ソース：atomiclimits.com
PERCの台頭とその製造プロセスについて言う（そして説明する）ことはたくさんありますが、これは今のところ別のブログ投稿に残しておきます。 しかし、レポートにも明確に記載されているように、明らかなことが1つあります。PERC製造の鍵はリアパッシベーションですが、この目的で選択される全会一致の材料は酸化アルミニウムです。これは、窒化ケイ素の適用でよく知られているPECVDマシン、または原子層堆積（ALD）ツールを使用して堆積できます。」。 アイントホーフェン工科大学での私たちの研究は、アルによる表面パッシベーションの調査に大きく貢献しているので、この側面に接続したいと思います。2O3（ALDおよびPECVD）、高レベルの表面パッシベーションの基礎となる基本的な側面と材料特性の調査、およびAlのデモンストレーション2O3太陽電池デバイスで。
アルのいくつかの重要な側面に取り組むことを考えました2O3表面パッシベーションとその堆積プロセスですが、2011年に第21回NREL結晶シリコン太陽電池ワークショップ&アンプの会議論文を作成したときに、これらの側面の多くを書き留めたことを思い出しました。 モジュール：2011年にコロラド州ブリッケンリッジで開催された材料とプロセス。私はこの会議に招待されました（毎年開催されます。を参照してください）。https://siliconworkshop.com）アルに関する私たちの仕事のため2O3その時までに多くの注目を集めていました。 会議の論文を読み直すと、論文に記載されている側面の多くがまだ保持されており、非常に先見の明があることがわかりました。 したがって、私は以下の論文全体のテキストをコピーし、それにいくつかの小さなコメントを追加することにしました。 ちなみに、この論文は10の質問に基づいており、その回答から「Alの使用の見通し2O3高効率太陽電池用これが論文のタイトルだったので」。
ここで、私もプレナリートークを行ったことを付け加えたいと思います。25th欧州PV太陽エネルギー会議および展示会2010年にバレンシアで。これはアルへの関心があった時でした2O3太陽電池業界では本当に離陸し始めました。 私はそのプレゼンテーションを録音しました、そしてあなたはそれを聞くことができますここに。 それはあなたにアルに関連するすべての関連する側面についての簡単な概要を与えるはずです2O320分で。 さらに、私の元博士課程の学生と私が2012年に書いたレビューペーパーには、さらに多くの情報が記載されていることに注意したいと思います。アルの現状と展望2O3シリコン太陽電池用のベースの表面パッシベーションスキーム(リンク）。 アルに関与または興味がある場合2O3太陽電池の場合、これはおそらく必読です。
最後に、最近から多くのことが起こっていることを述べたいと思いますが、前述のように、これはまもなく別のブログ投稿で取り上げられます！
結晶シリコン太陽電池&アンプに関する会議論文第21回ワークショップ。 モジュール：材料とプロセス–ブリッケンリッジコロラド– 2011 *
Alの使用の見通しに関するレビュー2O3高効率太陽電池用
アル2O3は、c-Si光起電（PV）用の薄膜パッシベーション材料として、過去数年間で急速に人気を博している材料です。 この寄稿では、太陽電池コミュニティに存在する可能性のある10の質問に対処します。
1）–Alによる表面パッシベーション2O3、話は何ですか？
