Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 637-643 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:01987002207063700

Influence and passivation of extended crystallographic defects in polycrystalline silicon

S. Martinuzzi

Laboratoire de Photoélectricité des Semi-conducteurs, Université d'Aix-Marseille , Faculté des Sciences et Techniques de Saint-Jérôme, 13397 Marseille Cedex 13, France

Abstract
Influence and passivation of extended crystallographic defects are investigated in large grained polycrystalline silicon wafers and N+ P solar cells. When the mean grain size exceeds 1 mm, the influence of intragrain defects becomes predominant. It was found that the defects have not by themselves a noticeable recombination activity and that the segregation of impurities (oxygen...), could be the main source of trap centres. Two techniques of passivation by hydrogenation are used : ion implantation and anneal in gas flow. The improvements of minority carrier diffusion lengths, and the increase of light beam induced currents at A = 940 nm, indicate that hydrogen effects are essentially bulk effects. Nevertheless, the material is improved up to a depth of about 30 μm only after ion implantation or annealing in gas flow. As desorption of hydrogen occurs at temperatures lower than 500 °C, it is assumed that the passivation is more related to chemical effects with impurities segregated at extended crystallographic defects than the result of the saturation of dangling bonds.

Résumé
L'influence et la passivation de défauts cristallographiques étendus sont étudiées dans du silicium polycristallin à gros grains aussi bien dans des plaquettes que dans des photopiles solaires à jonctions N+ P. Quand la taille moyenne des grains dépasse 1 mm, l'influence des joints de grains sur les propriétés électriques devient négligeable, tandis que celle des défauts intragrains prédomine. Les défauts n'ont pas, par eux-mêmes, une activité recombinante importante, et c'est la ségrégation d'impuretés (oxygène), qui semble les activer. Deux techniques de passivation par l'hydrogène ont été utilisées : l'implantation d'ions et le recuit à basse température dans un flux de gaz. Les améliorations de longueur de diffusion des porteurs minoritaires, ainsi que les augmentations de photocourant obtenues avec des spots lumineux focalisés (λ = 940 nm), montrent que les effets des hydrogénations sont essentiellement des effets volumiques. Toutefois, la profondeur de passivation ne dépasse pas 30 μm après implantation d'ions et semble plus faible encore après recuit dans un flux de gaz. Comme la désorption de l'hydrogène se produit à des températures inférieures à 500 °C, la passivation par l'hydrogène paraît plus résulter de réactions chimiques avec des impuretés ségrégées aux défauts cristallographiques étendus que de la saturation de liaisons pendantes.

PACS
6170P - Stacking faults, stacking fault tetrahedra and other planar or extended defects.
6170T - Doping and implantation of impurities.
6475 - Solubility, segregation, and mixing.
6480G - Microstructure.
7220J - Charge carriers: generation, recombination, lifetime, and trapping semiconductors/insulators.
7280C - Electrical conductivity of elemental semiconductors.
8630J - Photoelectric conversion: solar cells and arrays.
2520C - Elemental semiconductors.
8420 - Solar cells and arrays.

Key words
carrier lifetime -- crystal defects -- elemental semiconductors -- minority carriers -- passivation -- silicon -- solar cells -- semiconductor -- extended crystallographic defects -- polycrystalline -- wafers -- n sup + p solar cells -- grain size -- intragrain defects -- segregation -- impurities -- trap centres -- hydrogenation -- ion implantation -- minority carrier diffusion lengths -- light beam induced currents -- bulk effects -- annealing -- desorption -- chemical effects -- dangling bonds -- H -- Si:O,H