Capa de pasivación Al₂O₃ óptima de 1,2 nm para uniones p‑n de silicio: análisis estructural y eléctrico correlacionado

Resumen

Las uniones p‑n de silicio dependen de una pasivación efectiva de superficie y contacto para minimizar pérdidas por recombinación. El óxido de aluminio (Al₂O₃) depositado por deposición de capas atómicas (ALD) es ampliamente adoptado para este propósito debido a su excelente control de espesor y pasivación por efecto de campo. En este variamos sistemáticamente el espesor de Al₂O₃ crecido por ALD de 0,24 a 1,9 nm sobre uniones n⁺‑p de Si implantadas y correlacionamos mediciones de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y rayos X dispersivos en energía (EDX) con métricas de rendimiento eléctrico obtenidas bajo iluminación AM 1.5 G y análisis Suns‑Voc de Sinton. Nuestros resultados identifican 1,2 nm como el espesor óptimo que equilibra resistencia serie mínima con pasivación superior, produciendo un pico de eficiencia cuántica externa (EQE) y una eficiencia de conversión de potencia corregida (PCE) de ~11 %.

Introducción

Reducir la recombinación superficial en uniones p‑n de silicio es esencial para maximizar la generación de fotocorriente en dispositivos fotovoltaicos. La pasivación frontal protege la región iluminada no metalizada, mientras que la pasivación trasera mitiga la recombinación en la interfaz de contacto. Los contactos metal‑silicio convencionales exhiben alta recombinación, lo que lleva al uso de contactos de área pequeña con dopaje local bajo o capas dieléctricas delgadas de túnel para pasivación local. Recientemente, capas de pasivación selectivas de portadores han mostrado promesa, permitiendo que un tipo de portador tunelice mientras bloquea el otro.

El Al₂O₃ depositado por ALD es el estándar industrial para pasivación superficial porque ofrece control de espesor sub‑nanométrico e introduce cargas fijas negativas que proporcionan fuerte pasivación por efecto de campo. Sin embargo, el espesor óptimo de Al₂O₃ sigue debatido, con valores reportados desde 0,24 nm hasta 30 nm. Muchos estudios se centran en velocidad de recombinación superficial (Sₑ) en lugar de métricas a nivel de dispositivo, subrayando la necesidad de una correlación directa entre estructura de interfaz y rendimiento eléctrico.

En este trabajo depositamos capas de Al₂O₃ de 0,24–1,9 nm sobre uniones n⁺‑p de Si implantadas, empleamos HRTEM/EDX para confirmar espesores a escala atómica, y medimos resistencia serie, factor de idealidad, vida de portadores, EQE y PCE. Los datos revelan que 1,2 nm de Al₂O₃ proporciona pasivación óptima manteniendo baja resistencia de túnel.

Métodos

Fabricación de dispositivos

Uniones n⁺‑p de Si implantadas se fabricaron sobre obleas de 4 pulgadas, dopadas con boro tipo p (100) (5–10 Ω·cm). Iones de fósforo (10¹⁴ at cm⁻², 180 keV) se implantaron, seguidos de recocido a 900 °C durante 5 min para activar dopantes. Una capa de túnel de Al₂O₃ (0,24–1,9 nm) se depositó por ALD térmico (TMA/H₂O, 290 °C) en sistema PICOSUN R200; cada ciclo produce ~0,12 nm. Una capa nativa de SiO₂ de 1,5 nm se formó naturalmente en la superficie de Si. Una capa superpuesta de SiNₓ:H de 80 nm se depositó por PECVD (340 °C, 1 Torr, 10 W) y recoció a 650 °C durante 10 min para impulsar H al Si. Electrodos de dedo Ti/Au (20/800 nm) se depositaron por sputtering en el frente, y un contacto posterior de Ti/Au de 400 nm se evaporó. Recocido final a 400 °C durante 10 min aseguró contactos óhmicos.

Caracterización

Muestras transversales TEM se prepararon por FIB en un FEI Helios dual‑beam Nanolab 600i. HRTEM, STEM‑HAADF y STEM‑EDX se realizaron en microscopio JEOL ARM200F (200 kV). Las imágenes se adquirieron junto a la dirección Si[011] para alinear el haz de electrones con la interfaz Al₂O₃/Si. Las mediciones eléctricas se realizaron bajo iluminación AM 1.5 G usando simulador Oriel Sol3ATM. Para aislar efectos de resistencia serie, se empleó el método Suns‑Voc de Sinton, proporcionando un barrido de voltaje de circuito abierto con lámpara de flash de xenón y filtros de densidad neutra.

Resultados y discusión

La imagen HRTEM confirmó la presencia de una capa de Al₂O₃ amorfa sobre el SiO₂ nativo, con espesores de 0,9, 1,2 y 1,9 nm para los ciclos ALD de 0,24, 1,0 y 1,9 nm, respectivamente. STEM‑HAADF combinado con mapas EDX verificó la distribución elemental: contrastes brillantes corresponden a Al₂O₃ rico en Al, mientras que señales de Si están ausentes dentro del óxido. Perfiles de intensidad a través de la interfaz produjeron espesores precisos consistentes con el modelo de deposición ALD.

La resistencia serie (Rₛ) permaneció constante (~1,1 Ω) para espesores de Al₂O₃ hasta 1,2 nm, luego se disparó a ~3,1 Ω a 1,9 nm, indicando el inicio de resistencia de túnel significativa. El modelado con la ecuación de probabilidad de túnel mostró que la altura de barrera (ϕ_B) de 2,08–3,5 eV (SiO₂/Al₂O₃) reproduce la tendencia observada de Rₛ, confirmando que capas delgadas (<1,2 nm) mantienen Rₜₕ despreciable mientras proporcionan pasivación efectiva por efecto de campo.

El factor de idealidad (n) disminuyó de >2 (sin pasivar) a ~1,5 al aumentar espesor de Al₂O₃, alcanzando un pico a 1,2 nm. A 1,9 nm, n subió bruscamente a 4, reflejando el impacto detrimento de Rₛ aumentada. La vida de portadores, derivada de decaimiento de voltaje de circuito abierto, reflejó este comportamiento: las vidas mejoraron con espesor hasta 1,2 nm y disminuyeron a 1,9 nm, probablemente debido a difusión reducida de H desde la capa SiNₓ durante el recocido.

Las mediciones EQE mostraron la mayor respuesta en el rango 600–900 nm para la muestra de Al₂O₃ 1,2 nm, con caída pronunciada a longitudes de onda más largas debido a recombinación trasera. La PCE medida alcanzó 5 % para 1,2 nm bajo iluminación estándar, pero la PCE corregida (Rₛ = 0) permaneció alrededor del 11 % en todos los espesores, subrayando la calidad intrínseca de la pasivación.

Conclusiones

Las capas de Al₂O₃ crecidas por ALD proporcionan una pasivación de túnel efectiva para uniones n⁺‑p de silicio. A través de análisis estructural combinado HRTEM/EDX y pruebas eléctricas exhaustivas, identificamos 1,2 nm como el espesor óptimo que entrega fuerte pasivación por efecto de campo mientras evita resistencia serie excesiva. Aunque la eficiencia del dispositivo no se optimizó completamente, la estrategia de pasivación de 1,2 nm demostrada ofrece una vía clara para mejorar celdas solares de silicio de alta eficiencia.