/ TOPCon 结构界面氢及缺陷态密度研究 /

研究主题

文献聚焦于多晶硅/二氧化硅/c-硅（poly-Si/SiOx/c-Si）界面在烧结过程中，由于氢浓度变化和缺陷态密度变化的影响。特别是对比了使用氢化处理与未经处理的样品在界面缺陷态密度方面的差异，以及AlOx/SiNy叠层与纯SiNy层在烧结过程中对氢阻挡性能的比较。

主要结论

• 未经氢化处理的样品在620°C至863°C的烧结过程中，界面缺陷态密度显著上升。
• AlOx/SiNy堆叠层在烧结过程中，界面氢浓度显著增加，AlOx层厚度的增加实际上促进了氢在界面的扩散。
• 在724°C的较低烧结温度下，界面的活性缺陷密度随着界面处氢浓度的增加而降低，显示出氢钝化的积极作用。
• 在863°C的高温下，即使氢浓度过剩，缺陷密度仍会增加，暗示了高温下烧结过程中新形成的缺陷与氢钝化之间的复杂相互作用。
• 钝化质量：在较低烧结温度下，AlOx/SiNy层堆叠可以有效钝化界面态。但在高温下，钝化质量仍可能下降。

研究方法

研究采用了MarcoPOLO模型来计算poly-Si/SiOx/c-Si结中的复合和接触电阻，并通过改变AlOx层厚度来测量界面的氢浓度。样品制备技术包括湿化学氧化、LPCVD多晶硅层沉积、ALD AlOx层沉积和MA-PECVD SiNy层沉积。烧结过程在不同温度下进行，以模拟工业生产中的高温步骤。

样品制备

样品制备过程包括了从基底的准备到最终的烧结，每一步都经过精心设计，以确保实验结果的准确性和可重复性。

1. 基底准备：使用p型Czochralski生长的硅晶片。
2. 去除锯伤：KOH基溶液蚀刻后进行RCA清洗。
3. 生长界面氧化层：湿化学方法生长约1.5 nm厚的氧化物。
4. poly-Si沉积：LPCVD工艺沉积220 nm厚的多晶硅层。
5. 氧化后退火：在820°C或860°C下进行30分钟退火。
6. 去除多晶硅上的氧化物：使用40%的HF去除氧化物。
7. AlOx层涂层：ALD技术涂覆不同厚度的AlOx层。
8. SiNy层沉积：MA-PECVD工具沉积100 nm厚的SiNy层。
9. 烧结过程：在工业红外传送带炉中进行。

量仪

• QSSPC测量，Sinton WCT120少子寿命测试仪。
• ECV分析，用于确定多晶硅的掺杂分布。
• ToF-SIMS，用于测量样品中氢和氘的浓度分布。
• FTIR，测量用于确定SiNy层中的氢浓度。

讨论

Arrhenius定律是一个描述化学反应速率随温度变化的指数关系的经验公式。它以瑞典化学家Svante Arrhenius的名字命名，他在1889年首次提出了这个定律。Arrhenius定律的基本形式可以表示为：

其中：

• 是反应速率常数。
• 是指前因子或频率因子，表示在无限高温度下反应的速率，单位与相同。
• 是活化能，表示反应开始前必须被克服的能量障碍，单位是焦耳每摩尔（J/mol）。
• 是玻尔兹曼常数，其值约为 J/K。
• 是绝对温度，单位是开尔文（K）。

文献中，Arrhenius定律被用来拟合烧结过程中界面缺陷态密度Dit,cSi随温度变化的数据。这里的"反应"可以理解为与温度相关的缺陷生成过程。拟合得到的活化能为0.29 ± 0.01 eV，这表明随着温度的升高，生成缺陷的速率增加，且这一过程具有热激活特性。活化能的数值反映了在烧结过程中，界面缺陷态密度增加所需的能量阈值。通过这种分析，研究者可以更好地理解烧结温度对太阳能电池界面质量的影响，并为优化烧结工艺提供理论依据。

MarcoPOLO模型是一个用于模拟多晶硅（poly-Si）/二氧化硅（SiOx）/单晶硅（c-Si）异质结的物理模型，该模型专门用于分析和计算太阳能电池中的界面缺陷态密度、复合电流密度以及接触电阻等参数。以下是MarcoPOLO模型的一些关键特点：

1. 半解析模型：MarcoPOLO是一个半解析模型，它结合了数值和解析方法来解决异质结中的泊松方程，以计算能带弯曲。
2. 界面缺陷态密度（Dit,cSi）：模型能够计算SiOx/c-Si界面的缺陷态密度，这些缺陷态可以作为重组中心，影响太阳能电池的性能。
3. 重组和接触电阻：MarcoPOLO模型能够计算由于界面缺陷态引起的重组电流密度（J0）和接触电阻，这对于优化太阳能电池的接触设计至关重要。
4. 自洽求解：模型自洽地求解了多晶硅层中的掺杂浓度、界面态密度以及它们对能带结构的影响。
5. 快速计算：与其他数值模拟方法相比，MarcoPOLO模型的一个显著优点是其计算速度快，这使得它适合于快速评估和优化太阳能电池的界面特性。
6. 实验数据拟合：MarcoPOLO模型通常与实验数据（如寿命测量）结合使用，通过拟合实验数据来提取界面缺陷态密度等参数。
7. 温度依赖性：模型可以分析温度对重组电流密度和界面缺陷态密度的影响，这对于理解太阳能电池在不同工作条件下的性能至关重要。
8. 工艺优化：通过使用MarcoPOLO模型，研究人员可以评估不同的制造工艺步骤（如烧结、氢化处理等）对太阳能电池界面质量的影响。

根据文献内容，AlOx层的厚度对氢浓度的影响可以具体概括如下：

1. 氢浓度增加：研究发现，在烧结过程中，随着AlOx层厚度的增加，SiOx/c-Si界面处的氢浓度也有所增加。这与AlOx层作为氢阻挡层的预期效果相反。
2. 高温烧结下的趋势：在863°C的高温烧结条件下，具有较厚AlOx层的样品在界面处显示出更高的氢浓度。这表明在高温下，AlOx层可能并没有有效地阻止氢向界面的扩散。
3. 不同烧结温度的比较：在724°C的较低烧结温度下，即使AlOx层厚度增加，也没有观察到界面氢浓度显著降低的趋势。这可能意味着在较低温度下，AlOx层的阻挡效果不明显。
4. 钝化质量与氢浓度的关系：尽管氢浓度在增加，但在较低烧结温度下，较好的钝化质量（即较低的J0值）与界面处较高的氢浓度相关联。这表明在一定条件下，氢可能有助于钝化界面态。
5. AlOx层作为氢源：研究提出AlOx层本身可能在烧结过程中释放氢，这可能是界面氢浓度增加的一个原因。
6. 实验观察与预期的差异：先前的研究可能认为AlOx层能够作为有效的氢阻挡层，但这项研究的发现与此不符，表明AlOx层在实际烧结过程中的行为可能比预期的更为复杂。
7. 对工艺的启示：这些发现表明，在太阳能电池的制造过程中，需要对AlOx层的厚度和烧结工艺进行仔细的优化，以确保最佳的钝化效果和控制氢的分布。综上所述，AlOx层厚度对氢浓度的影响表明了在高温烧结过程中对氢扩散行为的控制需要更多的考虑，以及AlOx层可能在提供钝化质量方面发挥了不同于预期的作用。

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• 文章链接：Changes in hydrogen concentration and defect state density at the poly-Si/ SiOx/c-Si interface due to firing，点击阅读原文
• DOI: https://doi.org/10.1016/j.solmat.2021.111297
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