《炬丰科技-半导体工艺》晶体硅太阳能电池应用的HF化学钝化研究

书籍：《炬丰科技出版的半导体工艺相关内容》
文章：关于晶体硅太阳能电池应用HF化学钝化的研究
编号：JFKJ-21-969
作者：作为专业的科技创新企业炬丰科技

引言

最近, 作为可再生能源, 太阳能电池在全球范围内得到了广泛推广。它是一种无污染且半永久性的装置, 用于将太阳能转化为电能, 其发展潜力备受关注。在各种太阳能电池中, 晶体硅太阳能电池占据了整个市场的80%以上, 占据了太阳产业的核心地位。根据预测, 这种晶体硅太阳能电池的发展阶段将持续一段时间。可以说, 提高效率并降低制造成本是太阳能电池产业的关键目标之一。为了减少光的表面反射损失, 开发了表面组织和反光膜技术, 并采取了防反射膜来防止背面电子-专业对团聚损失而导致的背面电场问题, 同时也提高了短波长区域光能的吸收率。在表面钝化的过程中, 减少晶体硅片表面存在的dangling bonds等缺陷至关重要。对于HF化学钝化的案例而言, 由于晶圆表面存在的dangling bonds等键中的氢种团的存在, 预期会产生良好的钝化效果。Si3N4膜通过减少dangling bonds等缺陷、固定电荷(fixed positive charge)电场效应以及减少团聚等因素的应用而被广泛研究或采用作钝化前/后的薄膜材料。本文采用了基于载流子寿命(carrier lifetime)的变化来测量N型硅片经过化学HF处理后的效果。

实验

表1列出了本研究中所采用的实验方法。样品经过四等分法处理后使用了无电阻3-5ωCM膜层（DHF）、厚度为500-550 m的N型单晶硅基板（100面）并进行了4英寸尺寸化处理。基本清洗工艺采用RCA方法实施。为了完成HF处理过程，在水溶液中将H2O稀释并引入HF溶液中（通过DHF稀释），并在常温条件下进行该操作以获得最佳效果。随后，在室温下持续通入HF溶液一段时间后测量样品寿命（lifetime）。经过HF处理后将样品置于空气中一定时间以观察其暴露时间对lifetimes的影响，并进一步通过超纯水研磨确认了该因素下的lifetimes变化情况；同时通过沉积SiNX薄膜验证了不同钝化工艺对lifetimes的影响变化过程

结果和讨论

高频处理相关影响分析

初始样品表面显示出因性沉积SiNx膜而产生的额外出现的氢端效应。通过调节HF处理时间来优化样品表面形成稳定的H-Si界面并随后沉积SiNx膜。当早期样品表面形成的H-键数目（H-Si键数目）越少时，则可观察到由SiNx膜引起的单质态H对材料性能的影响越大。具体而言，在HF处理过程中形成的较低水平H-Si键数目表明，在使用较薄且具有较高致密性的SiNx薄膜时能够获得较长寿命（lifetime）。然而，在HF处理导致高程度H-Si键数目形成的情况下，则会观察到由于SiNx薄膜沉积而导致寿命显著下降的现象；这是因为硅前体分子与表层H原子之间形成的键合物在Si-Nx薄膜生长过程中逐渐解体并释放出游离态H原子所致

通过HF处理样品并加入超纯LINSINING与SiNx膜沉积前进行 lifetime变化观察。将DHF溶液（由等量体积的HF与H2O混合而成）持续接触样品5秒后，在随后进行两分钟的研磨过程可观察到明显的 lifetime下降趋势这一现象的主要原因包括氢气解吸作用以及其他潜在因素的影响。在rinsing过程中导致表面氢纵断面显著减少这一现象使得在后续SiNx薄膜沉积过程中出现 hydrogen end effect 的几率相应增加

总结

本研究通过增加n型硅片的表面处理效率而延长了其使用寿命。采用HF作为钝化剂进行化学处理以去除样品表面的氧化物层。 HF处理产生的氢端效应导致样品的寿命提升。值得注意的是，在HF处理过程中若持续时间过长会导致样品寿命下降。将经HF钝化的样品置于空气中暴露时会与氧气发生反应生成氧化膜，并伴随氢原子的解吸过程从而进一步缩短其寿命。若同时进行HF钝化和SiNx薄膜沉积，则与仅进行HF钝化的情况相比可获得更高的样品寿命。