Ljus Enhanced fluorvätesyra Passive: En känslig teknik för att upptäcka Bulk Silicon Defekter
Summary
En RT vätske ytpassivering teknik för att undersöka rekombinationsaktivitet av bulkkiseldefekter beskrivs. För tekniken för att vara framgångsrik, är tre kritiska steg krävs: (i) kemisk rengöring och etsning av kisel, (ii) nedsänkning av kisel i 15% fluorvätesyra och (iii) belysning för en minut.
Abstract
Ett förfarande för att mäta bulk livslängd (> 100 ^ sek) av kiselskivor genom att temporärt uppnå en mycket hög nivå av ytpassivering när nedsänka skivorna i fluorvätesyra (HF) presenteras. Genom denna procedur tre kritiska steg krävs för att uppnå bulk livstid. För det första, innan nedsänkning kiselskivor i HF, de är kemiskt rengöras och därefter etsad i 25% tetrametylammoniumhydroxid. För det andra är de kemiskt behandlade skivorna placerades sedan i en stor plastbehållare fylld med en blandning av HF och saltsyra, och sedan centreras över en induktiv spole för photoconductance (PC) mätningar. För det tredje, för att hämma yta rekombination och mäta bulk livslängd, är skivorna upplyst på 0,2 solar under 1 minut med användning av en halogenlampa, är belysningen avstängd och en PC mätning omedelbart tas. Genom denna procedur kan egenskaperna hos bulkkiseldefekter bestämmas noggrant. Pälsthermore, förväntas det att en känslig RT ytpassivering teknik kommer att vara absolut nödvändigt för att pröva bulkkiseldefekter när deras koncentration är låg (<10 12 cm -3).
Introduction
Hög livslängd (> 1 msek) monokristallint kisel blir allt viktigare för högeffektiva solceller. Förstå rekombination egenskaper inbäddade föroreningar har varit, och är fortfarande ett viktigt ämne. En av de mest använda teknikerna för att undersöka rekombinationsaktivitet av vuxna i defekter är av en photoconductance metod 1. Genom denna teknik är det ofta svårt att helt separat ytan från bulk rekombination, vilket gör det svårt att undersöka de rekombinationsställen egenskaper vuxna i defekter. Lyckligtvis finns det flera dielektriska filmer som kan uppnå mycket låga effektiva ytan rekombination hastigheter (S eff) av <5 cm / sekund, och därmed hämmar effektivt ytan rekombination. Dessa är, kiselnitrid (SiN x: H) 2, aluminiumoxid (Al 2 O 3) 3 och amorft kisel (a-Si: H) 4. Avsättningen och ennealing temperaturer (~ 400 ° C) av dessa dielektriska filmer anses vara tillräckligt låg för att inte permanent deaktivera rekombinationsaktivitet av den vuxna i defekter. Exempel på detta är järn-bor 5 och bor syre 6 defekter. Men nyligen fann man att vakans-syre och vakans-fosfor defekter i n -typ Czochralski (CZ) kisel kan helt deaktiveras vid temperaturer av 250-350 ° C 7,8. Likaså en defekt i float-zonen (FZ) p -typ kisel befanns inaktivera vid ~ 250 ° C 9. Därför kan konventionella passive tekniker såsom plasmaförstärkt CVD (PECVD) och atomlager nedfall (ALD) inte lämpliga för att hämma yta rekombination för att undersöka vuxna i bulk defekter. Dessutom SiN x: H och a-Si: H filmer har visats inaktivera bulk kiseldefekter genom hydrering 10,11. Därför att undersöka rekombinationsaktivitet o f vuxen i defekter skulle en RT ytpassivering tekniken vara perfekt. Våtkemisk ytpassivering uppfyller detta krav.
Under 1990-talet Horanyi et al., Visade att nedsänkning av kiselskivor i jod-etanol (IE) lösningar ger ett medel för att passivera kiselskivor, uppnå S eff <10 cm / s 12. Under 2007 Meier et al. Visade att jod-metanol (IM) lösningar kan minska ytan rekombination till 7 cm / s 13, medan det i 2009 Chhabra et al., Visade att S eff av 5 cm / s kan uppnås genom nedsänkning kiselskivor i kinhydron-metanol (QM) lösningar 14,15. Trots det utmärkta ytpassivering uppnås genom IE, IM och QM-lösningar, ger de inte tillräckligt ytpassivering (S eff <5 cm / sek) för att mäta bulk livslängd av hög renhet kiselskivor.
