Front side passivation of monocrystalline silicon solar-cells by SiNx plasma enhanced chemical vapor deposition

In recent years, there have been great efforts to improve the efficiency of PERC (passivated emitter and rear cells) solar cells. One of the key aspects in improving the efficiency is to improve the front side of the solar cells by decreasing the dark saturation current of the passivated emitters [1]. Within the scope of this thesis, the quality of passivation with different available process flows on various emitters is investigated and the recombination current in the emitter region is compared. The main aim of this thesis is to reach emitter saturation current densities J_0e as low as 30 fA/cm2. For the realization of this goal, two different approaches are taken. For the first approach, a group of two specified emitters is planned, then through various emitter etch back variations and applying various passivation layers, the quality of passivation layers and emitter saturation current densities are analyzed by J_0e calculation. For the second approach, four different emitters through various process parameters are formed. Then, by applying SiNx passivation layers on them, the quality of passivation layer on the emitter site was analyzed by emitter saturation current density. For the first approach, using emitter etch back, the influence of different etching variation time on two types of emitters with high and low sheet resistance are analyzed and investigated. Emitter etch back processes, which remove surface-near silicon, are performed with HF/Persulfate. For the selection of a suitable emitter etch back process time, Four Point Probe (4PP) sheet resistance measurements are used. For the characterization of the recombination after the etch processes, symmetrical J_0e samples are fabricated. The lowest J_0e value achieved is 30 fA/cm2 which is about 10 fA/cm2 lower compared to samples without etch back. In the second approach, four different types of emitters with various process flow parameters are diffused into the wafers. The diffusion process parameters, i.e., phosphosilicate glass (PSG) deposition temperature (Tdep), the dopant deposition time (tdep), drive-in temperature (Tdrive-in) and drive-in time duration into silicon substrate (tdrive−in) are varied to understand their influences on the formation of the phosphorus concentration and emitter depth profile. After applying the passivation layers, the quality of passivation layers is analyzed by J_0e. For both groups, characterization processes such as electrochemical capacitance voltage technique (ECV), emitter sheet resistance measurement with four point probe, effective charge carrier lifetime measurement using quasi steady state photoconductance (QSSPC), and photoluminescence (PL) are used to investigate the emitters formed on wafers. For the characterization of the passivation layers, Ellipsometry spectroscopy, reflection measurement analysis and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) are used.

Negli ultimi anni, ci sono stati grandi sforzi per aumentare l'efficienza delle celle solari PERC (emettitore passivato e celle posteriori). Uno degli aspetti fondamentali per migliorare l'efficienza è quello di migliorare il lato anteriore delle celle solari diminuendo la corrente di saturazione scura degli emettitori passivati. Nell'ambito di questa tesi, viene studiata la qualità della passivazione con diversi flussi di processo disponibili su diversi emettitori e viene confrontata la corrente di ricombinazione nella regione dell'emettitore. L’obiettivo principale di questa tesi è raggiungere le densità di corrente di saturazione degli emettitori fino a 30 fA/cm2. Per la realizzazione di questo obiettivo, sono stati utilizzati due diversi metodi. Per il primo approccio, è stato pianificato un gruppo di due emettitori specificati, poi con diverse variazioni dell’incisione dell'emettitore e l'applicazione di vari strati di passivazione, la qualità degli strati di passivazione e le densità di corrente di saturazione dell'emettitore vengono analizzate con il calcolo J_0e. Per il secondo approccio sono stati creati quattro diversi emettitori attraverso vari parametri di processo. Poi, applicando su di essi gli strati di passivazione SiNx, la qualità dello strato di passivazione sul sito dell'emettitore è stata analizzata per densità di corrente di saturazione dell'emettitore. Per il primo approccio, utilizzando l’incisione dell’emettitore, viene analizzata e studiata l'influenza dei diversi tempi di variazione dell'incisione su due tipi di emettitori con alta e bassa foglio resistenza. I processi di incisione dell’emettitore, che rimuovono il silicio superficiale, vengono eseguiti con HF/Persolfato. Per la selezione del tempo adatto per l'incisione dell'emettitore, vengono utilizzate le misure di resistenza del foglio della Four Point Probe (4PP). Per la caratterizzazione della ricombinazione dopo i processi di incisione, vengono fabbricati campioni simmetrici. Il valore più basso raggiunto è 30 fA/cm2 che è circa 10 fA/cm2 più basso rispetto ai campioni senza etch back. Nel secondo approccio, quattro diversi tipi di emettitori con vari parametri di flusso di processo sono diffusi nei wafer. I parametri del processo di diffusione, cioè la temperatura di deposizione del vetro fosfosilicato (PSG), la temperatura di deposizione del fosfosilicato (tdep), il tempo di deposizione del dopante (Tdep), la temperatura di drive-in (Tdrive-in) e la durata del tempo di drive-in nel substrato di silicio (Tdrive-in) sono variati per comprendere le loro influenze sulla formazione della concentrazione di fosforo e sul profilo di profondità dell'emettitore. Dopo aver applicato gli strati di passivazione, la qualità degli strati di passivazione viene analizzata da J_0e. Per entrambi i gruppi, le tecniche di caratterizzazione come la tecnica della tensione di capacità elettrochimica (ECV), la misura della resistenza del foglio dell'emettitore con la sonda a quattro punti (4PP), la misura della durata di vita effettiva del portatore di carica usando la fotoconduttanza a stato quasi stazionario (QSSPC), e la fotoluminescenza (PL) sono utilizzate per indagare gli emettitori formati sui wafer. Per la caratterizzazione degli strati di passivazione, sono utilizzate la spettroscopia ellissometrica, l'analisi della misura in riflessione e la spettroscopia all'infrarosso con trasformata di Fourier (FTIR).