すでに1989年にヘーゼルとイエーガーはアルの不動態化特性について報告しました2O3当時、熱分解によって調製されたフィルム[1]。 この論文は、c-Siの表面パッシベーション（例えば、高密度の負電荷の存在）の観点から材料の非常に興味深い特性について報告していますが、a-SiNへの関心が高まっていました。x：H当時のH薄膜とその材料は、PVコミュニティでは基本的に見過ごされていました。 しかし、これは2005年頃、IMEC [2]とアイントホーフェン工科大学（TU / e）[3]の研究グループがAl2O3原子層堆積（ALD）（特定の形態の化学蒸着（CVD）[4]）によって作成された膜は、優れたレベルの表面パッシベーションをもたらします。n-タイプとp-タイプc-Si。 これらの最初の報告の後、アルへの関心2O3特にAlが証明されたとき、急速に成長しました2O3また、の優れた不動態化につながりますp+-タイプの表面[5]およびAlが含まれる太陽電池の性能について報告した後2O3の背面と前面を不動態化するために組み込まれましたp-タイプ[6]およびn-タイプ[7]太陽電池。
2）–Alの基本的な材料特性は何ですか2O3Siパッシベーションに使用されるフィルム？
アル2O3は、さまざまな結晶形で構成されるワイドバンドギャップ（バルク材料の場合は約8.8 eV）誘電体です。 ただし、パッシベーション層の場合、アモルファスAl2O3フィルムは、バンドギャップがやや低く（〜6.4 eV）、光子エネルギーが2eVで屈折率が〜1.65で使用されます。 したがって、フィルムは、太陽電池の対象となる波長領域にわたって完全に透明です。 膜は通常、非常に化学量論的（[O] / [Al]比= 〜1.5）ですが、膜にわずかに過剰なOが存在する可能性があります。 CVDベースの技術で作成した場合、フィルムの水素含有量も低く（通常、2〜3 at。％）、この水素はほとんどの場合、-OH基として（過剰な）Oに結合します。 しかしながら、優れた不動態化特性は、Alに敏感に依存しないことが観察されています。2O3化学量論や材料純度などの特性[8]。 Alの水素含有量2O3しかし、膜は、Alから得られたc-Siの化学的不動態化にとって非常に重要であることがわかっています。2O3映画。 これは、SiOの界面層にも当てはまりますx（常に）Alの間に形成される（1〜2 nmの厚さ）2O3そしてCVDベースの技術を適用するときのSi [3,9]。
30 nmAlの屈折率nと吸光係数k2O3ALDによって寄託されたフィルム[10].
3）–Alの準備に使用できる手法2O3薄膜？
アル2O3c-Si表面パッシベーション用の膜は、Al（CH3)3異なる酸化剤源と一緒に投与する前駆体（H2O, O3とO2プラズマ）[8,11]。 プラズマ化学気相成長法（PECVD、Al（CHから）3)3およびN2OまたはCO2混合物）もAlの堆積に使用されています2O3[8,12,13]およびスパッタリングの物理蒸着（PVD）技術[14]。 初期（1989年）、ヘーゼルとイエーガーはAl（O）の熱分解を使用していました。iPr）3Alの堆積のため2O3これはAlの最初の結果でした2O3これまでに報告されたc-Siのベースのパッシベーション[1]。 また、Alのゾルゲルプロセスが調査されています。2O3c-Siパッシベーションの合成[15,16]。 これらすべての場合において、約400ºCでのフィルムのアニーリングは、高レベルの表面パッシベーションを達成するために有益であるか、または必要ですらあります。
熱ALDのさまざまな反応器構成：（a）単一ウェーハ反応器、（b）バッチ反応器、および空間ALD反応器。 （a）および（b）では、ALDサイクルは時間領域で実行され、（c）ではALDサイクルは空間領域で実行されます。[17].
