电场对AlOx 和 SiNx叠层钝化层的界面特性研究

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表面钝化对于提高所有太阳能电池技术的效率至关重要。SiNx和 AlOx等介电薄膜已证明对Si表面具有出色的钝化性。它们在Si介电界面处提供低缺陷密度，并且具有高电荷浓度，能够对表面载流子浓度进行场效应控制。介电固定电荷降低了Si 表面附近一种载流子类型（电子或空穴）的密度，从而减少重组。这些固定电荷来自硅-电介质界面附近的缺陷态，它们的密度取决于所应用的沉积电介质和沉积后处理。如最新研究，可以通过共同优化化学和场效应钝化 （FEP） 机制来减少复合，使太阳能电池能够接近其理论效率极限。

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电压应力是一种被广泛使用改变纳米层电介质中电荷密度的方法。在施加负电压后，可以使SiNx 中的正电荷密度增加，而 AlOx 中的负电荷密度增加 >1 × 1013q·cm-2随着施加正电压而增加。这表明使用外部电场来调整或增强FEP的潜力。然而，固定电荷的这些变化被认为源于浅陷阱状态，因此不稳定。需要深入研究以了解外部电场在控制和增强介电固定电荷方面的机制和限制，从而了解它们提高器件性能的潜力。此类数据补充了当前为高效太阳能电池架构优化制造工艺和独立叠层设计的空白，这对于超薄 AlOx（<2 nm）尤其重要，尽管优化了制造工艺，但电荷密度仍然有限。

此外，电场对化学钝化的影响尚未得到广泛考虑。Hydrogenationisawell 在 APL Electron 建立了改善化学钝化的技术。通过二次离子质谱法、原子探针断层扫描和弹性反冲检测分析，观察到界面附近SiNx（10-15 at.%）和AlOx（3-4 at.%）中的高氢浓度。密度泛函理论 （DFT）计算表明，氢以不同的电荷态存在（H0、H+、H−），取决于相对于氢的供体或受体能级的费米能级对齐。鉴于其带电性质，外部电场已被用于调节氢迁移并进一步优化化学钝化。然而，以前的研究集中在高质量的热氧化物 （>10 nm） 与 SiNx 的结合上；虽然尚未研究低温薄氧化物，但它们被认为可以提高产量和降低生产成本。此外，AlOx/SiNx 叠层中的氢钝化机制仍不清楚，部分研究表明，尽管 SiNx 中的氢浓度较高，但 AlOx 中的氢在 AlOx/SiNx叠层中的钝化中起主导作用。

本文专注于工程应用适用的 SiOx/AlOx/SiNx叠层钝化，其中 SiOx 层是通过湿化学形成的，AlOx 层为∼2.5 nm。我们在退火过程中使用电晕放电在表面上建立临时电场，并研究了表面复合参数的变化。我们通过测量作为表面电压（τeff-Vsurf）函数的少子寿命，并辅以电容-电压 （C-V）方法，来评估化学钝化和场效应钝化的变化。为了充分了解观察到的变化背后的界面动力学，还研究了SiOx/SiNx纳米叠层。基于这些结果，我们提出了一个界面相互作用的综合模型，该模型表明了化学钝化和实际效应钝化之间的内在联系。

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通过在电场下进行短暂退火来改变表面钝化质量的简单策略。在正表面电荷下退火后，在 SiOx/AlOx/SiNx 纳米层叠层钝化的p-Si上展示了5.5 cm/s的Seff和低于45.3fA/cm2的J0s。其使用具有∼2.5nm AlOx层的低温化学生长SiOx 实现的。通过监测 τeff 随不同外加表面电压Vsurf的变化，并辅以C-V测量，进行了详细的界面研究。从 τeff-Vsurf 图拟合中提取的界面属性将表面复合属性的变化归因于电子捕获的差异价带尾部的速度（Sn，VB）突出了在具有强F离子效应钝化的纳米层中尾态复合的重要作用。观察到中间间隙的化学钝化（Sn0 和 Sp0）和场效应钝化（Qeff）的明显变化。提出了一个涉及界面载流子注入和施加表面电荷下的氢迁移的假设来解释这些变化，表明化学和场效应钝化之间存在内在联系。在不同电场下退火后在 SiOx/SiNx 钝化界面处观察到的变化进一步支持了这一假设。揭示了其他充电机制，详细说明了充电过程中涉及的缺陷状态的位置和能级的影响，这导致在不同条件下观察到的 Qeff 的相反变化。在正表面电荷下退火可以进一步促进超薄AlOx 中的负电荷密度，在退火过程后观察到 ∼1×1012 q·cm-2增加。促进的负电荷通过 450℃退火保持稳定。使用这种策略，通过在电场下退火来调整界面特性，为进一步调整纳米层叠层提供了可能性，以改善光学性能或降低生产成本，从而进一步提高器件性能。从这项工作中获得的新方向将有助于开发替代方法，以进一步增强不同纳米层的表面钝化性能，从而提高太阳能电池的效率