H在Si與鈍化層的特性

H在Si與鈍化層中的特性2目錄表面鈍化衰減03.SiNx鈍化膜中的H溢出02.Si中的H特性01.3Si中的H特性PART01H0的快速擴散能力晶體Si中的間隙H對于缺陷鈍化具有重要作用，Si中的間隙單原子H以三種形式存在，包括H+、H0、H-。這些不同價態(tài)的H在Si中的擴散特性也存在差異，其中，H0因為不會受到外部電荷與電場作用，在Si中具有比其它兩種價態(tài)的H更強的擴散能力。不同價態(tài)的H特性：H-：鈍化P施主與帶正電的過渡金屬雜質(zhì)H+：鈍化B受主與帶負(fù)電的過渡金屬雜質(zhì)H0：可以被其它兩種價態(tài)的H電激活SangHeeLee,etal.Reviewofadvancedhydrogenpassivationforhighefficientcrystallinesiliconsolarcells[J].MaterialsScienceinsemiconductorProcessing,2018.H在Si中的價態(tài)4由于H施主價能級在受主能級上部，因此H0不穩(wěn)定，可以通過相互交換電子的方式形成H+與H-。雖然H0對缺陷具有高效鈍化作用，但相對其它兩種價態(tài)，H0總是以一種較低的比例存在。對于p型Si，H0只能在室溫下存在幾納秒時間便電離形成H+。為了獲得良好鈍化作用，需要盡量創(chuàng)造一個有利于H0產(chǎn)生的條件。(a)Donorandacceptorlevelofhydrogeninsiliconbandgap.(b)ThefractionalhydrogenconcentrationofeachchargestatesasafunctionofFermilevelat423K(a)

(b)不同價態(tài)H的濃度分布5H擴散系數(shù)H+擴散系數(shù)1H+擴散系數(shù)2H+擴散系數(shù)2H-擴散系數(shù)D(2H-)=1.68×exp(-0.7eV/kT)cm2/sConyersHerring,Energylevelsofisolatedinterstitialhydrogeninsilicon[J].PHYSICALREVIEWB,2001.H在Si中的擴散系數(shù)6H鈍化Fei的激活能ChangSun，etal.ChargestatesofthereactantsinthehydrogenpassivationofinterstitialironinP-typecrystallinesilicon[J].J.Appl.Phys,2015.H+Fei→Fe0+H+Ea=0.76eVH與3d金屬如V、Ti等的結(jié)合能較小，~2eV，因此當(dāng)溫度升高到200℃以上時，原先結(jié)合形成的H與金屬復(fù)合物TM-H將會發(fā)生分解。如果在冷卻階段H被限制在Si中則可以改善TM-H結(jié)合狀態(tài)。J.Mullins,etal.Recombinationviatransitionmetalsinsolarsilicon:Thesignificanceofhydrogen–metalreactionsandlatticesitesofmetalatoms[J].Phys.StatusSolidiA,2017.H鈍化Fei的激活能78SiNx鈍化膜中的H溢出PART02測試了四種不同Si-N比SiNx膜層在高溫下的H溢出情況。SaharJafari,etal.Compositionlimitedhydrogeneffusionrateofa-SiNx:Hpassivationstack[J].SiliconPV,2019.SiNx膜組成：EvolvingrateofgaseousHydrogenasafunctionofannealingtemperatureforthreetypesofSiNwithvariousN/SiratioscomparedtoastacklayerofSiNcontainingaSitoNgradient.隨著膜層中N比例的提高，H溢出峰值溫度發(fā)生了往高溫方向偏移的結(jié)果，耐高溫性能提升。疊層結(jié)構(gòu)SiNx膜可以降低H溢出量。SiNx中H溢出情況9對高溫處理前后的SiNx膜進行FTIR測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫處理后，膜層中的Si-H鍵與N-H鍵對應(yīng)的振動吸收峰都已經(jīng)消失。H溢出的過程由H擴散與H2表面脫附兩個部分組成：FTIRabsorptionspectraofSi-N,Si-HandN-HstretchingmodebeforeandaftertheeffusionmeasurementforSi-rich,Si~NintermediateandN-richSiNN-H鍵能比Si-H鍵能大，因此N：Si比例高的SiNx膜具有更高的H溢出峰值溫度SiNx在高溫下的Si-H與N-H鍵變化10對高溫處理后的膜層表面進行觀察發(fā)現(xiàn)，富Si、Si-N與富N三種膜層表面出現(xiàn)了局部泡狀破壞點，疊層結(jié)構(gòu)則保持更加良好的外觀。