nt "> Ett annat sätt att uppnå en hög nivå av ytpassivering är genom att sänka kiselskivor i HF syra. Begreppet att använda HF att passivera kiselskivor infördes först av Yablonavitch et al. 1986, som visade en rekordlåga S eff av 0,25 ± 0,5 cm / sek 16. Även utmärkt ytpassivering uppnåddes på hög resistivitet skivor, har vi funnit tekniken för att vara icke-repeterbara, vilket bidrar en stor osäkerhet livstid mätningen. Därför att begränsa den osäkerhet genom att konsekvent uppnå en mycket låg S eff (~ 1 cm / sek), har vi utvecklat en ny HF passive teknik som omfattar tre viktiga steg, (i) kemiskt rengöring och etsning av kiselskivor, (ii) nedsänkning i en 15% HF-lösning och (iii) belysning för en minut 17,18. Detta förfarande är både enkelt och tidseffektivt i jämförelse med den traditionella PECVD och ALD deponeringstekniker som anges ovan.Protocol
Representative Results
Discussion
Ett framgångsrikt genomförande av livstids mättekniken bulk kisel som beskrivits ovan bygger på tre viktiga steg, (i) kemiskt rengöring och etsning av kiselskivor, (ii) nedsänkning i en 15% HF-lösning och (iii) belysning för 1 min 17, 18,19. Utan dessa steg, kan bulk livstid inte mätas med säkerhet.
Som vilken mätteknik genomföres vid RT, är ytpassivering kvalitet mycket mottagliga för ytkontaminering (metaller, organiska filmer). Således för att effektivt avlägsn…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This program has been supported by the Australian Government through the Australian Renewable Energy Agency (ARENA). Responsibility for the views, information or advice expressed herein is not accepted by the Australian Government.
Materials
| Hydrofluoric acid (48%) | Merck Millipore, http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrofluoric-acid-48%25,MDA_CHEM-100334 | 1003340500 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Hydrochloric acid 32%, AR | ACI Labscan, http://www.rcilabscan.com/modules/productview.php?product_id=1985 | 107209 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Ammonia (30%) Solution AR | Chem-supply, https://www.chemsupply.com.au/aa005-500m | AA005 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Hydrogen Peroxide (30%) | Merck Millipore, http://www.merckmillipore.com/AU/en/product/Hydrogen-peroxide-30%25,MDA_CHEM-107209 | 1072092500 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| Tetramethylammonium hydroxide (25% in H2O) | J.T Baker, https://us.vwr.com/store/catalog/product.jsp?product_id=4562992 | 5879-03 | Harmful and toxic. Any supplier could be used provided the chemical is Analytical Reagent (AR) grade. |
| 640 mL round plastic container | Sistema, http://sistemaplastics.com/products/klip-it-round/640ml-round | N/A | This is a good container for storing the 15% HF solution in. |
| WCT-120 lifetime tester | Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com/Sinton-Instruments-WCT-120.html | N/A | |
| Dell workstation with Microsoft Office Pro, Data acquisition card and software including Sinton Software under existing license. | Sinton Instruments, http://www.sintoninstruments.com | N/A | |
| Halogen optical lamp, ELH 300W, 120V | OSRAM Sylvania, http://www.sylvania.com/en-us/products/halogen/Pages/default.aspx | 54776 | Any equivalent lamp could be used. |
| Voltage power source | Home made power supply | N/A | Any power supply could be used provided it can produce up to 90 Volts and 1-5 Amps. |
| Conductivity meter | WTW, http://www.wtw.de/uploads/media/US_L_07_Cond_038_049_I_02.pdf | LF330 |
References
- Sinton, R. A., Cuevas, A. Contactless determination of current-voltage characteristics and minority-carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state photoconductance data. Appl. Phys. Lett. 69 (17), 2510-2512 (1996).
- Wan, Y., McIntosh, K. R., Thomson, A. F., Cuevas, A. Low surface recombination velocity by low-absorption silicon nitride on c-Si. IEEE J. Photovoltaics. 3 (1), 554-559 (2013).
- Hoex, B., Schmidt, J., Pohl, P., van de Sanden, M. C. M., Kessels, W. M. M. Silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3. J. App. Phys. 104 (4), 044903 (2008).
- Dauwe, S., Schmidt, J., Hezel, R. Very low surface recombination velocities on p.- and n.-type silicon wafers passivated with hydrogenated amorphous silicon films. , 1246-1249 (2012).
- Macdonald, D., Cuevas, A., Wong-Leung, J. Capture cross-sections of the acceptor level of iron-boron pairs in p-type silicon by injection-level dependent lifetime measurements. J. App. Phys. 89 (12), 7932-7339 (2001).
