Джерело: atomiclimits.com
Є багато речей, щоб сказати (і пояснити) про зростання PERC та його виробничий процес, і це те, що я поки що залишу для іншого повідомлення в блозі. Але очевидно одне, що також чітко зазначено у звіті: «Ключем до виробництва PERC є пасивація ззаду, тоді як одностайним обраним для цього матеріалом є оксид алюмінію, який можна наносити за допомогою машин PECVD, добре відомих із застосування нітриду кремнію або інструментів атомного шару (ALD)". Я хочу підключитися до цього аспекту, оскільки наші дослідження в Ейндговенському технологічному університеті значною мірою сприяли дослідженню пасивації поверхні Ал2O3(ALD та PECVD), до дослідження фундаментальних аспектів та властивостей матеріалів, що лежать в основі високого рівня пасивації поверхні, а також до демонстрації Al2O3в сонячних елементах.
Я думав про вирішення деяких важливих аспектів Ал2O3поверхневої пасивації та процесів її осадження, але потім я згадав, що записав багато з цих аспектів у 2011 році, готуючи доповідь до конференції для 21-го семінару NREL з кристалічних кремнієвих сонячних елементів &; Модулі: Матеріали та процеси, організовані в Брекенрідж Колорадо в 2011 році. Мене запросили на цю конференцію (щороку, див.https://siliconworkshop.com), тому що наша робота над Ал2O3привернув багато уваги до того часу. Перечитавши доповідь конференції, я виявив, що багато аспектів, описаних у доповіді, все ще зберігаються і були досить передбачувальними. Тому я вирішив скопіювати текст цілої статті нижче і просто додати до неї невеличкі коментарі. До речі, стаття базувалася на 10 запитаннях, відповіді яких мали б добре уявити про “перспективи використання Al2O3для високоефективних сонячних елементів”, Оскільки це була назва статті.
Тут я хотів би додати, що я також виступив з пленарною доповіддю в25гоЄвропейська конференція та виставка сонячної енергіїу Валенсії в 2010 р. Це було в той час, коли інтерес до Ал2O3у промисловості сонячних батарей справді почав зростати. Я записав цю презентацію, і ви можете її прослухатитут. Це має дати вам короткий огляд усіх відповідних аспектів, пов'язаних з Ал2O3через 20 хв. Більше того, я хочу зазначити, що набагато більше інформації міститься в оглядовій роботі, яку ми з колишнім аспірантом писали у 2012 році:Стан та перспективи Ал2O3схеми пасивації поверхні на основі кремнієвих сонячних елементів(посилання). Якщо ви залучені або зацікавлені в Al2O3для сонячних елементів це, мабуть, потрібно прочитати.
Нарешті, я хочу зазначити, що з цих днів сталося багато речей, але, як уже говорилося, незабаром це буде розглянуто в іншому дописі в блозі!
Доповідь 21-го семінару з кристалічних кремнієвих сонячних елементів& Модулі: Матеріали та процеси - Брекенрідж Колорадо - 2011 *
Огляд перспектив використання Al2O3для високоефективних сонячних елементів
Ал2O3це матеріал, який швидко набув популярності в останні роки як тонкоплівковий пасиваційний матеріал для фотоелектричних систем c-Si (PV). У цьому вкладі буде розглянуто десять питань, які можуть існувати у спільноті сонячних батарей.
1) - Пасивація поверхні Ал2O3, що за історія?
Вже в 1989 р. Хезель та Йегер повідомляли про пасиваційні властивості Al2O3плівки, приготовані піролізом [1]. Хоча ця стаття повідомляє про дуже цікаві властивості матеріалу з точки зору пасивації поверхні c-Si (наприклад, наявність високої щільності негативних зарядів), інтерес до a-SiN був більшийx: H тонкі плівки на той час, і матеріал залишався в основному непоміченим у фотоелектричній спільноті. Однак це змінилося приблизно в 2005 р., Коли дослідницькі групи в IMEC [2] та Ейндговенському технологічному університеті (TU / e) [3] показали, що Al2O3плівки, приготовані методом осадження атомним шаром (ALD) - особлива форма хімічного осадження паром (CVD) [4] - призводять до чудових рівнів поверхневої пасиваціїn-тип іp-типу c-Si. Після цих первинних звітів інтерес до Ал2O3швидко зростав, особливо коли було продемонстровано, що Ал2O3також призводить до чудової пасиваціїp+-поверхні [5] та після звітування про характеристики сонячних елементів, в яких Al2O3був вбудований для пасивації задньої та передньої бічних поверхоньp-тип [6] таn-тип [7] сонячні елементи.
