Photovoltaic Characterization of Si and SiGe Surfaces Sonochemically Treated in Dichloromethane

Abstract

Процеси рекомбінації та захоплення електронів і дірок через поверхневі центри рекомбінації та захоплення суттєво впливають на ефективність різних фотоелектричних пристроїв. Через це у процесі виробництва таких пристроїв значну увагу приділяють пасивації поверхонь. Різні аспекти пасивації поверхні Si та SiGe достатньо широко розглянуті в літературі. Зокрема, показано, що сонохімічна обробка поверхні, наприклад. в хлороформі (CHCl3), може значно покращити фотоелектричний відгук. У даній роботі показано, що й інший карбон-місткий реакційноздатний поверхневий травник, дихлорметан (CH2Cl2), використаний у сонохімічному реакторі, може ефективно впливати на величину поверхневої фото-ЕРС в зразках Si та SiGe. Дослідження рентгенівської дифракції показали, що шар сплаву Si-Ge утворює тверді розчини Si в Ge (що містить приблизно 59 ат. % Si) та Ge в Si (наближено 90 ат. % Si). У монокристалічному Si отримано збільшення на порядок величини сигналу фото-ЕРС із трохи затягнутою кривою її релаксації. В SiGe це збільшення фотовідгуку складає біля 50 %. На відміну від Si, сонохімічна обробка поверхні SiGe веде до прискорення короткочасної компоненти та уповільнення довготривалої складової сигналу поверхневої фото-ЕРС, що описується подвійною експоненціально спадаючою функцією. Оскільки дихлорметан виступає в якості джерела вуглецю, можна припустити, що звільнений при сонохімічній обробці вуглець ефективно пасивує вільні кремнієві зв’язки. На наш погляд, сонохімічна обробка має потенціал використання для пасивації поверхонь у виробництві сонячних батарей на основі Si та SiGe.

It is well known that the near-surface recombination and trapping of photoexcited free carriers significantly affect the photovoltaic performance. Passivation techniques are therefore in great demand for current photovoltaic technologies. Different aspects of the surface passivation in Si and SiGe were widely addressed. It was particularly concluded that sonochemical surface treatments, e.g. in chloroform (CHCl3), can significantly improve the photovoltaic response. It is shown in this work that another reactive surface etchant containing carbon, dichloromethane (CH2Cl2), placed into the sonochemical reactor can effectively modify the surface photovoltaic response of Si and SiGe surfaces. X-ray diffraction studies revealed that the Si-Ge alloy layer exhibits solid solutions of Si in Ge (approximately 59 % of Si atoms) and Ge in Si (approximately 90 % of Si atoms). An order of magnitude larger photovoltaic signal, which is accompanied by slightly prolonged decay times, is observed in single crystal Si. A 50 % increase in the photovoltaic amplitude is reproduced in SiGe. In contrast to Si, sonochemical treatment of the SiGe surface tends to speed up the short-term component and slow down the long-term component of the double-exponential surface photovoltage signal. As dichloromethane acts as a carbon source, it can be suggested that sonochemically decomposed carbon atoms can effectively passivate silicon dangling bonds. We believe this sonochemical treatment step can be used for the surface passivation in manufacturing Si- and SiGe-based solar cells.