Development of anti-reflection coating, optical and surface passivation layers for the front side of monocrystalline silicon solar cells

In the context of renewable energy and preserving the natural resources, within the last decades many advances occurred in photovoltaic technology as a perpetual way of harvesting solar energy by converting solar irradiance to electricity. Abundance of silicon substance in the earth makes it a priority choice as an industrially recognized class of material in developing PV technology. Many technological approaches developed so far, in order to increase the efficiency of solar cells. One of the well-established technologies among PV community is introducing a coating layer, which has dual capability of harvesting the solar irradiance with minimizing the high surface recombination and reflectance of silicon surface (faced to the solar radiation). This coating acts as both anti-reflection coating (ARC) and passivation layer at the surface of cut and cleaned silicon substrate. The passivation layer is advantageous for decreasing the surface recombination by saturating dangling bonds, which makes the surface inactive in terms of trapping sites (chemical passivation). A dielectric for this purpose can be deposited on the surface of the solar cells with good antireflection property and passivation quality. This dielectric is formed such that reduce conductance of both electron and holes while generating a field effect passivation based on amount of fixed charges close to the interface of the Silicon substrate and pushing further away generated minority carriers from the surface. The best candidate material fulfilling both of these properties is SiNx:H layer, which can be deposited on top of the silicon wafers by plasma enhanced chemical vapor deposition techniques (PECVD). There are many technological advancement in PECVD based on plasma technology however, one of the well-established and competitive ways of developing hydrogenated silicon nitride is using linear microwave source of plasma, which provide a cylindrical plasma environment above the target substrate and based on plasma chemistry and reactions between initial precursors. Industrially recognized precursors, silane (SiH4) and ammonia (NH3) are desired to develop an ARC layer, which due to the nature of ammonia as a source of nitrogen and hydrogen have the capability to be charged positively during plasma reactions. Thus, introducing effective positive charge if they migrate close to the interface of Si/SiNx:H known to be effective up to 20 nm above the interface within the SiNx:H bulk. The main open issue tried to be discussed in this thesis is better understanding the mechanisms of passivation and attempt to maintain optimum ARC property. Several industrially well-known approaches carried on developing SiNx layers. However, the scope of understanding the layer performance in non-stoichiometric ratios is not clearly understood and the level of understanding the correlation of the effective deposition parameters, are limited by processing window or deposition techniques. The aim of the thesis is to better understand the mechanism of interface passivation and understand the role of processing parameter on composition of the layers, which led to high, or low quality surface passivation and ARC. This processed layers better investigated and characterized after post processing fast firing to study hydrogen migration. In this thesis, processing parameters involved in developing SiNx:H layer examined by using one of the cost efficient and robust deposition techniques known as Microwave Plasma enhanced chemical vapor deposition (MWPECVD). The developed layers characterized and material constants such as optical properties of the layer measured by means of variable angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE) to in order to find refractive index (n) and extinction coefficient (k) which give us the ability to also investigate optical band gap E04 for absorption 104 cm-1. Furthermore, with compositional analysis using FTIR we measured the absorption spectrum of the layer in infrared region, analyzing the vibration frequency in different back bone configuration by study the vibration modes in hydrogenated silicon nitride and calculating the bond density of the desired [Si-N],[Si-H] and [N-H] bonds. Afterward we analyze the passivation property of developed layers with main