49-利用碘酒钝化测量晶体硅体少子寿命

第 12 届中国光伏大会暨国际光伏展览会论文（晶体硅材料及电池）利用碘酒钝化测量晶体硅体少子寿命 *陈静伟 赵 雷 刁宏伟 闫保军 周 素 汤叶华 王 革 王文静中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室 , 中国科学院电工研究所 , 北京 100190 摘要摘要 利用微波光电导衰减法（ μ PCD ）测量晶体硅的有效少子寿命 τ eff，采用不同浓度0.04mol/L0.4mol/L 的碘酒溶液分别对 n 型 CZ 硅片和 p 型 CZ 硅片进行钝化，结果表明碘酒溶液浓度在 0.08mol/L0.16 mol/L 时， 对硅片钝化最为有效， 测量有效少子寿命 τ eff 最高， n 型硅片为973.71μ s， p 型硅片为 362.6μ s；之后采用 0.08mol/L 的碘酒溶液对硅片进行钝化，测量了有效少子寿命随时间的衰减规律；并通过对碘酒溶液钝化不同厚度硅片后的有效少子寿命 τ eff 的测量结合理论计算，获得了硅片的体少子寿命 τ b。关键词关键词 有效少子寿命；体少子寿命；微波光电导衰减法；碘酒钝化*项目资助国家 863 高技术研究发展计划（ 2011AA050502），国家 973重点基础研究计划（ 2011CBA00705） 作者简介陈静伟 , 博士研究生 , 从事硅异质结太阳电池研究 , Email chenjingwei126.com1 引言在晶体硅太阳电池制备过程中， 晶体硅体少子寿命 τ b是硅材料的一项重要参数。 体少子寿命 τ b直接影响着太阳电池的转换效率， 同时通过测量硅片的少子寿命可以评价原材料质量和控制工艺过程 [1,2]。常用的测量晶体硅的方法有 微波光电导衰减 μ -PCD，准稳态光电导方法 QSSPC，表面光电压 SPV，IR 浓度载流子浓度成像 CDI , 调制自由载流子吸收 MFCA 和光束 电子束 诱导电流 LBIC, EBLC 等方法 [3]。但是实际测量值是硅片的有效少子寿命 τ eff， 它由硅片的体寿命 τ b和硅片两边表面复合速率 S分共同影响， 当 SD/4d 时， 有效少子寿命τ eff 由如下方程式决定[4]。dSbff211e ττ （ 1）其中， D 和 d 分别是载流子扩散系数和硅片厚度， 式中假设硅片前后表面的复合速率相同。 表面的钝化质量直接影响到最终的测量值，当表面充分钝化时，beff ττ 。 表面复合可以通过化学钝化和场钝化降低。化学钝化是利用 H 或卤素元素对硅片表面悬挂键进行饱和， 从而降低表面复合速率； 场钝化则利用介质膜中的固定电荷形成电场屏蔽效应来降低表面复合速率，常用的场钝化介质膜有 SiOx， SixNy，a-SiH 等 [5]。 化学钝化利用 HF 溶液 [6]， 碘酒 I2/CH 3OH溶液 [7,8]和醌氢醌 /甲醇 （ Quinhydrone/Methanol ） 溶液[9,10,]等对硅片表面进行钝化。 综合考虑安全和可操作性，在室温条件下碘酒 I2/CH 3OH 溶液最为安全、方便、快捷。本文采用不同浓度的碘酒溶液分别对硅片进行钝化，利用微波光电导衰减法（ μ PCD）测量晶体硅的有效少子寿命 τ eff，结果发现，碘酒溶液浓度在0.08mol/L0.16 mol/L 时， 对硅片表面钝化最为有效，n 型硅片的有效少子寿命达到 973.71μ s， p 型硅片达到 362.6μ s；进一步通过测量碘酒溶液钝化不同厚度的硅片后的有效少子寿命 τ eff，理论计算获得了硅片的体少子寿命 τ b。2 实验实验选用产线上 125mm 125mm100 晶向的 p型 CZ 硅片和 n 型 CZ 硅片， 电阻率分别为 1-3 m 和1.7-13 m ；厚度为 200 10μ m，裸硅片（未经处理）的有效少子寿命为 51 μ s。 首先利用 20NaOH 溶液，在 80oC 条件下对硅片抛光处理， 然后经标准 RCA 清洗后，将硅片用碘酒溶液钝化，进行少子寿命测试。不同厚度的硅片可以通过控制 NaOH 的抛光时间实现， 少子寿命测量使用 WT-2000 （ SEMILAB ） 进行，硅片厚度利用螺旋测微器测量。3 结果与讨论图 1 p 型和 n 型硅片有效少子寿命随碘酒浓度变化规律图 2 p 型和 n 型硅片表面复合速率随碘酒浓度变化规律图 1 给出了 n 型硅片和 p 型硅片有效少子寿命随不同摩尔浓度碘酒的变化规律， 在开始有效寿命随碘酒浓度变大而升高， 达到最大值后随碘酒浓度增加而下降，在碘酒浓度为 0.08mol/L 时，测得有效少子寿命 τ eff 最高， n 型硅片为 973.71μ s， p 型硅片为 362.6μ s。