Electrical characterization of silicon nitride and silicon oxynitride thin films for solar cell applications

Abstract

The surface of the silicon crystal is a large contributor to efficiency losses in solar cells due to recombination. As the wafer thickness decreases, surface passivation is of great importance to produce high performing solar cells. This work studies the surface passivating properties of silicon nitride (abbreviation: nitrides), and silicon oxynitrides capped with silicon nitride (abbreviation: stacks) thin films by modulating the fixed charge densities in the materials. The study is performed to increase the understanding of the possibility of increasing the charge carrier density in silicon nitride films for improved field effect passivation. The properties for investigation are thickness, composition, chemical passivation and field effect passivation. Moreover, the passivation properties of stacks compared to the single layer nitrides are studied, and the suitability of the characterization methods is discussed.

The sample set consisted of four nitride films and two stacks. The SiNx films are deposited with two different compositions and two different thicknesses: 10 sccm and 5 sccm silane flow, and 80 nm and 100 nm. The stacks are deposited with equal thickness and equal composition of the buffer layer SiOxNy, with two different compositions of the SiNx capping layers; 20 sccm and 10 sccm silane flow.

All films showed good passivation properties prior to charging. The effective lifetime, teff, of the nitrides were approximately 100 µs, while the stacks were exceeding 1500 µs. All silicon rich samples yield a higher compared to the nitride rich samples, which is a result of better chemical passivation. This pattern was also observed by photoluminescence imaging under applied bias (PL–V) measurements. Capacitance – voltage sweeps were performed with and without pre-soaking bias up to –30 V. The results were used to calculate fixed charge density Qf. The results showed that the nitrides are chargeable. However, the upper limit for Qf was not reached due to instrumental limitations. The stacks showed to be less chargeable compared to the nitrides. The thickness turned out to be the most influential parameter among the stacks with regards to charging, while the composition showed to be the most influential parameter for the stacks. Considering the literature, all characterization methods have attained as-expected results for the nitrides. For the stacks, the electrical characterization methods, C–V and PL–V, have provided more complex results. Overall, the stacks have shown a higher degree of passivation, but are less chargeable than the nitrides.

På grunn av rekombinasjon er overflaten av silisiumkrystaller en stor bidragsyter til effektivitetstap i solceller, og overflatepassivisering har derfor en stor betydning i produksjonen av høyeffektive solceller. I denne studien blir overflatepassiviseringsegenskapene til silisiumnitrid- og silisiumoksynitrid-tynnfilmer studert ved å modulere den faste ladningstettheten i materialene. Hensikten er å øke forståelsen for muligheten for økning i ladningsbærertettheten i silisiumnitrid-filmer for dermed å øke felteffektpassiviseringen. Egenskapene som studeres er tykkelse, sammensetning, kjemisk passivisering og felteffektpassivisering. Videre er passiveringsegenskapene for enkeltfilmer av silisiumnitrid (forkortet nitrider) og stablene av silisiumoksinitrid toppet med silisiumnitrid sammenliknet og karakteriseringsmetodenes egnethet er vurdert

Prøvesettet bestod av fire nitridfilmer og to stabler. SiNx-filmene ble deponert med to ulike sammensetninger - 10 sccm og 5 sccm SiH4 - med to forskjellige tykkelser; 80 nm og 100 nm. Stablene ble deponert med lik tykkelse og sammensetning av mellomlaget SiOxNy, men med to forskjellige sammensetninger av SiNx-topplaget: 20 sccm og 10 sccm SiH4.

Levetidsmålinger ble gjennomført uten oppladning. Den effektive levetiden,teff, for nitridene var i området 100 µs, mens stablene var i området 1500 µs. Alle silisiumrike prøver ga høyere sammenlignet med de nitridrike prøvene. Dette er et resultat av bedre kjemisk passivering for de silisiumrike filmene. Dette mønsteret ble også observert i målinger gjort med fotoluminescensavbildning med påsatt spenning (PL–V). Kapasitans–spennings-målinger ble utført med og uten oppladning til –30 V. Resultatene ble brukt til å beregne tettheten av de faste ladningene, Qf. Resultatene viste at nitridene var oppladbare, den øvre grensen for Qf ble imidlertid ikke nådd på grunn av instrumentelle begrensninger. Stablene viste seg å være ladbare i mindre grad sammenliknet med nitridene. Tykkelsen viste seg å være den mest innflytelsesrike variabelen blant nitridfilmene, mens sammensetningen var den viktigste parameteren for stablene. Med utgangspunkt i litteraturen har Karakteriseringsmetodene som er blitt vist forventede resultater for nitridfilmene. De elektriske karakteriseringsmetodene, C-V og PL-V, gav mer komplekse resultater for stablene. Generelt har stablene har vist høyere grad av passivering, men de er mindre oppladbare sammenliknet med nitridene.