超酸处理硅表面：延长光伏应用载流子寿命限制

引言

晶体硅的弹性体表面钝化在生产效率为25%的太阳能电池和准确测量高质量基质中载流子扩散长度方面是必不可少的。硅表面的钝化在历史上一直是通过高温氧化来实现的。高效光伏器件的开发和大块材料的表征中，将界面处的载流子复合降至最低是极其重要的。在这里，我们研究了一种基于临时室温超强酸的钝化方案，它提供了低于1厘米/秒的表面复合速度，从而使我们的钝化膜成为最先进的电介质膜。这项工作中开发的钝化策略将有助于诊断太阳能电池加工条件下的体寿命退化，也有助于量化新钝化方案的电子质量。

实验

所有使用的硅晶片的晶体取向均为（100），晶片直径为100mm。所研究的样品是四分之一的晶圆。

钝化液的制备：

为了尽量减少溶液制备过程中的水分污染，我们测量了化学物质，并混合在一个用氮气净化的手套箱中。为了制备溶液，测量出100毫克双(三氟甲烷)磺酰亚胺，然后溶解在50ml无水1,2-二氯乙烷中。溶液被储存在一个带有密封盖的玻璃容器中。我们发现该溶液可以使用多次，但当溶液变得浑浊时，必须准备一种新的溶液。

湿化学预处理：

对硅表面进行化学优化处理是钝化过程的重要组成部分。使用的水必须是纯度非常高的去离子水。在我们的实验中，去离子水的测量电阻率为18mω，有机杂质含量< 50 ppb。

表面钝化程序：

表面预处理后，立即将硅样品放入塑料培养皿中，并转移到手套箱中。用N2吹扫手套箱，直到达到相对湿度< 25%。将制备好的水杨酸溶液倒入玻璃烧杯中，然后将硅样品浸入溶液中60秒。然后将样品从溶液中取出，然后在N2环境下在手套箱中干燥。在此期间，溶剂很快从表面蒸发，并在30秒内变干。此时，钝化的样品可以从手套箱中取出并测量。

测量程序：

少数载流子寿命测量是使用计算机寿命测试仪在瞬态个人计算机模式下进行的。而校准寿命图是通过成像系统获得的。

结果和讨论

湿化学预处理：

图1绘出了镜面抛光的FZ 2ωcm n型硅在试验性湿化学预处理和随后的SA钝化处理之后的注入相关有效寿命。

图1 

该图表明，如果从制造商的盒子中取出“新”硅片，并简单地浸入2%的氢氟酸溶液中，然后进行表面钝化处理，就可以实现适用于多种目的的表面钝化。然而，在这种情况下，钝化质量将取决于从制造商处获得的硅片的初始表面条件。此外，收到的晶片上的清洁度水平可能是可变的，因此导致不一致的结果和较低的钝化水平。两种蚀刻溶液都为a处理的硅提供了最佳表面条件，实现了几乎相同的8ms寿命(δp < 1015cm-3)。然而，如果没有最终的水杨酸处理，测量值会下降(< 100 μs)

用于超长寿命测量的超强酸处理硅：

从图2可以看出，通过sa处理的高电阻率FZ-Si和Cz-Si晶片获得了非常高水平的表面钝化。在低Δp下测量了∼75ms（橙色三角形）和∼65ms（蓝色钻石）的最大各自寿命，这对应于分别为0.2cm/s和0.6cm/s。测量的寿命超过100ms(130msmax)，数据也绘制在图中。 为了测量如此高的寿命，我们使用基于600nm厚热氧化层电晕的钝化方案，与SA处理相比，该方案更难生产，并且将晶片暴露在高热预算下。

图2 高质量硅材料的注入相关寿命曲线

超强酸处理硅表面复合的量化：

为了评估SA处理实现的表面重组速度，硅晶片区进行了蚀刻回溯和再钝化实验，在这些实验中，使用平面化学蚀刻来减薄相同的硅晶片。在此程序中，有效寿命(τeff)将与硅片的厚度W成比例地减小。

n型硅:如图3(a)和(b)表明，两种方案显示出相似的钝化水平；然而，当考虑每种钝化方案的注入依赖性时，Al2O3钝化相对于SA处理的轻微益处被削弱了。此外，注入依赖性的缺乏表明钝化膜不包含显著水平的负电荷，这与初始SA报告一致。因此，在中等注入水平下，SA处理的n型硅的寿命稍低(与Al2O3钝化相比)，可能是由于表面电荷密度低。

图3 (a)和(b)分别显示了用超强酸(蓝色圆圈)和Al2O3(紫色方块)钝化的1ω和10ωcm n型FZ硅的注入相关寿命，红星代表使用SA处理从回蚀实验中推断的体寿命，黑色虚线对应于固有极限，(c)和(d)示出了退火处理的FZ的有效寿命与晶片厚度的倒数

图3(c)和(d)应用线性回归拟合实验数据后，确定了τ体积和S，具有合理的不确定度，并证明了SA处理的非凡一致性，这允许τ本体和s的精确提取。

超强酸处理硅的应用：

我们注意到这些薄膜在暴露于环境空气条件下时确实会发生降解。随着高质量室温钝化方案(如SA处理的硅)的发展，可以开发低温吸杂和氢化技术，否则很难测量。在这点上，SA处理可以提供关于电介质膜的钝化质量及其对主体材料的影响的有价值的信息。最后，最近已经证明，在交叉背接触太阳能电池的开发中，基于水杨酸的钝化可以用于体寿命退化的诊断，其中它允许在结去除之后通过减少热效应或氢化效应的影响来测量真实的体寿命。

总结

我们通过控制环境环境（手套箱）和在将硅浸入含超酸溶液之前开发表面调节程序，证明了非常高水平的表面钝化。我们证明了SA处理对硅表面粗糙度不敏感，而是取决于SA处理之前的湿化学过程，其中SC2和2%的HF下降得到最佳的表面条件。

钝化方案的即时应用扩展到测量体载流子寿命，从而减少硅器件中的物质相关损失。由于优良的钝化质量和低温(<100°C)沉积/加工条件，该钝化方案有望有助于阐明与低温获取和加化技术相关的机制。虽然基于sa的钝化方案在环境条件下确实表现出降解，但未来的应用可能会在高效串联器件中发现这种薄膜，如果稳定性问题可以得到解决，这是有机薄膜电子材料的共同特性。sa基薄膜提供的异常高水平的表面钝化有望有助于延长PV应用的表面和体积寿命的极限。