利用公式（ 1） ，假定硅片的体少子寿命 τ b 无穷大，式中 1/τ b 可以忽略， 在已知硅片厚度的情况下， 可以求出表面复合速率 S，如图 2 所示。 p 型和 n 型硅片的最低表面复合速率分别为 Sp24.82cm/s和 Sn9.25 cm/s。硅片表面的大量悬挂键与碘原子结合，以 Si-I键形成存在，反应式如下I2I 2 → （ 2）I-SiSiI →≡≡ （ 3）其中 I 是碘原子， Si 硅片表面的悬挂键 ≡ Si 与 I 结合形成 Si-I 键，大大降低了悬挂键密度。thsNS νσ （ 4）可由公式（ 4）计算钝化后的表面复合中心密度 sN ，其中 σ 为载流子俘获截面 2-17 cm105≈σ ； thν 为载流子热运动速度 sth cm/1017.1 7ν 。未经钝化的硅片表面悬挂键密度 sN 为 2-15 cm103.1 ，从而估算出 n 型硅片经碘酒钝化后表面复合中心密度2-9 cm10≈sN ； p 型硅片经碘酒钝化后表面复合中心密度 2-10 cm10≈sN 。图 3 n 型硅片有效少子寿命随硅片厚度变化规律图 4 p 型硅片有效少子寿命随硅片厚度变化规律但实际测得的有效少子寿命 τ eff 与实际硅片的体少子寿命 τ b 还是有一定差距，硅片的体少子寿命 τ b不可能是无穷大， 计算出的表面复合速率 S 要比实际的大。 可以通过测量不同厚度硅片 d 的有效少子寿命τ eff，结合公式（ 1）来计算出 τ b和 S。图 3 和图 4 分别是 p 型和 n 型硅片 1/τ eff 随 1/d变化规律。 通过线性拟合， 可以求出 1/τ b 和 2S。 n 型硅片的 τ b 和 S 分别是 1216μ s 和 5.2cm/s； ， p 型硅片的 τ b和 S 分别是 582μ s和 15.8cm/s。图 5 是 n型硅片在 0.08mol/L 浓度的碘酒钝化下，随时间的变化规律，可以看出碘酒钝化后直接最高，少子寿命接近 1ms，随时间增加衰减很快，在 30 分钟时已经降低到不到 800μ s。所以，碘酒钝化后少子寿命的测量要在短时间内尽快完成， 时间越长测量值就越低，偏离体寿命越多。图 5 n 型硅片有效少子寿命随钝化时间变化规律4 结论本文采用不同浓度的碘酒溶液对硅片进行钝化，利用微波光电导衰减法（ μ PCD）测量了晶体硅的有效少子寿命 τ eff， 碘酒溶液浓度在 0.08mol/L 时， 对硅片钝化最为有效，测量有效少子寿命 τ eff 最高， n 型CZ 硅片为 973.71μ s， p 型 CZ 硅片为 362.6μ s；并研究了碘酒钝化随时间的衰减规律。 另外， 通过对不同厚度硅片有效少子寿命 τ eff 的测量，理论计算出了 n型硅片的 τ b 和 S 分别是 1216μ s 和 5.2cm/s； ， p 型硅片的 τ b 和 S 分别是 582μ s 和 15.8cm/s。参考文献[1] MSaad H, Michel J, Lappe J J, Kimerling L C 1994 Journal of Electronic Materials 23 487-491.[2] Batra N, Vandana, Kumar S, Sharma M, SrivastavaS K, Sharma P, Singh P K 2012 Sol. Energ. Mater. Sol. Cells 100 43-47. [3] 周春兰 , 王文静 2007 中国测试技术 33 25-31. [4] Schroder D K 1998 Semiconductor Material and Device Characterization, New York Wiley p3. [5] Kerr M J, Cuevas A 2002 Semicond. Sci. Technol. 17 35 – 38. [6] Luke K L, Cheng L J 1988 J. Electrochem. Soc. 135 957-961. [7] Stephens A W, Green M A 1977 Sol. Energ. Mater. Sol. Cells 45 255 – 265. [8] Bail M, Brendel R 2000 16th European Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, UK. [9] Takato H, Sakata I, Shimokawa R 2001 J. Appl. Phys. 40 1003. [10] Takato H, Sakata I, Shimokawa R, 2002 J. Appl.Phys. 41 870.