LightmicroscopyimagesperformedbeforeandaftertheeffusionmeasurementSiNx方式H溢出后的表面形貌1112表面鈍化衰減PART03對75nmSiNx:H膜層試樣進行750℃與830℃高溫退火以及5nmAlOx:H/75nmSiNx:H疊層結(jié)構(gòu)進行750℃高溫退火試樣經(jīng)過75℃與0.65suns不同時間處理后對應(yīng)的少子壽命變化情況。對于SiNx:H層來說，在50h的短期時間內(nèi)，750℃溫度下退火獲得比830℃退火試樣更長的壽命。從更長時間變化趨勢看不同退火溫度的壽命變化趨勢相近。5nmAlOx:H/75nmSiNx:H疊層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的長期溫穩(wěn)定性。SiNx:H(red,orange)andoneAlOx:H/SiNx:Hsample(blue)75°Cunderilluminationof~0.65suns.DavidSperber,etal.Instabilityofdielectricsurfacepassivationqualityatelevatedtemperatureandillumination[J].EnergyProcedia,2016.不同退火溫度處理后的鈍化膜壽命衰減13150℃下相對于之前75℃更早發(fā)生少子壽命衰減。SiNx:H膜試樣不同光照下的初始衰減程度不同，但最后趨于相同的狀態(tài)。AlOx:H/SiNx:H結(jié)構(gòu)具有更好的長期穩(wěn)定性。ET-PCDmeasurementsofthreeSiNx:H(red,orange)andoneAlOx:H/SiNx:Hsample(blue)at150°Cunderdifferentilluminationsettings.TheSiNx:Hsampleswereidenticallyprocessed(type2)butfireddifferently.Downwardsymbolsindicateapeakfiringtemperatureof750°C,upwardsymbolsstandfor800°C.溫度與光強對表面鈍化衰減的影響14250℃下衰減曲線變化趨勢一致，其中光照條件下只對最初很短的一段時間的少子壽命有提高作用，之后兩種曲線形成了相近的變化規(guī)律。相對于150℃具備更高的長期穩(wěn)定性。RT-PCDmeasurementsoftheeffectivelifetimeoftwosamplesduringheattreatmentat250°C.Onesamplewaskeptinthedark(black),onewasilluminatedat~1sun(red).溫度與光強對表面鈍化衰減的影響15電荷特性影響：對比了施加電暈電荷充電以及未施加電暈電荷的SiNx:H鍍層試樣壽命測試情況，形成了較吻合的壽命變化曲線。電荷變化并沒有引起曲線的明顯差異。RT-PCDmeasurementoftheeffectivelifetimeofaSiNx:Hsampleduringheattreatmentat250°Cindarkness(black).Aftercoronacharging,effectivelifetimewasmeasuredagain(red).衰減情況分析：不同的鈍化膜結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了相似的壽命衰減特性，退火溫度只對短期衰減行為具有較大影響，但對長期衰減特性影響不大。AlOx:H層能夠增強長期穩(wěn)定性。衰減是由于化學(xué)鈍化作用減弱，不同電荷特性的鍍層表現(xiàn)出了相似的衰減行為。電荷狀態(tài)對表面鈍化衰減的影響16以75nmSiNx鈍化的p型硅進行80℃與150℃下的光照測試發(fā)現(xiàn)，在最初階段都出現(xiàn)了表面復(fù)合電流J0s增大的現(xiàn)象，而150℃條件下測試時達到100h后J0s發(fā)生了減小。B-dopedFZ-Sisample(～1Ω·cm,250μm)waspassivatedwithSiNx:Htreatedat～1sunequivalentillumination.DegradationofSurfacePassivationonCrystallineSiliconandItsImpactonLight-InducedDegradationExperiments[J].IEEEJournalofPhotovoltaics,2017.SiNx中H溢出情況17由10nmSiOx與75nmSiNx組成的疊層結(jié)構(gòu)鈍化不同Si表面后，在80℃下進行1sun光照測試發(fā)現(xiàn)表面復(fù)合電流J0s逐漸增大。EvolutionofJ0sofsamplesmadeofdifferentFZ-Sibasematerialandtreatedat80°Cand～1sunequivalentillumination.Allsamples(thickness250μm)wereprocessedidenticallyandpassivatedwithSiOx/SiNx:H.SiNx中H溢出情況18由10nmAlOx:H與75nmSiNx:H組成的疊層結(jié)構(gòu)鈍化p型Si表面后，在80℃下進行1sun光照測試發(fā)現(xiàn)表面復(fù)合電流J