Surface passivation of crystalline silicon by amorphous silicon carbide films for photovoltaic applications
Authors:   , Ferré Tomàs Rafel 
Published: August 2023

En aquesta tesi s'estudia la passivació del silici cristal·lí per a la producció de cèl·lules solars d'alta eficiència (> 20%) a baix preu.<br/>Actualment la indústria fotovoltaica empra capes de nitrur de silici crescut mitjançant la tècnica PECVD. Com a alternativa, es presenta el carbur de silici amorf (a-SiC), també crescut mitjançant PECVD. Resultats anteriors mostren que la passivacio del silici a partir de carbur de silici amorf son excel·lents quan el material és ric en silici i dopat amb fòsfor. L'alt contingut en silici provoca absorció de la llum a la capa, que no es tradueix en corrent elèctric, fent d'aquesta manera que el material sigui només útil quan s'aplica a la cara no il·luminada de la cèl·lula.<br/>L'objectiu d'aquesta tesi és millorar les propietats de passivació del carbur de silici afegint els requisits indispensables en cèl·lules solars: uniformitat, transparència i propietats antireflectants, estabilitat a llarg termini i enfront altes temperatures. A part de les aplicacions tecnològiques també es pretèn entendre millor les propietats fonamentals de passivació.<br/>Els principals resultats són: <br/>- La passivació millora a mesura que s'incrementa el gruix de la capa de a-SiC, fins arribar a una saturació a partir de 50 nm. El mecanisme responsable es una millor saturació dels defectes de la interficie amb hidrogen. Al contrari del que es pensava a priori, la càrrega el·lèctrica emmagatzemada a la capa es manté constant amb el gruix.<br/>- Experiments amb "corona charge" indiquen que l'origen de la càrrega el·lèctrica que produeix la passivació per efecte de camp es troba en la densitat d'estats a la interfície.<br/>- No ha estat possible trobar una capa tranparent (rica en carboni) amb bona passivació. La millor aproximació per combinar passivació més transparència és emprar dues capes, una molt prima rica en silici per passivar i l'altra rica en carboni per aconseguir les propietats antireflectants adequades. S'ha optimitzat el gruix de la capa rica en silici per aconseguir un compromís entre la pèrdua de corrent degut a l'absorció de la llum a la capa i les propietats de passivació. Aquesta combinació de doble capa s'ha fet servir per passivar bases tipus p i emissors tipus n amb resultats excel·lents. Finalment, amb la doble capa es va poder fabricar la primera cèl·lula passivada amb carbur de silici amb una eficiencia > 20%.<br/>- S'ha desenvolupat un material nou: l'al·leació de silici, carboni i nitrogen dopada amb fòsfor. Aquest material ha donat els millors resultats de passició fins ara obtingut dins el nostre grup en bases tipus p i tipus n i en emissors tipus n. La composició òptima és rica en silici i la combinació de capes dobles amb diferents composicions, com en el cas anterior, torna a donar bons resultats de passivació i transparència. <br/>- S'han desenvolupat experiments d'estrès tèrmic a alta temperatura. Les propietats de passivació es veuen fortament afectades desprès de l'estrès si les capes són riques en silici. D'altra banda, les dobles capes mostren una estabilitat molt més alta a l'estrès tèrmic.

The thesis focuses on the study of surface passivation of crystalline silicon to produce high efficiency solar cells (with conversion efficiencies > 20%) at reduced prices. The state of the art in surface passivation is done by thin films of amorphous silicon nitride grown by Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) and it is a very well established material in the photovoltaic field.<br/>In this thesis we offer an alternative that is based on amorphous silicon carbide (a-SiC), also grown by PECVD. The passivation properties of silicon carbide have been already studied in our group finding that excellent results can be obtained when the films are rich in silicon, especially for those doped with phosphorus to make a n-type material. Because this feature leads to undesirable absorption of solar light within the films that does not contribute to the photocurrent, silicon carbide would then be relegated to passivate only the rear side of the solar cell.<br/>The aim of this work is to improve surface passivation properties developed previously and add compulsory requisites for the application of crystalline solar cells. These requisites are: uniformity, transparency and antireflective properties, stability under long term operation and stability under high temperature steps (allowing screen printing processes). Also it is the willing to provide a better understanding of the fundamental properties.<br/>The main results achieved are enumerated hereafter:<br/>- Surface passivation improves with the film thickness and then saturates for films thicker than 50 nm. The mechanism responsible for this improvement is not an increase of the electric charge in the film, as in principle could be thought, but a better saturation of defects by the presence of hydrogen. The amount of charge density seems to be independent of the film. <br/>- Experiments of corona charge reveal some treats about the nature of the charge density to provide the field effect passivation. The origin of the charge seems to be a continuous density of states at the interface, rather a fixed charge allocated in the film.<br/>- None of the attempts using carbon rich films, which are transparent and with antireflective properties, resulted in excellent surface passivation. Such attempts included variation of the deposition parameters, use of remote plasma PECVD with high incorporation of hydrogen, and introduction of nitrogen of in the phosphorus doped a-SiC films. Therefore, up to now it becomes apparent that it is a fundamental property of silicon carbide films the necessity to be rich in silicon to perform surface passivation.<br/>- The way to combine surface passivation and antireflective properties was applying stacks of different a-SiC layers: one silicon rich and one carbon rich. The thickness of the silicon rich layer was optimized to reach a trade-off between level of passivation and lost of photocurrent due to the absorption in the film. The stacks were used to passivate p-type bases, with reasonably good results, and n+- type emitters, with very good results. The stacks provided the the first silicon solar a-SiC rear side passivated with efficiency above 20%.<br/>- A new material was tested: a ternary alloy of silicon, carbon and nitrogen doped with phosphorus. This material was applied to n- and p-type bases and n+-type emitters, presenting the best results in surface passivation achieved by our group, and comparable to surface passivation record achieved by amorphous silicon carbide. Best composition was rich in silicon, and again stacks of silicon rich and carbon rich films was combined successfully. <br/>- Stability against thermal processes was tested on different passivation schemes. After the treatment, the passivation is strongly reduced for single silicon rich films, which were offering good initial results. On the other hand, the stacks with a second carbon rich film maintain reasonably well the surface passivation properties.