PDMS treatment for a-Si:H passivation of wafers bonded to glass

The International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) foresees a decrease in silicon solar cell thicknesses by 2024. Thin wafers are more flexible and fragile than thick wafers, hence solutions for safe handling during processing are being currently investigated. IMEC proposes the concept of “i2-module”, i.e. a a-Si:H/c-Si heterojunction interdigitated back-contact (HJ i-BC) solar cell where thin wafers are first front-side processed and bonded to the module glass with a silicone-based adhesive prior to rear-side processing at the module-level. In the i2-module the presence of Poly-DiMethylSiloxane (PDMS) as bonding agent strongly degrades the passivation quality of the wafer during the step of a-Si:H layer deposition: small molecules of PDMS are incorporated in the growing layer, acting as sources of carriers recombination. For this reason, different solutions have been developed to limit the influence of PDMS on the a-Si:H passivation process, with these involving changes in the wafers/silicone/glass geometry, introduction of additional outgassing steps and PDMS oxidation by Oxygen plasma. This thesis will focus on the study of the PDMS-plasma interaction, considering the main mechanisms involved in such interaction (ion bombardment, VUV radiation, radical species) and to which extent they contribute to avoiding contamination in the a-Si:H passivation layer. During the investigation Oxygen plasma, Argon plasma and VUV-UV light emission by UV-lamp were exploited for PDMS oxidation, whereas Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR), Wet Contact Angle (WCA), Quasi Steady State Photo-Conductance (QSSPC), X-rays Photoelectron Spectroscopy (XPS), Ellipsometric measurements together with optical Microscopy observation were carried out for PDMS characterization. According to the obtained results, despite the minor role of the oxygen radical species, the combined effect of ion bombardment and VUV-UV radiation proved to be effective for the formation of a barrier against polymer outgassing, and their efficacy strictly depends on the process parameters. Finally, an optimization of the PDMS-treatment process step is proposed for further implementation into the “i2-module” process flow.

Nel prossimo decennio è prevista una continua espansione del mercato del fotovoltaico insieme ad una costante riduzione degli spessori di silicio per offrire celle solari ad alta efficienza e basso costo. I wafers a basso spessore tuttavia sono più fragili e richiedono soluzioni affinché essi siano più facili da maneggiare e più facilmente implementati nel processo produttivo senza perdite di efficienza e materiale. IMEC propone il concetto di “i2-module”, ovvero una cella solare ad etero-giunzione a-Si/c-Si in cui un sottile wafer di 40 µm è supportato durante tutte le fasi del processo da un substrato che ne impedisce la rottura. Il wafer è processato da un lato, quindi fatto aderire ad un modulo di vetro tramite un agente incollante a base di silicone ed infine processato dal lato posteriore fino all’interconnessione delle celle e l’incapsulamento finale. La presenza di polidimetilsilossano (PDMS), l’agente incollante più adatto per tale dispositivo, rappresenta tuttavia una sorgente di contaminazione nella fase di passivazione del wafer mediante la deposizione di silicio amorfo in fase di plasma (PECVD). Per risolvere tale incompatibilità tra silicone e processo di passivazione sono state sviluppate diverse tecniche, tra le quali la formazione di uno strato protettivo sulla superficie del PDMS tramite Reactive Ion Etching (RIE) in plasma di ossigeno, efficace nel creare una barriera contro l’evaporazione e lo sputtering di molecole di PDMS durante il processo di PECVD. Il lavoro di tesi è centrato sullo studio dell’interazione plasma-polimero considerando i tre meccanismi principali agenti nel plasma (bombardamento ionico, radiazione UV, specie reattive) e in quale misura contribuiscono alla formazione dello strato protettivo. Il polimero è quindi esposto a plasma di ossigeno, plasma di argon e lampada a raggi UV e in seguito caratterizzato tramite spettroscopia IR a trasformata di Fourier (FTIR), misure dell’angolo di contatto (WCA), spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), ellipsometria e osservazioni al microscopio ottico. La qualità dello strato di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) utilizzato per la passivazione del wafer è cruciale per l’efficienza della cella, ed è valutato tramite misure di foto-conduttanza (QSSPC) e foto-luminescenza (PL). In base ai risultati ottenuti è emerso il ruolo trascurabile dei radicali di ossigeno mentre è invece risultata determinante l’azione combinata di bombardamento ionico e irraggiamento UV nonché l’appropriata selezione dei parametri di processo. Infine viene proposta un’ottimizzazione del processo per una successiva applicazione nel ciclo produttivo della cella “i2-module”.