4）–アルを作るもの2O3表面のパッシベーションに非常にユニークですか？
Si表面には2つのパッシベーションメカニズムがあります。 最初のメカニズムは、界面状態密度の低下です。DそれSi表面で、例えば、H原子によるSiダングリングボンドの不動態化を介して。 このメカニズムは「化学的不動態化」と呼ばれます。 2番目のメカニズムは、Si表面に存在する少数電荷キャリアの密度が、表面に組み込まれた電界によって減少することです。 このいわゆる「電界効果パッシベーション」は、プロファイルのドーピングまたは固定電荷によって実現できます。QfSi上に堆積した薄膜に存在します。 アルによる優れた不動態化2O3通常、両方のメカニズムの組み合わせです。
アルという事実2O3非常に高密度（最大10）を含めることができます13CM-3）の負電荷は材料をユニークにします[18]。 ほぼすべての他の材料（特にSiO2およびa-SiNx：H）正の固定電荷を含み、密度が低くなっています。 アルの場合2O3固定料金はAl間のインターフェースにあります2O3および界面SiOxSiについて[19]。 さらに、Alの固定電荷の密度に注目するのは興味深いことです2O3Alの調製方法に依存します2O3.プラズマ支援ALDおよびPECVDによって調製されたフィルムの場合、一般的に高いQfサーマルALDで作製したフィルムと同様です。 後者の場合、不動態化の優れたレベルは主に低いことに起因する可能性がありますDそれレベル。
アルの2番目の重要な側面2O3、これまであまり注目されていなかった側面は、アルが2O3また、熱処理中（アニーリング中および焼成ステップ中）にSi界面に水素を供給する効果的な水素リザーバーとして機能します。 これは最近明確に確立されており[9]、このような優れたレベルの化学的不動態化がAlによって達成できるという事実を説明しています。2O3H終端Si上に直接堆積されたフィルム、または堆積されたSiOを含むSi上に堆積されたフィルムxそれ自体では比較的不十分に不動態化されている（すなわち、Alがない場合）層（例えば、PECVDまたはALDによる）2O3キャッピング層が適用されます）[20]。
表面再結合速度Seff、maxプラズマ支援および熱ALDAl用2O3Alに堆積したコロナ電荷密度の関数としての膜2O3。 このプロットは、両方のフィルムに固定の負電荷密度が含まれているが、熱ALDサンプルの電荷が少ないことを示しています。 熱ALDは、Sの値が低いことから明らかなように、化学的不動態化のレベルが高くなっています。eff、max固定料金がコロナ料金によって補償されるポイントで。
注2018：さまざまな金属酸化物によるシリコン表面のパッシベーションに関する最近の追跡調査により、これらの金属酸化物の多くは負電荷の誘電体、たとえばHfOであることが明らかになりました。2、Ga2O3、TiO2、Nb2O5、など。
5）– Alを使用した（工業用）太陽電池の性能は？2O3?
アルへの熱意を考える2O3PVコミュニティ[21,22]内では、Alを含む太陽電池の性能は非常に可能性が高いです。2O3パッシベーション層は広範囲にわたってテストされています。 ただし、PV企業にとって価値のある専有情報に関するものであるため、これらのテストの結果は開示されていないか、そのように明示的に報告されていません。 Alを使用した太陽電池の最初の結果2O3しかし、ステージを設定し、PV業界の関心を誘発する上で重要でした。 最初の太陽電池の結果はpALDAlが含まれるタイプPERCセル2O3裏面パッシベーションに、PECVD-SiOと組み合わせた単層およびスタックで使用されました。x（コラボレーションISFH – TU / e）[6]。 この最初のレポートでの最高の効率は20.6％であり、同様の太陽電池のその後の作業で21.5％の効率が得られました[13]。 もう1つの重要な初期の成果は、23.2％の効率でした。nALDAlが含まれるタイプのPERLセル2O3PECVDa-SiNと組み合わせるx：Hは前面パッシベーションに使用されました（コラボレーションFraunhofer ISE – TU / e）[7]。 後の段階で、この種の太陽電池で23.5％の効率が達成されました[23]。 その他の太陽電池の結果は、ITRI [24]、ECN [25]、およびコンスタンツ大学[26]によって報告されています。
n型SiベースとAlの前面パッシベーション層を備えたPERL太陽電池2O3（30 nm）a-SiNと一緒にx：H（40 nm）反射防止コーティング[7].
