Marek Lipiński WPŁYW WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH WARSTW I OBSZARÓW PRZYPOWIERZCHNIOWYCH NA PARAMETRY UŻYTKOWE KRZEMOWEGO OGNIWA SŁONECZNEGO Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego P o l s k i e j A k a d e m i i N a u k Kraków 2011
SPIS TREŚCI Ważniejsze skróty i oznaczenia. 9 1. Wstęp........15 2. Przedmiot badań.......19 2.1. Krzemowe ogniwo słoneczne........ 19 2.2. Nanostruktury krzemowe dla ogniw trzeciej generacji...20 2.3. Cel pracy..........22 3. Podstawy teoretyczne...24 3.1.Własności optyczne warstw i powierzchni....24 3.1.1. Podstawowe parametry i zależności......24 3.1.2. Warstwa antyrefleksyjna.......26 3.1.3. Modele dyspersji stałych optycznych..........28 3.1.4. Model Bruggemana.... 29 3.1.5. Powierzchnie teksturowane....31 3.2.Własności elektryczne...32 3.2.1. Czas życia nadmiarowych nośników ładunku....32 3.2.2. Prędkość rekombinacji powierzchniowej...35 4. Metody pomiarowe...36 4.1. Spektroskopia UV-VIS-NIR...36 4.2. Elipsometria spektroskopowa...36 4.3. Spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera FTIR...37 4.4. Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów.....37 4.5. Reflektometria rentgenowska...38 4.6. Inne metody badawcze własności optycznych i strukturalnych......40 4.7. Pomiar efektywnego czasu życia nośników........ 40 4.7.1. Zasada pomiaru...40 4.7.2. Wpływ stanów pułapkowych na efektywny czas życia nośników ładunku.. 41 5
4.7.3. Pomiar przy użyciu testera WCT-120.... 44 4.7.4. Pomiar metodą MW PCD.....45 4.8. Określanie prędkości rekombinacji powierzchniowej... 46 4.9. Określenie czasu życia nośników w objętości materiału......46 4.10. Określenie zawartości atomów żelaza międzywęzłowego... 47 5. Charakteryzacja parametrów użytkowych ogniwa słonecznego...48 5.1. Charakterystyka I-V oświetlonego ogniwa...........48 5.2. Odpowiedź widmowa i sprawność kwantowa ogniwa....49 6. Symulacje parametrów elektrycznych ogniwa........51 6.1. Wpływ rekombinacji powierzchniowej na przedniej powierzchni...51 6.2. Wpływ rekombinacji powierzchniowej na tylnej powierzchni......53 7. Optymalizacja powłok antyrefleksyjnych........ 55 7.1. Opis metody wytwarzania warstw SiN x :H i SiN x O y :H........55 7.2. Metoda optymalizacji.........56 7.3. Warstwy ARC SiN x :H osadzone metodą RF PECVD......57 7.3.1. Stałe optyczne.........57 7.3.2. Optymalizacja teoretyczna warstw ARC SiN x :H......59 7.4. Warstwa ARC SiO x N y :H z gradientową zmianą współczynnika załamania.....61 7.5. Warstwa wielokrotna ARC na bazie SiO x N y :H.......... 64 7.5.1. Stałe optyczne...64 7.5.2. Optymalizacja warstw wielokrotnych....65 7.5.3. Charakteryzacja eksperymentalnych warstw wielokrotnych. 66 8. Defekty mechaniczne i krystalograficzne w krzemie....... 68 8.1. Krzem multikrystaliczny.........68 8.2. Zdefektowanie powierzchni materiału wyjściowego..69 8.3. Mikropęknięcia wprowadzone przez cięcie........71 8.4. Wpływ powierzchniowej warstwy zdefektowanej na parametry elektryczne ogniw.....73 6
9. Geterowanie zanieczyszczeń metodą dyfuzji fosforu do krzemu.74 9.1. Badanie wpływu geterowania na efektywny czas życia nośników...75 9.2. Wpływ procesu dyfuzji fosforu na zawartość atomów żelaza Fe i...80 10. Pasywacja powierzchni i defektów objętościowych z użyciem warstwy SiN x :H.....83 10.1. Wprowadzenie.......83 10.2. Warstwy SiN x :H osadzone na podłożach krzemowych...85 10.3. Stałe optyczne warstw SiN x :H...87 10.4. Określenie stechiometrii w obszarze powierzchniowym warstwy SiN x :H......89 10.5. Optyczna przerwa energetyczna warstw SiN x :H......91 10.6. Badania warstw metodą spektrometrii fourierowskiej w podczerwieni.... 92 10.6.1. Gęstości wiązań atomowych w warstwie SiN x :H...92 10.7. Gęstość warstwy.....95 10.8. Efektywny czas życia nośników....97 10.8.1. Efektywny czas życia nośników w płytkach z krzemu monokrystalicznego FZ z warstwą SiN x :H........97 10.8.2. Efektywny czas życia nośników w płytkach z krzemu multikrystalicznego mc-si z warstwą SiN x :H......99 10.9. Pasywacja pułapek nośników........106 10.10. Parametry ogniw słonecznych.......107 11. Teksturowanie powierzchni metody konwencjonalne......109 11.1. Teksturowanie metodą trawienia anizotropowego.......109 11.2. Teksturowanie krzemu metodą trawienia kwasowego........111 12. Krzem porowaty..... 115 12.1. Krzem porowaty jako warstwa antyrefleksyjna..... 116 12.2. Krzem porowaty wytworzony w krzemie typu n + - model warstwy gradientowej.... 117 12.3. Selektywny emiter z warstwą psi ARC.....121 12.4. Krzem makro-porowaty wytworzony metodą chemicznego trawienia..125 7
13. Nowa metoda teksturowania przy zastosowaniu trawienia chemicznego z udziałem katalitycznego metalu 130 13.1. Klastery palladu osadzone na krzemie....... 134 13.2. Krzem porowaty.......136 13.3. Powierzchnia teksturowana... 138 13.4. Wpływ tekstury MAE na efektywny czas życia nośników ładunku.144 13.5. Parametry ogniw z teksturą wytworzoną metodą trawienia MAE...148 14. Struktury kwantowe dla ogniw trzeciej generacji.....156 14.1. Wytworzenie krzemowej supersieci kwantowej.........156 14.2. Badania strukturalne układów wielowarstwowych....157 14.3. Badania optyczne...161 14.4. Badania elektryczne.........167 15. Podsumowanie i wnioski....170 16. Bibliografia..........175 8