2) - Які основні властивості матеріалу Al2O3плівки, що використовуються для пасивації Si?
Ал2O3являє собою діелектрик із широким діапазоном діапазону (~ 8,8 еВ для сипучих матеріалів), який складається у різних кристалічних формах. Однак для пасиваційних шарів аморфний Al2O3плівки використовуються з дещо меншим зазором (~ 6,4 еВ) і з показником заломлення ~ 1,65 при енергії фотона 2 еВ. Отже, плівки повністю прозорі в області довжини хвилі, що цікавить сонячні елементи. Плівки зазвичай досить стехіометричні (співвідношення [O] / [Al]=~ 1,5), хоча у плівці може бути незначний надлишок O. Коли плівки готуються методами CVD, плівки також демонструють низький вміст водню (зазвичай 2-3 ат.%), І цей водень здебільшого пов'язаний з (надлишком) O як –OH групи. Однак було помічено, що чудові пасиваційні властивості не залежать суттєво від Al2O3такі властивості, як стехіометрія та чистота матеріалу [8]. Вміст водню в Al2O3Однак плівки виявляються дуже важливими для хімічної пасивації c-Si, отриманого з Al2O3фільми. Це також стосується міжфазного шару SiOx(Товщиною 1-2 нм), який (завжди) утворюється між Al2O3та Si при застосуванні методів, заснованих на ССЗ [3,9].
Показник заломлення n та коефіцієнт екстинкції k 30 нм Al2O3плівка, депонована ALD[10].
3) - Які методи можна використовувати для приготування Ал2O3тонкі плівки?
Ал2O3плівки для пасивації поверхні c-Si осадили за допомогою теплового та плазмового ALD із використанням Al (CH3)3дозування попередника разом з різними джерелами окислювачів (H2O, O3і O2плазма) [8,11]. ССЗ із посиленням плазми (PECVD, від Al (CH3)3та N2O або CO2суміші) також був використаний для депонування Al2O3[8,12,13], а також техніка фізичного нанесення пари (PVD) розпиленням [14]. У перші дні (1989) Хезел та Йегер використовували піроліз Al (OiPr)3для осадження Ал2O3які були першими результатами на Ал2O3на основі пасивації c-Si, про яку коли-небудь повідомлялося [1]. Також золь-гелеві процеси досліджували щодо Al2O3синтез для пасивації c-Si [15,16]. У всіх цих випадках відпал плівок при ~ 400 ° С є корисним або навіть необхідним для досягнення високого рівня пасивації поверхні.
Різні конфігурації реакторів для теплового ALD: (a) однопластовий реактор, (b) періодичний реактор та просторовий реактор ALD. У (а) і (б) цикли ALD проводяться в часовій області, а в (в) цикли ALD проводяться в просторовій області[17].
4) - Що робить Ал2O3настільки унікальний для поверхневої пасивації?
Для поверхонь Si можна розрізнити два механізми пасивації. Перший механізм - це зменшення щільності стану інтерфейсуDцена поверхні Si, наприклад, через пасивування атомами Н зв’язаних Si зв’язків. Цей механізм називають «хімічною пасивацією». Другий механізм - зменшення щільності міноритарних носіїв заряду, присутніх на поверхні Si через вбудоване електричне поле на поверхні. Цю так звану "пасивацію польових ефектів" можна досягти за допомогою легуючих профілів або за допомогою фіксованих зарядівQfприсутній у тонкій плівці, нанесеній на Si. Чудова пасивація Ал2O3зазвичай є комбінацією обох механізмів.