注2018：明らかに、Alの産業上のブレークスルー2O3PERCテクノロジーに携わってきました。
6）–フィルムと加工条件の要件は何ですか？
Alを実装するには、多くの技術的な質問に対処する必要があります2O3太陽電池で。 これらの質問に対する答えは、想定される太陽電池のタイプと構成に明らかに依存しますが、過去数年間に実施された研究からいくつかの一般的な洞察が得られています。 ALD蒸着膜の場合、最小厚さはプラズマ支援ALDと熱ALDでそれぞれ5nmと10nmであることがわかっています[27]。 この違いは、熱ALDによる電界効果パッシベーションの重要性が低いことに起因すると予想されます。 最適な堆積温度は150〜250の範囲内ですoC [8]。 パッシベーションレベルは堆積温度にあまり敏感ではありませんが、最適なものは化学的パッシベーションによって決まります[9]。 低温では、Al2O3膜密度は十分に高くありませんが、高温ではAl2O3水素含有量が低すぎます。 どちらの場合も、Al2O3水素の周囲への拡散が大きすぎるか、水素のリザーバーが小さすぎるために、（アニーリング中に）界面のSiダングリングボンドを不動態化するのに十分な水素を提供できません。 Alの焼きなましを考える2O3–表面パッシベーションを完全に活性化するために不可欠なステップ–最適温度は約400ですoC [27]。 この温度では、十分な水素がフィルムから放出されます。 膜からの水素が界面状態密度を低下させるという事実は、Nでのアニールが2ガスはうまく機能し、成形ガスの焼きなましは必要ありません。 アニーリングステップの期間は、最短で1分にすることができます。 優れたレベルの表面パッシベーションを提供します。 アル2O3また、スクリーン印刷されたメタライゼーションを備えた工業用タイプの太陽電池で使用されているように、焼成ステップ中も十分に安定しています。 ただし、パッシベーションのレベルは、この高温ステップ（通常は800〜900）の間に低下します。o数秒間C）[28,29]しかし、パッシベーションの残りのレベルは、そのような工業用タイプの太陽電池にははるかに十分です。 アル2O3と互換性があることも判明しましたa-罪x：Hはスタックシステムであり、熱安定性の改善さえ報告されています[30]。 また、Alのスタック2O3低温合成されたSiOを使用2安定して発火していることがわかった[20]。
表面再結合速度Seff、maxプラズマ支援および熱ALDAl用2O3Nで異なる温度でアニーリングした後のフィルム210分間。 p型およびn型Siのデータが示されています。 200でのデータoCは堆積したままの膜に関係します（堆積温度は200でしたoすべての映画のC）[27].
注2018：PERCでは、Alのスタック2O3/ a-SiNx：Hが使用され、このスタックによりAlを薄くすることができます2O3映画。 Alの厚さ2O3PERCでは4〜10nmです。
7）–Alの堆積方法はありますか2O3スケーラブル？
PECVD [13,31]とスパッタリング[14,32]の堆積方法は確かにスケーラブルであり、c-Si太陽電池の製造にすでに実装されています。 会社ロス&アンプ; Rauはマイクロ波PECVD技術をAlに適合させました2O3堆積と良好な不動態化の結果が報告されました[13]。 この技術の競争力は、既存のPECVDシステムを非常に簡単に変更できるため、新しい技術の開発への多額の投資や多額の設備投資の削減を回避できることです。 スパッタリングの場合、これまでに報告されたパッシベーションの結果は、PECVDやALDほど良くはありませんが、商業的な太陽電池の製造には十分かもしれません。
従来のALDは、高スループットの産業用太陽電池の製造には適していません。 ただし、単一のリアクターチャンバー内で複数（100+）のウェーハを一度にコーティングするバッチ処理を行うことで、スループットを向上させることができます。 このルートは、Beneq [33,34]とASM [35]の会社によって追求されています。別のアプローチは、2つのオランダの会社によって行われています。 Levitech [36-38]とSolayTec [39-41]はどちらも、ALDサイクルが時間領域ではなく空間領域で実行される空間ALD装置を開発しました。 これにより、ツールごとに1時間あたり3,000枚を超えるウェーハの高スループット処理が可能になります。
空間ALD、PECVD、およびスパッタリングのc-Siパッシベーション結果の比較[42]。 PECVDは非常に接近していますが、ALDは通常、最高のパッシベーション性能を発揮します。[8,43].
