Stability of silicon surface passivation under damp heat and light soaking

Kiteiseen piihin perustuvien aurinkokennojen luotettavuus on tärkeää ilmastonmuutoksen torjunnassa, sillä ne vastaavat n. 95% maailmassa tällä hetkellä tuotetuista aurinkokennoista. Kenttäolosuhteissa aurinkokennot altistuvat voimakkaalle auringonvalolle, korkeille lämpötiloille sekä ilmankosteudelle, mikä voi olla haitallista niiden pintapassivoinnille. Tässä väitöskirjassa tutkittiin piin pintapassivoinnin stabiiliutta pitkäkestoisen valotuksen sekä korkealle ilmankosteudelle altistumisen aikana. Lisäksi tutkittiin mahdollisia mekanismeja havaituille rappeumille. Erityisesti tarkasteltiin spatiaalisen atomikerroskasvatuksen (SALD), passivointikalvon paksuuden, rajapintaoksidin ominaisuuksien, sekä nanorakenteisen pintatekstuurin vaikutusta passivoinnin stabiiliuteen. Työssä osoitettiin SALD-menetelmällä kasvatetun AlOx-kalvon kyky passivoida piin nanorakenteinen pinta. 20 nm:n paksuudella SALD-kalvo oli yhtä tehokas passivoinnissa kuin tavallisella ALD:llä kasvatettu kalvo, mutta pinnoitusnopeus oli 9 kertaa suurempi. Kosteusaltistuksessa havaittiin, että AlOx-kalvon paksuus vaikutti stabiiliuteen enemmän kuin pinnan nanorakenne. Pintapassivointi oli stabiili 1000 tunnin mittaisessa kosteusaltistuksessa 20 nm:n paksuisilla kalvoilla, mutta tätä ohuempien kalvojen pintapassivointiominaisuudet rappeutuivat joko kalvon varauksen alenemisen tai pintadefektien lisääntymisen vuoksi. Valotuksen alla passivointi pysyi vakaana yli 5 nm:n paksuisilla kalvoilla. Kokeissa havaittiin, että RCA2-käsittelyllä kasvatettu SiOx-kerros AlOx-kalvon alla paransi stabiiliutta merkittävästi, joten rajapinnan oksidi oli yksi stabiiliuden avaintekijöistä. Valotuksen alla pintarekombinaation kasvua ei voitu selittää kalvon varauksen muutoksella tai rajapintadefektien määrän kasvulla, minkä vuoksi työssä tutkittiin myös epäpuhtauksien mahdollista vaikutusta ilmiöön. Kuparia sisältävissä piinäytteissä havaittiinkin merkittävää pintarappeumaa, joten aurinkokennojen valmistuksessa piihin päätyvät kupariepäpuhtaudet saattavat selittää osaltaan pintarekombinaation kasvun. Lisäksi osoitettiin, että kuparin aiheuttama rappeuma piin sisäosissa voidaan poistaa aurinkokennoista pimeässä tehtävin lämpökäsittelyin. Tämä menetelmä saattaa kuitenkin johtaa lisääntyneeseen pintarekombinaatioon. Väitöskirjassa esitetyt tulokset tuovat lisätietoa piin pintapassivoinnin stabiiliudesta sekä tiedeyhteisölle että useille teollisuuden toimijoille. Tulokset hyödyttävät aurinkokennoalan lisäksi mikroelektroniikkateollisuutta ja valoilmaisimien valmistusta. Näillä aloilla stabiili pintapassivointi on välttämätöntä sähköisten komponenttien toiminnan kannalta, ja sen toteuttaminen edellyttää tarkkoja  prosessivaatimuksia ja epäpuhtauksien hallintaa.