Той факт, що Ал2O3може містити дуже високу щільність (до 1013см-3) знегативнийзаряди робить матеріал унікальним [18]. Майже майже всі інші матеріали (зокрема SiO2і a-SiNx: H) містять позитивні фіксовані заряди і з меншою щільністю. Для Ал2O3фіксовані заряди розташовані на межі розділу між Al2O3і міжфазний SiOxна Si [19]. Крім того, цікаво відзначити, що щільність нерухомих зарядів в Al2O3залежить від способу приготування Al2O3.Для плівок, приготовлених за допомогою плазмових ALD та PECVD, як правило, більшеQfвиявляється як для плівок, приготовлених термічним ALD. У подальшому випадку відмінний рівень пасивації в основному можна віднести до низькогоDцерівень.
Другий ключовий аспект Ал2O3, аспектом, якому до цього часу приділялося менше уваги, є той факт, що Ал2O3також діє ефективний резервуар водню, що забезпечує подачу водню до розділу Si під час термічної обробки (під час відпалу та під час випалу). Це нещодавно було однозначно встановлено [9] і пояснює той факт, що такий чудовий рівень хімічної пасивації може бути досягнутий за допомогою Al2O3плівки, або нанесені безпосередньо на Si, що закінчуються Н, або на Si, що містять наплавлений SiOxшар (наприклад, PECVD або ALD), який сам по собі пасивує відносно погано (тобто, коли відсутність Al2O3нанесений покривний шар) [20].
Швидкість поверхневої рекомбінації Seff, максдля плазмової та термічної ALD Al2O3плівки як функція густини коронного заряду, що осідає на Al2O3. Цей графік показує, що обидві плівки містять фіксовану негативну щільність заряду, але з меншим зарядом у зразку теплової ALD. Теплова ALD має вищий рівень хімічної пасивації, що виявляється нижчим значенням Seff, максв точці, де фіксовані заряди компенсуються зарядами корони.
Примітка 2018:Недавні подальші дослідження пасивації поверхонь кремнію різними оксидами металів показали, що багато з цих оксидів металів є діелектриками із негативним зарядом, наприклад, HfO2, Ga2O3, TiO2, Nb2O5тощо
5) - Яка ефективність сонячних елементів (промислового типу) з Al2O3?
Враховуючи ентузіазм щодо Ал2O3всередині PV-спільноти [21,22], дуже ймовірно, що ефективність сонячних елементів, що містять Al2O3шари пасивації широко випробовуються. Однак, оскільки це стосується цінної та власної інформації для фотоелектричних компаній, результати цих тестів не розголошуються або явно не повідомляються як такі. Перші результати на сонячних елементах з Al2O3однак поставили сцену і мали вирішальне значення для ініціювання інтересу фотоелектричної галузі. Повідомлялося про перші результати сонячних елементівpклітини PERC-типу, в яких ALD Al2O3використовувався для пасивації задньої поверхні, як одношаровий, так і в штабелі в поєднанні з PECVD-SiOx(співпраця ISFH - TU / e) [6]. Найкраща ефективність у цьому першому звіті становила 20,6%, а в подальших роботах для подібних сонячних елементів була отримана ефективність 21,5% [13]. Іншим важливим раннім досягненням стала ефективність 23,2% дляnклітини PERL-типу, в яких ALD Al2O3у поєднанні з PECVD a-SiNx: H використовували для пасивації передньої поверхні (співпраця Fraunhofer ISE - TU / e) [7]. На більш пізньому етапі для цього виду сонячних елементів було досягнуто ефективності 23,5% [23]. Про інші результати сонячних елементів повідомляють ITRI [24], ECN [25] та Університет Констанца [26].
Сонячний елемент PERL з Si-базою n-типу та шаром пасивації лицьової поверхні Al2O3(30 нм) разом з a-SiNx: H (40 нм) антивідбивне покриття[7].
Примітка 2018:Очевидно, промисловий прорив Ал2O3був у технології PERC.
6) - Які вимоги до плівки та умов обробки?