注2018：2011年、ロス&アンプ。 RauはMeyerBurgerに買収され、これが現在の会社名です。 ここ数年、アルの分野で多くのことが起こりました2O3堆積とツールを提供する会社。 フォローアップブログをご覧ください。
8）– Spatial-大量生産のためのALD、利点は何ですか？
空間ALDの2つの最も重要な利点は、インライン大気ALD処理が可能になることと、サイクルが時間領域ではなく空間領域で実行されることです。 後者は、前駆体と反応物の注入が、気相種が閉じ込められている異なるコンパートメントまたはゾーンで行われることを意味します。 これらのゾーンは、間にあるパージゾーンによって作成された不活性ガスバリアによって分離されています。 基板を異なるゾーンに交互に露光させるために、基板表面は異なるゾーンを通って移動します。 この変換は、基板を多くの繰り返しゾーンに移動することによって直線的に行うことができ（Levitech [36-38]によって追求されるアプローチ）、または基板を堆積ヘッドに対して前後に移動させることによって定期的に行うことができます（SolayTecによって追求されるアプローチ[39] -41,44]）。 インライン空間ALDのその他の利点は、片面蒸着が簡単に実現できること、可動部品がないこと（ウェーハを除く）、および反応器の壁で蒸着が行われないことです。 また、前駆体の使用は効率的です。
大気圧で太陽電池ウェーハをインライン処理するためのLevitechの空間ALDシステム「Levitrack」[36-38]。 ウェーハはトラックの入口で推進され、注入されたガスによって生成されたガスのベアリング上で「浮き」ます：Al（CH3)3前駆体、N2パージ、H2O反応物、およびN2パージなど。ウェーハの位置はトラックの中央で自己安定し、数センチメートルの隣接するウェーハ間の距離も自己調整します。 現在の構成では、システムは約1nmのAlを生成します2O3システム長1mあたり。
9）–Alのウェーハあたりの製造コストはどうですか2O3パッシベーションレイヤー？
この質問に答えるのは現時点では難しいです。 アルのいくつかの機器メーカー2O3堆積システムは、ウェーハあたり数セントを報告します。 ただし、たとえば背面パッシベーションスキームの実装は、太陽電池製造のプロセスフロー全体に大きな影響を与えるため、所有コストは、選択した背面パッシベーションスキームの詳細に大きく依存します。 また、Alの統合2O3他の材料や処理ステップを使用することは、PV業界が現在取り組んでいる大きな課題です。
これまでの重要な発見の1つは、Alによる太陽電池の不動態化という事実です。2O3Al（CH）の半導体グレードの純度を必要としません3)3前駆。 ソーラーグレードAl（CH3)3優れています[10]。 これは、考慮する必要のある重要なコスト関連の側面の1つにすぎません。 もう1つの興味深い観察結果は、Al（CH3)3、例えば、AlのALD2O3Al（CHから3)2(OiPr）とO2プラズマはまた、非常に優れたパッシベーション性能を示しました[10]。
プラズマ支援および熱ALDAlの有効寿命2O3半導体およびソーラーグレードAl（CH3)3[10]。 対応するSeff、max注入レベルが10の場合、値は1〜2 cm / sと低くなります。14-1015CM-3。 この図から、優れたレベルの表面パッシベーションに到達するために非常に高価な前駆体を使用する必要はないと結論付けることができます。
注2018：明らかに、Alの使用2O3不動態化のためのナノレイヤーは報われます。 Al（CH3)3前駆体は非常に重要なコスト要因であるため、最適化された効率的な前駆体の使用が重要です。
10）–Alの使用の全体的な見通しは何ですか2O3PVで？
問題はおそらくアルかどうかではありません2O3商用太陽電池で使用されますが、Alの場合2O3適用されます。 問題は、Alがどのタイプの太陽電池であるかということでもあります。2O3適用されます。 それは、ハイエンド、高効率、単結晶Si太陽電池だけではないかもしれません。 アル2O3薄膜は、より主流の太陽電池生産にとっても興味深いかもしれません。 したがって、全体的な見通しは非常に明るいと結論付けることができます。
注2018：アル2O3ナノレイヤーは、2014年頃に市場に登場したPERCテクノロジーを可能にしてきました。今年、世界のセル工場の生産量は50％近くに達する可能性があります。
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