WT-2000 PVN было проведено измерение времени жизни и получена следующая зависимость (рисунок 2 а). Таким образом, наилучшее соотношение газов R4DI (N₂_carrier= 1700sccm; O₂_dilute= 300sccm и O₂_mix= 300sccm).

2. Изменение температуры этапа диффундирования (drive-in) фосфора из ближайших к поверхности слоев к середине. Изменение данного параметра позволяет управлять поверхностным сопротивлением и удельным сопротивлением создаваемого эмиттера. Были проведены процессы при температуре 860°С, 855°С, 850°С, 845°С, 840°С и 835 °С. Для характеризации был выбран прибор измерения поверхностного сопротивления 4-точечным методом CMT SR2000N. Была получена представленная ниже зависимость (рисунок 2 б). Таким образом, выбрана оптимальная температура диффузии, при которой получили наилучшее поверхностное сопротивление.

а) б)

Рисунок 2 – а) - зависимость времени жизни носителей заряда от соотношения газов б)- зависимость поверхностного сопротивления от температуры этапа диффундирования (drive-in)

Представленная ниже диаграмма 1 измеренных значений времени жизни носителей заряда до процесса диффузии, после процесса диффузии, после удаления паразитного эмиттера показывает динамику изменения данного параметра. Как видно на данной диаграмме, после проведения процесса диффузии и удаления паразитного эмиттера, время жизни носителей заряда возросло на всех группах пластин. Воздействие преципитатов оксида кремния на дислокации приводит к тому, что последние начинают притягивать к себе примеси тяжёлых металлов, освобождая, таким образом, поверхность от примесей. При удалении паразитного эмиттера происходит удаление слоя фосфорсиликатного стекла, содержащего примеси, которые пагубно влияют на время жизни носителей заряда. В результате время жизни возрастает. Увеличение данных параметров приводит к повышению эффективности солнечного элемента.

Диаграмма 1 – Время жизни неосновных носителей заряда до процесса диффузии, с созданным эмиттером, после удаления фосфорсиликатного стекла

Таблица 2 – Вольт-амперная характеристика исследуемых солнечных элементов

Voc, V	FF, %	Isc, A	Pmpp, W	Rsh, Ohm	Rs, Ohm	Average Efficiency
0,612	77,503	8,344	3,96	214,189	0,00388	16,135
0,612	77,696	8,399	3,966	205,546	0,00364	16,148

Рисунок 3 – Тренд изменения средней эффективности (КПД) солнечных элементов

Таким образом, в ходе эксперимента был доказан эффект геттерирования при проведении процесса диффузии методом Lydop. Электрические параметры полученных солнечных элементов выше, чем у солнечных элементов, произведенных из того же материала (см. таблица 2 и рисунок 3).

Список литературы

1. A. Goetzberger and W. Shockley, J. Appl. Phys. 31,1960, pp. 1821-1824.

2. J.S. Kang and D.K. Schroeder, J. Appl. Phys. 65, 1989, p. 2974.

3. A. Cuevas, M. Stocks, S. Armand, M. Stuckings, A.Blakers and F. Ferrazza, Appl. Phys. Lett. 70, 1997, pp. 1017-1019.

4. Masetti, G., Solmi, S., & Soncini, G. (1973). On Phosphorus Diffusion in Silicon under Oxidizing Atmospheres. Solid-State Electronics, 16, 419, 421.

5. Kumar, D., Saravanan, S., & Suratkar, P. (2012). Effect of Oxygen Ambient During Phosphorous Diffusion on Silicon Solar Cell. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 4, 033105-033105(8).

6. Uchida, H., Ieki, Y., Ichimura, M., & Arai, E. (2000). Retarded Diffusion of Phosphorus in Silicon-on-Insulator Structures. Japanese Journal of Applied Physics, 39, L137- L140.

7. Popadic, M., Nanver, L. K., & Scholtes, T. L. M. (2007). Ultra-Shallow Dopant Diffusion from Pre-Deposited RPCVD Monolayers of Arsenic and Phosphorus. 15th International Conference on Advanced Thermal Processing of emiconductors, 95-100, 2-5 Oct.