Багато технічних питань потребують вирішення для того, щоб впровадити Al2O3в сонячних елементах. Відповіді на ці питання, очевидно, залежать від типу та конфігурації сонячних батарей, але деякі загальні уявлення були отримані в результаті досліджень, проведених за останні кілька років. Встановлено, що для плівок, нанесених ALD, мінімальна товщина становить 5 нм та 10 нм для плазмової та теплової ALD відповідно [27]. Очікується, що відмінність відбуватиметься через меншу важливість пасивації польових ефектів за допомогою теплового ALD. Оптимальна температура осадження знаходиться в межах 150-250oC [8]. Хоча рівень пасивації не дуже чутливий до температури осадження, оптимальним є хімічна пасивація [9]. При нижчих температурах Al2O3щільність плівки недостатньо висока, тоді як при більш високих температурах Al2O3має занадто низький вміст водню. В обох випадках Al2O3не може забезпечити достатню кількість водню для пасивування звисаючих зв’язків Si на межі розділу (під час відпалу), ні через занадто велику дифузію водню в навколишнє середовище, ні занадто малий резервуар водню для початку. Розглядаючи відпал Al2O3- крок, який є важливим для активації пасивації поверхні в повній мірі - оптимальна температура становить близько 400oC [27]. При цій температурі з плівки виділяється достатня кількість водню. Той факт, що водень з плівки зменшує щільність стану поверхні розділу, підтверджується також тим фактом, що відпал у N2газ працює добре, відпал газоутворюючого газу не потрібен. Тривалість етапу відпалу може бути короткою 1 хв. забезпечити чудові рівні пасивації поверхні. The Al2O3також є досить стабільним на етапі випалу, як використовується в сонячних елементах промислового типу з металізованою трафаретною друком. Однак рівень пасивації погіршується під час цього високотемпературного кроку (зазвичай 800 - 900oC протягом декількох секунд) [28,29], але рівень пасивації, що залишився, безумовно достатній для таких сонячних елементів промислового типу. The Al2O3також було визнано сумісним зa-SiNx: H у системах штабелів і навіть покращена термостійкість [30]. Також стеки Al2O3з низькотемпературним синтезованим SiO2було встановлено, що стрілянина стабільна [20].
Швидкість поверхневої рекомбінації Seff, максдля плазмової та термічної ALD Al2O3плівки після відпалу при різних температурах в N2протягом 10 хв. Дані наведені для p- та n-типу Si. Дані на 200oС стосується нанесених плівок (температура осадження 200oC для всіх фільмів)[27].
Примітка 2018:У PERC стопка Al2O3/а самеx: Використовується H, і цей стек дозволяє розріджувати Al2O3фільми. Товщина Al2O3в PERC становить 4-10 нм.
7) - Чи є методи осадження Al2O3масштабований?
Методи осадження PECVD [13,31] та розпилення [14,32], безумовно, масштабовані, і вони вже впроваджені у виробництві сонячних елементів c-Si. Компанія Roth& Rau адаптував їх мікрохвильову техніку PECVD для Al2O3повідомлялося про осадження та хороші результати пасивації [13]. Конкурентною перевагою цієї технології є те, що існуючі системи PECVD можна досить легко модифікувати, уникаючи великих інвестицій у розробку нових технологій та / або зменшуючи великі капітальні витрати. Для розпилення результати пасивації, про які повідомляється на сьогоднішній день, не такі хороші, як для PECVD та ALD, хоча можуть бути достатніми для комерційного виробництва сонячних елементів.
Звичайний ALD непридатний для промислового виробництва сонячних батарей з високою продуктивністю. Однак пропускну здатність можна збільшити, переходячи до періодичної обробки, в якій декілька (100+) пластин покриті одночасно в одній реакторній камері. Цим шляхом рухаються компанії Beneq [33,34] та ASM [35] Ще один підхід застосовують дві голландські компанії. І Levitech [36-38], і SolayTec [39-41] розробили обладнання просторового ALD, в якому цикли ALD здійснюються не в часовій області, а в просторовій. Це повинно забезпечити високу пропускну здатність понад 3000 пластин на годину на інструмент.
Порівняння результатів пасивації c-Si для просторових ALD, PECVD та розпилення[42]. ALD, як правило, дає найкращі показники пасивації, хоча PECVD дуже близький[8,43].
Примітка 2018:У 2011 році Roth& Rau придбав Meyer Burger, і це теперішня назва компанії. За останні кілька років у галузі Ал2O3депонування та компанії, що надають інструменти. Дивіться наступний блог.