- Schmidt, J., Bothe, K. Structure and transformation of the metastable boron- and oxygen-related defect center in crystalline silicon. Phys. Rev. B. 69 (2), 024107 (2004).
- Rougieux, F., Grant, N., Murphy, J., Macdonald, D. Influence of Annealing and Bulk Hydrogenation on Lifetime Limiting Defects in Nitrogen-Doped Floating Zone Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (2), 495-498 (2014).
- Zheng, P., Rougieux, F., Grant, N., Macdonald, D. Evidence for vacancy-related Recombination Active Defects in as-grown n-type Czochralski Silicon. IEEE J. Photovoltaics. 5 (1), 183-188 (2014).
- Grant, N. E., Rougieux, F. E., Macdonald, D., Bullock, J., Wan, Y. Grown-in point defects limiting the bulk lifetime of p.-type float-zone silicon wafers. J. App. Phys. 117 (5), 055711 (2015).
- Hallam, B., et al. Hydrogen passivation of B-O defects in Czochralski silicon. Energy Procedia. 38, 561-570 (2013).
- Hallam, B., et al. Advanced bulk defect passivation for silicon solar cells. IEEE J. Photovoltaics. 4 (1), 88-95 (2014).
- Hornyi, T. S., Pavelka, T., Ttt, P. In situ bulk lifetime measurement on silicon with a chemically passivated surface. App. Surf. Sci. 63 (1-4), 306-311 (1993).
- Meier, D. L., Page, M. R., Iwaniczko, E., Xu, Y., Wang, Q., Branz, H. M. Determination of surface recombination velocities for thermal oxide and amorphous silicon on float zone silicon. , (2007).
- Chhabra, B., Bowden, S., Opila, R. L., Honsberg, C. B. High effective minority carrier lifetime on silicon substrates using quinhydrone-methanol passivation. App. Phys. Lett. 96 (6), 063502 (2010).
- Chhabra, B., Weiland, C., Opila, R. L., Honsberg, C. B. Surface characterization of quinhydrone-methanol and iodine-methanol passivated silicon substrates using X-ray photoelectron spectroscopy. Phys. Stat. Sol. (a). 208 (1), 86-90 (2011).
- Yablonovitch, E., Allara, D. L., Chang, C. C., Gmitter, T., Bright, T. B. Unusually low surface recombination velocity on silicon and germanium surfaces. Phys. Rev. Lett. 57 (2), 249-252 (1986).
- Grant, N. E., McIntosh, K. R., Tan, J. T. Evaluation of the bulk lifetime of silicon wafers by immersion in hydrofluoric acid and illumination. J. Solid State Sci. Technol. 1 (2), P55-P61 (2012).
- Grant, N. E., et al. Light enhanced hydrofluoric acid passivation for evaluating silicon bulk lifetimes. 28.th. European Photovoltaic Solar Energy Conference. , 883-887 (2013).
- Grant, N. E. . Surface passivation and characterization of crystalline silicon by wet chemical treatments. , (2012).
- Kern, W. The evolution of silicon wafer cleaning technology. J. Electrochem. Soc. 137 (6), 1887-1892 (1990).
- Angermann, H., et al. Wet-chemical passivation of atomically flat and structured silicon substrates for solar cell application. App. Surf. Sci. 254 (12), 3615-3625 (2008).
- Angermann, H., Henrion, W., Rseler, A., Rebien, M. Wet-chemical passivation of Si(111)- and Si(100)-substrates. Mat. Sci. Eng. B. 73 ((1-3)), 178-183 (2000).
- Bertagna, V., Plougonven, C., Rouelle, F., Chemla, M. p- and n-type silicon electrochemical properties in dilute hydrofluoric acid solutions. J. Electrochem. Soc. 143 (11), 3532-3538 (1996).
- Bertagna, V., Erre, R., Rouelle, F., Chemla, M. Ionic components dependence of the charge transfer reactions at the silicon/HF solution interface. J. Solid State Electrochem. 4 (1), 42-51 (1999).
- Kolasinski, K. The mechanism of Si etching in fluoride solutions. Phys. Chem. Chem. Phys. 5 (6), 1270-1278 (2003).
- Trucks, G. W., Raghavachari, K., Higashi, G. S., Chabal, Y. J. Mechanism of HF etching of silicon surfaces: A theoretical understanding of hydrogen passivation. Phys. Rev. Lett. 65 (4), 504-507 (1990).
- Zhang, X. G. . Electrochemistry of silicon and its oxide. , (2001).