characterization tools of Quasi Steady State Photo Conductance (QSSPC) and Corona Oxide Characterization Of Semiconductors (COCOS) measurement to detect minority carrier lifetime and surface recombination velocity at the interface of silicon nitride with the QSSPC. Then, by COCOS tool, we measure the interface trap density followed by total fixed charge accumulation in or on the dielectric. This investigation procedure was applied before and after fast firing process in atmospheric condition. It is found that pressure variation has main effect in density of the films as well as level of homogeneity of the layer. Increasing the pressure led to densification of the layers and the chance of secondary radicalization of silane, which is the consequence of increasing the collision rate of particles in the processing zone and this is shown by increasing Si-N bond density as well as mass density increase from 0.2 to 0.25 mbar. In terms of passivation quality (lifetime of the minority carriers) it is observed that hydrogen loss during a subsequent high-temperature step (firing) can be beneficial for samples prepared at low deposition temperature or detrimental for high deposition temperature. The development of a Si-rich nitride layer addressed by finding a compromise between optimum passivation and anti-reflection with refractive index near 2. This investigation mainly focused on p-type symmetrically coated layers which shows us hydrogen passivation mechanism that are effective as well as confirming dominance of hydrogen diffusion over plasma chemistry in hydrogen passivation after fast firing for the optimum processing window in developed Si-rich layers with partially open structure and low deposition temperature We report additionally open route for future direction of this work, in developing ARC layers with MWPECVD that if can be done effectively opening a route for focusing on anti-reflection property by developing an interface oxidation zone, which could enhance the surface passivation without concern of passivation quality of the entire ARC layer. The qualitative study on this matter was investigated and reported in the appendix V

Nel contesto delle energie rinnovabili e preservando le risorse naturali, negli ultimi decenni molti progressi sono stati verificati nella tecnologia fotovoltaica come un modo perpetuo di raccogliere l'energia solare convertendo l'irradiamento solare in elettricità. L'abbondanza di sostanza siliconica nella terra ne fa una scelta prioritaria come una classe di materiale riconosciuta industrialmente nello sviluppo della tecnologia fotovoltaica. Molti approcci tecnologici sono stati sviluppati fino ad ora, al fine di aumentare l'efficienza delle celle solari. Una delle tecnologie consolidate tra la comunità fotovoltaica sta introducendo uno strato di rivestimento, che ha il doppio della capacità di raccogliere l'irradiamento solare riducendo al minimo la ricombinazione superficiale alta e la riflettanza della superficie del silicio (di fronte alla radiazione solare). Questo rivestimento funge sia da rivestimento antiriflesso (ARC) che da strato passivante sulla superficie del substrato di silicio tagliato e pulito. Lo strato di passivazione è vantaggioso per diminuire la ricombinazione superficiale saturando i legami che penzolano, rendendo la superficie inattiva in termini di siti di intrappolamento (passivazione chimica). Per questo scopo un dielettrico può essere depositato sulla superficie delle celle solari con proprietà antiriflesso e qualità di passivazione buone. Questo dielettrico è formato in modo tale da ridurre la conduttanza di entrambi gli elettroni e i buchi generando una passivazione di effetto di campo basata sulla quantità di cariche fisse vicino all'interfaccia del substrato di silicio e spingendo più lontano i portatori di minoranza generati dalla superficie. Il miglior materiale candidato che soddisfa entrambe queste proprietà è lo strato SiNx: H, che può essere depositato sopra i wafer di silicio mediante tecniche di deposizione chimica in fase vapore (PECVD). Ci sono molti progressi tecnologici in PECVD basati sulla tecnologia di plasma, tuttavia, uno dei metodi consolidati e competitivi per lo sviluppo di nitruro di silicio idrogenato utilizza la sorgente di plasma a microonde lineare, che fornisce un ambiente al plasma cilindrico sopra il substrato target e basato sulla chimica del plasma e reazioni tra precursori iniziali. Precursori