8) - Просторовий ALD для великого обсягу виробництва, які переваги?
Дві найважливіші переваги просторового ALD полягають у тому, що він дозволяє вбудовувати атмосферну обробку ALD і що цикли здійснюються не в часовій області, а в просторовій області. Останнє означає, що закачування попередника та реагенту відбувається в різних відсіках або зонах, в яких знаходяться види газової фази. Ці зони розділені бар'єрами інертного газу, створеними зонами продувки між ними. Щоб підкладка піддавалась поперемінному впливу різних зон, поверхня підкладки перекладається через різні зони. Цей переклад може здійснюватися лінійно, переміщаючи підкладку через багато повторюваних зон (підхід, який проводить Левітех [36-38]), або може періодично переміщати підкладки відносно головки осадження вперед і назад (підхід, проведений SolayTec [39 -41,44]). Іншими перевагами для вбудованого просторового АЛД є той факт, що можна легко досягти одностороннього осадження, відсутність рухомих частин (крім пластин), а також відсутність осадження на стінках реактора. Крім того, використання попередників є ефективним.
Просторова система ALD “Levitrack” Levitech для вбудованої обробки пластин сонячних елементів при атмосферному тиску[36-38]. Пластини рухаються на вході в колійну смугу і "плавають" на підшипниках газу, що створюються впорскуваними газами: Al3)3попередник, N2продувка, H2O реагент і N2продувка і т. д. Положення пластин самостабілізується посередині доріжки, а також відстань між сусідніми пластинами в кілька сантиметрів саморегулюється. У поточній конфігурації система дає ~ 1 нм Al2O3на 1 м довжини системи.
9) - Що стосується виробничих витрат на пластину для Al2O3шари пасивації?
На даний момент на це питання важко відповісти. Деякі виробники обладнання Al2O3системи осадження повідомляють кілька центів за пластину. Однак реалізація, наприклад, схем пасивації задньої поверхні має серйозні наслідки для загального потоку технологічного процесу виробництва сонячних батарей, і, таким чином, вартість володіння значною мірою залежатиме від деталей обраної схеми пасивації задньої поверхні. Також інтеграція Ал2O3з іншими матеріалами та етапами обробки є головною проблемою, яку в даний час вирішує фотоелектрична промисловість.
Поки що важливою знахідкою є той факт, що пасивація сонячних елементів за допомогою Al2O3не вимагає напівпровідникової чистоти Al (CH3)3попередник. Було встановлено, що показники пасивації, отримані сонячним класом Al (CH3)3також відмінна [10]. Це лише один із важливих аспектів, пов'язаних із витратами, які необхідно враховувати. Іншим цікавим спостереженням було те, що дуже хороших показників пасивації можуть досягти також інші, дещо менш пірофорні попередники, ніж Al (CH3)3, наприклад ALD Al2O3від Al (CH3)2(OiPr) та O2плазма виявила також дуже добрі показники пасивації [10].
Ефективний термін служби для плазмового та термічного ALD Al2O3плівки, нанесені з напівпровідникового та сонячного класу Al (CH3)3[10]. Відповідний Seff, максзначення дорівнюють=1-2 см / с для рівнів ін'єкції 1014-1015см-3. З цієї цифри можна зробити висновок, що немає необхідності використовувати дуже дорогі попередники для досягнення чудових рівнів пасивації поверхні
Примітка 2018:Очевидно, що використання Al2O3наношари для пасивації окупаються. Застосування Al (CH3)3оскільки попередник є дуже значним фактором витрат, тому оптимізоване та ефективне використання попередника є ключовим.
10) - Які загальні перспективи використання Al2O3в ПВ?
Питання, мабуть, не в тому, чи Ал2O3буде використовуватися в комерційних сонячних елементах, але коли Al2O3буде застосовано. Питання також у тому, в якому типі сонячних елементів Al2O3буде застосовано. Це може бути не тільки у високоякісних високоефективних монокристалічних сонячних елементах Si. Ал2O3тонкі плівки також можуть бути цікавими для більш масового виробництва сонячних елементів. Тому можна зробити висновок, що загальні перспективи дуже яскраві.
