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引言
? ? ? 直拉(CZ)單晶硅占光伏市場的40 %以上。開發(fā)具有經濟吸引力的硅太陽能電池的決定性先決條件是晶片表面鈍化。為了準備硅襯底的表面進行鈍化，必須蝕刻掉鋸損傷層。所得表面結構導致高界面態(tài)密度Dit(E)，從而導致高表面復合。通過在鈍化之前對表面進行適當?shù)奶幚恚梢詼p少這種復合。眾所周知，基底材料的表面形態(tài)對濕化學氧化、蝕刻和沖洗步驟非常敏感。因此，硅表面在鈍化之前的濕化學預處理。氫化非晶硅或氮化硅層是一個非常重要的問題。
? ? ? 為了使雙離子(E)最小化，從而使表面復合速度最小化，我們研究了(100)取向的硼摻雜p型和磷摻雜n型直拉硅片的不同清洗程序，使用熱去離子水(DIW)處理作為最終氧化介質，或者用氟化銨(NH4F)代替稀釋的氫氟酸(2 %)作為氧化物蝕刻溶液。在用a-SiNx:H進行表面鈍化或用碘乙醇(I/E)溶液進行化學鈍化后，通過空間分辨微波探測光電導衰減(W-PCD)表征表面預處理對界面鈍化的影響。利用掃描電子顯微鏡和表面光電壓法直接分析了制備誘導的表面結構及其對Dit(E)的影響。
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實驗
? ? ? 對來自不同制造商的不同n型和p型CZ硅晶片進行了研究。作為n型晶片，我們使用了磷摻雜的高質量磁性CZ(MCZ)硅，厚度為300μm，電阻率為2.5至3.0Ωcm。眾所周知，這種材料的污染程度較低（例如，氧和碳），因此體積壽命較高。所研究的p型晶圓或從低質量太陽能級硅錠的中心和邊緣提取，或從工業(yè)CZ硅太陽能電池制造中使用的標準硅錠中提取。電阻率在3~6Ωcm之間，對應的摻雜水平為1.3~4.7·1015cm-3。
? ? ? 利用兩種不同的襯底表面配置來研究濕化學預處理對表面鈍化的影響，(a)表面使用稀釋氫氧化鉀（氫氧化鉀）進行損傷蝕刻，導致蝕刻去除12到15μm，(b)在氫氧化鉀和異丙醇(KOH/IPA)溶液中產生的隨機分布的的表面。我們使用了眾所周知的RCA清洗過程，包括標準清潔SC-1（氫氧化銨：過氧化氫：水）和SC-2（鹽酸：過氧化氫：水）。隨后是兩種類型的氧化物蝕刻溶液：(i)稀釋的HF和(ii)室溫(RT)下的NH4F（48%）。對于一些樣品，使用熱DIW(80°C，6min)加入了一個額外的沖洗和氧化步驟。
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結果和討論
表面形貌對界面態(tài)密度的影響
? ? ? 界面重組速度可以顯著降低太陽能電池的效率，但主要受到密度和界面態(tài)特性的影響。為了深入了解硅基板表面制備引起的結構缺陷與硅表面帶隙界面態(tài)分布之間的關系，我們測量了(a)(c)Dit(E)。通過掃描電鏡觀察到的這些結構的形態(tài)如圖2所示。
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圖2 (a)切割后的晶片，(b損傷蝕刻后的晶片和(c)具有堿性結構的晶片的SEM顯微照片(傾斜視圖)
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預處理對損傷腐蝕表面后續(xù)鈍化性能的影響
? ? ? 圖4說明了表面預處理步驟對鈍化質量的影響。該圖舉例說明了對應于在不同的濕化學預處理步驟之后用碘/碘鈍化的n型直拉晶片上獲得的2D壽命圖的直方圖。高界面復合率可主要通過應用標準程序HF浸漬和隨后在室溫下的短DIW沖洗(V5)來降低。使用高頻浸漬(V6)后的熱DIW處理獲得了顯著更高的壽命值。
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圖4?在不同順序的濕化學步驟和隨后用碘乙醇溶液鈍化之后，晶片表面上的壽命分布(直方圖)(這里以損傷蝕刻后的n型晶片為例)
? ? ? 圖5繪制了n型(MCZ)和p型晶圓的I/E經過各種預處理和隨后的鈍化后獲得的壽命測量結果?？梢悦黠@看出，對于這兩種摻雜類型，在鈍化(V6)之前，通過熱DIW處理(RCA+HF+熱DIW)可以獲得最高的壽命值。在熱DIW（V7）過程中生長的化學氧化物的蝕刻SC-2工藝（V1和V2）使壽命值降低到相同的程度。請注意，通過用熱DIW處理取代SC-2來簡化清潔過程也會導致一個可接受的鈍化水平，并具有環(huán)境和經濟效益。
表面紋理對表面預處理效率的影響
? ? ? 濕化學預處理的目的是去除受損的表面層，并進一步降低原子尺度上的表面微觀粗糙度。濕化學清洗、氧化和氧化物去除步驟的不同順序的影響。圖7描述了在具有兩種表面結構的p型晶片上經過不同順序的濕化學步驟和隨后用碘/碘溶液鈍化后獲得的壽命測量結果。對于幾乎所有預處理，氫氧化鉀蝕刻表面顯示出更高的有效壽命值。在使用稀釋的氫氟酸去除氧化物的氫氧化鉀蝕刻表面上，與標準的清洗過程相比，獲得了更高的壽命值。相比之下，在紋理表面上，省略DIW沖洗會導致壽命降低。兩者都可以用DIW漂洗引起的兩個過程的抵消效應來解釋:化學反應產物的去除，這導致清潔的、氫終止的表面和隨后該清潔表面的初始氧化。在金字塔紋理基底上，只有通過DIW漂洗才能獲得更高壽命的清潔表面。在DIW，如果不進行沖洗，這種處理RCA + NH4F (V8)會導致壽命急劇下降，這可能是由于銨鹽造成的表面污染。為了溶解這些污染物，襯底隨后在熱水中處理6分鐘(V9)，然后用氫氟酸浸泡以去除水誘導的表面氧化物(V10)。應用這些處理，然后在室溫下進行最后一次短暫的DIW漂洗，獲得了最高的壽命值:RCA + NH4F +熱DIW + HF + DIW (V11)。
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結論
? ? ? 采用μW-PCD和SPV測量方法研究了碘乙醇溶液或PECVDa-SiNx-H表面鈍化前蝕刻和紋理的CZp和n型太陽能硅晶片的影響。對于碘乙醇溶液(I/E)的鈍化，結果表明，優(yōu)化的濕化學預處理主要可以提高表面鈍化的質量。然而，在紋理表面上，高頻表面粗糙度后的水沖洗步驟導致壽命的顯著降低，因為宏觀表面粗糙度阻礙了高頻溶液和反應產物的完全去除。在清洗序列RCA+NH4F+熱DIW后，鋸片損傷蝕刻和紋理p型基質獲得了額外的壽命改善。隨后，用熱水沖洗，溶解并去除氧化晶片表面與NH4F反應過程中形成的銨鹽。