industrialmente riconosciuti, silano (SiH4) e ammoniaca (NH3) sono desiderati per sviluppare uno strato ARC, che a causa della natura dell'ammoniaca come fonte di azoto e idrogeno hanno la capacità di essere caricati positivamente durante le reazioni al plasma. Quindi, introducendo una carica positiva efficace se migrano vicino all'interfaccia di Si / SiNx: H noto per essere efficace fino a 20 nm sopra l'interfaccia all'interno del SiNx: H bulk. In questa tesi abbiamo sviluppato strati di SiNx: H per mezzo di Microonda Plasman ha enahanced la deposizione chimica da vapore (MWPECVD) e caratterizza le costanti del materiale come le proprietà ottiche dello strato mediante l'ellipometria spettroscopica ad angolo variabile (VASE) per pilotare proprietà del materiale come l'indice di rifrazione (n) e il coefficiente di estinzione (k) che danno la capacità di studiare anche il gap di banda ottica E04 per l'assorbimento di 104 cm-1. Inoltre, con l'analisi composizionale mediante FTIR, lo spettro di assorbimento dello strato nella regione dell'infrarosso è stato misurato, analizzando la frequenza di vibrazione in diverse configurazioni dell'osso posteriore studiando i modi di vibrazione in nitruro di silicio idrogenato e calcolando la densità di legame del desiderato [Si-N] , [Si-H] e [NH] legami. Successivamente analizziamo la proprietà di passivazione dei strati sviluppati con gli strumenti principali di caratterizzazione della misurazione della conduttanza di stato quasi stazionario (QSSPC) e di ossido corona (COCOS) per rilevare la vita del portatore minoritario e la velocità di ricombinazione superficiale all'interfaccia del nitruro di silicio; con il QSSPC. .Quindi, con lo strumento COCOS, misuriamo la densità della trappola dell'interfaccia seguita dall'accumulo di carica fissa totale nel dielettrico o sul dielettrico. Questa procedura investigativa è stata investigata prima e dopo il processo di cottura rapida in condizioni atmosferiche. Il principale problema aperto cercato di essere discusso in questa tesi è una migliore comprensione dei meccanismi di passivazione e tentativo di mantenere le proprietà ottimali ARC mentre si genera uno strato con buona passivazione superficiale al fine di aumentare la durata dei portatori minoritari generati dopo l'illuminazione del sole. Mentre molti approcci industrialmente noti hanno continuato a sviluppare strati SiNx, non esiste ancora un metodo standard per lo sviluppo di questo strato ARC. In questa tesi, abbiamo cercato di esaminare i parametri di elaborazione coinvolti nello sviluppo di questo strato e di trovare la correlazione tra loro concentrandosi su una delle tecniche di deposizione efficiente e robusta di (MWPECVD). Si è riscontrato che la variazione della pressione ha l'effetto principale nella densità dei film così come il livello di omogeneità del livello. L'aumento della pressione ha portato alla densificazione degli strati in quanto aumenta la collisione delle particelle e ciò è dimostrato dall'aumento della densità del legame Si-N e dall'aumento della densità di massa da 0,2 a 0,25 mbar. In termini di qualità di passivazione e tempo di vita dei portatori minoritari si osserva che la perdita di idrogeno può essere vantaggiosa per bassa temperatura di deposizione o dannosa per alta temperatura di deposizione. Adempiamo allo sviluppo di uno strato di nitruro Si-ricco trovando un compromesso tra passivazione ottimale e anti -Riflessione con indice di rifrazione vicino a 2. Questa indagine si concentra principalmente su strati simmetricamente rivestiti di tipo p che ci mostra meccanismo di passivazione dell'idrogeno che è efficace oltre a confermare la dominanza della diffusione dell'idrogeno rispetto alla chimica del plasma nella passivazione dell'idrogeno dopo la cottura rapida per la finestra di elaborazione ottimale in strati ricchi di Si sviluppati con struttura parzialmente aperta e bassa temperatura di deposizioneSi segnaliamo inoltre un percorso aperto per la direzione futura di questo lavoro, nello sviluppo di strati ARC con MWPECVD che se può essere fatto in modo efficace aprendo un percorso per concentrarsi sulla proprietà anti-riflesso sviluppando un zona di ossidazione dell'interfaccia, che potrebbe migliorare il passaggio di superficie sivazione senza preoccuparsi della qualità di passivazione dell'intero strato ARC. Lo studio qualitativo su questo argomento è stato studiato e riportato nell'appendice V