Примітка 2018:Ал2O3наношари уможливили технологію PERC, яка з’явилася на ринку приблизно в 2014 році. Цього року обсяг виробництва світових клітинних заводів може досягти близько 50%.
Список літератури:
Р. Хезельта ін.,J. Електрохім. Соц136518-523 (1989)
Г. Агостінелліта ін.,Соль Energy Mater. Соль Клітини903438-3443 (2006)
Б. Хоекста ін.,Заяв. Фіз. Lett.89042112 (2006)
С. М. Георгійта ін.,Хім.Преподобний110111-131 (2010)
Б. Хоекста ін.,Заяв. Фіз. Lett.91112107 (2007)
Й. Шмідтта ін.,Prog.Фотоелектричні Рез. Заяв.16461-466 (2008)
Дж. Бенікта ін.,Заяв. Фіз. Lett.92253504 (2008)
Г. Дінгеманста ін.,Електрохім. Твердотільний Lett.13H76-H79 (2010)
Г. Дінгеманста ін.,Заяв. Фіз. Lett.97152106 (2010)
G. Dingemans та WMM Kessels,25-та Європейська фотоелектрична конференція та виставка сонячної енергії, Валенсія (2010)
Г. Дінгеманста ін.,Електрохім.Твердотільний Lett.14H1-H4 (2011)
С. Міяджимата ін.,Заяв.Фіз. Експрес3012301 (2010)
П. Сен-Кастта ін.,IEEE Electron Device Lett.31695-697 (2010)
Т.-Т. Літа ін.,Фіз.Статус Solidi RRL3160-162 (2009)
П. Вітановта ін.,Тонкі тверді плівки5176327-6330 (2009)
H.-Q. Сяота ін.,Підборіддя Фіз.Lett.26088102 (2009)
DH Левіта ін.,Дж. Дисп. Технол.5484-494 (2009)
Б. Хоекста ін.,J. Appl. Фіз.104113703 (2008)
Н. М. Терліндента ін.,Заяв.Фіз. Lett.96112101 (2010)
Г. Дінгеманста ін.,Фіз. Статус Solidi RRL522-24 (2011)
Сонце&підсилювач; Енергія вітру, листопад (2010)
Photon International, березень (2011)
Дж. Бенікта ін.,35-а конференція спеціалістів з фотоелектрики IEEE, Гонолулу (2010)
Туалет НДта ін.,Електрохім.Твердотільний Lett.12H388-H391 (2009)
І. Г. Ромійнта ін.,25-та Європейська фотоелектрична конференція та виставка сонячної енергії, Валенсія (2010)
Дж. Ебсерта ін.,25-та Європейська фотоелектрична конференція та виставка сонячної енергії, Валенсія (2010)
Г. Дінгеманста ін.,Фіз.Статус Solidi RRL410-12 (2010)
Г. Дінгеманста ін.,J. Appl. Фіз.106114907 (2009)
Дж. Бенікта ін.,Фіз. Статус Solidi RRL3233-235 (2009)
Й. Шмідтта ін.,Фіз.Статус Solidi RRL3287-289 (2009)
Рот&амп; Рау,http://www.roth-rau.de
Дж. Люта ін.,25-та Європейська фотоелектрична конференція та виставка сонячної енергії, Валенсія (2010)
СІ Скарп,218-е засідання електрохімічного товариства, Лас-Вегас (2010)
Бенек,http://www.beneq.com
ASM,http://www.asm.com
EHA Grannemanта ін.,25-та Європейська фотоелектрична конференція та виставка сонячної енергії, Валенсія (2010)
В. І. Кузнєцовта ін.,218-е засідання електрохімічного товариства, Лас-Вегас (2010)
Левитех,http://www.levitech.nl
Б. Вермангта ін.,Prog.Фотоелектричні Рез. Заяв.(2011)
П. Пудтта ін.,Адв. Матер.223564-3567 (2010)
SoLayTec,http://solaytec.org
Й. Шмідтта ін.,25-та Європейська фотоелектрична конференція та виставка сонячної енергії, Валенсія (2010)
П. Сен-Кастта ін.,Заяв. Фіз. Lett.95151502 (2009)
П. Пудтта ін.,Фіз. Статус Solidi RRL5165-167 (2011)