Untersuchung einer kristallinen Silizium-Solarzelle mit schwarzer Siliziumschicht auf der Rückseite

Hintergrund

Hoch oberflächengeätztes Si, das mit Metall- oder Nichtmetallionen beladen oder dotiert wurde, könnte ein starkes und breitbandiges Absorptionsvermögen aufweisen [1,2,3,4,5,6]. Dieser Si-Typ oder schwarzes Si (b-Si) hat aufgrund seiner möglichen Anwendung in der Breitband-Photovoltaik viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen [7,8,9]. Bisherige Untersuchungen von b-Si-Solarzellen konzentrierten sich auf eine solche Konfiguration, bei der sich die b-Si-Schicht an der Vorderseite der Solarzelle befindet [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]. In diesem Fall sind Elektron-Loch-Paare, die durch die Subbandlücke im nahen Infrarot (NIR)-Absorption an der b-Si-Schicht induziert werden, weit entfernt von der PN-Übergangszone und können durch das eingebaute Feld nicht in Ladungsträger zerlegt werden. wodurch die photovoltaische Reaktion des Subband-Gap-NIR unmöglich wird. Es wird dann angenommen, dass, wenn die b-Si-Schicht auf der Rückseite platziert wird, die durch die NIR-Absorption induzierten Elektron-Loch-Paare durch das Si/Oxid-Grenzflächenfeld auf der Rückseite [20] oder durch ein dort eingebautes Feld zerlegt werden könnten wenn eine Konfiguration mit interdigitalem Rückkontakt (IBC) verwendet wird [21], wodurch die photovoltaische (PV) Reaktion einer solchen kristallinen (c)-Si-Solarzelle auf den Subbandgap-NIR-Bereich ausgedehnt wird. Leider würde die große spezifische Oberfläche von b-Si normalerweise eine hohe Oberflächenrekombination verursachen, die die Solarzellenleistung stark verschlechtern würde [10, 15, 22]. Bevor wir mit der Untersuchung der Subbandgap-NIR-Reaktion von c-Si-Solarzellen beginnen, ist es daher notwendig zu wissen, wie groß die Oberflächenrekombination von b-Si sein könnte und wie ihr Einfluss minimiert oder vermieden werden kann [23]. In dieser Arbeit haben wir die PV-Reaktion einer c-Si-Solarzelle mit b-Si auf der Rückseite untersucht und die unseren Beobachtungen zugrunde liegende Physik untersucht.

Methoden

Materialien

P-Typ-Si<100>-Wafer (CZ, doppelseitig poliert, 10 × 10 × 0,2 mm ³ in der Größe 1–10 Ω cm) wurde als Substrat verwendet. Der Si-Wafer wurde mit Ultraschall gereinigt und dann in verdünntes HF (1 %) getaucht, gefolgt von einem Ätzen in NaOH/Alkohol/H₂ O (0,5 g/200 ml/200 ml) Lösung bei 90 °C für 15 Minuten, um die Oberfläche zur Entspiegelung leicht zu texturieren, und dann in entionisiertem Wasser spülen. Zur Herstellung von b-Si auf der Rückseite wurde eine Ag-Schicht mit einer scheinbaren Dicke von 3 nm als Katalysator durch Widerstandserhitzen in einer selbstgebauten Vakuumkammer mit einem Basisdruck von weniger als 5 × 10 ^{– . auf eine Oberfläche des Si-Substrats aufgedampft 4} Pa. Nach dem Eintauchen des Si-Wafers in HF(40%):H₂ O₂ (30%):H₂ O = 1:5:10 Lösung für 120 s bei Raumtemperatur, eine b-Si-Schicht wurde auf dieser Si-Oberfläche oder auf der Rückseite der Solarzelle gebildet. Dann wurde eine Phosphorpaste auf der anderen Si-Oberfläche oder der Vorderseite der Solarzelle abgeschieden, gefolgt von einem Tempern bei 900 °C für 20 Minuten in Stickstoff, um einen PN-Übergang zu bilden. Ein 20 nm dickes SiO₂ Zur Oberflächenpassivierung wurde eine Schicht auf die Vorderseite der Solarzelle aufgedampft. Für die Passivierung der Rückseite wird ein 10 nm dickes Al₂ O₃ Schicht wurde mit der Technik der Atomlagenabscheidung (ALD) (Beneq TFS 200) abgeschieden. Als Frontelektrode wurde auf der Vorderseite eine 80 nm dicke ITO-Schicht abgeschieden. Als Rückelektrode wurde eine 2 µm dicke Al-Schicht durch Widerstandsheizung aufgedampft. Ein thermisches Glühen in Stickstoff bei 425 °C für 5 Minuten wurde durchgeführt, um die Herstellung der c-Si-Solarzelle abzuschließen. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass wir uns in dieser Arbeit auf den Effekt von b-Si auf der Rückseite auf die PV-Antwort konzentriert haben; daher war die Vorderseite nur leicht texturiert und nicht stark geätzt, um b-Si zu bilden.

Messungen

Die Reflexionsspektren wurden unter Verwendung eines UV-vis-NIR-Spektrophotometers (Shimadzu, UV-3101PC) gemessen. Die Oberflächenmorphologie wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) (Philips, XL 30) gemessen. Die PV-Parameter der Solarzelle wurden mit einem Sonnensimulator (Oriel/Newport, Modell 94023A) unter 1-Sun AM1.5G-Bedingungen erhalten. Die externe Quanteneffizienz (EQE) der Solarzelle wurde auf einem QE-System von Oriel/Newport erfasst. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Messungen wurden auf einem JEOL EM-3000-System durchgeführt. Oberflächenemittierende Photolumineszenz (PL)-Spektren wurden mit einem Spektrophotometer (Ocean Optics USB2000) mit einem 325-nm-He-Cd-Laser (Melles Griot, Modellreihe 74) als Anregungsquelle aufgenommen. Die Oberflächenpotentiale von p-Si und b-Si wurden mit einem Kelvin-Sondensystem (KP Technology SKP5050) gemessen, die sogenannte Kontaktpotentialdifferenz oder CPD-Identifikation.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt eine schematische Darstellung einer leicht oberflächentexturierten c-Si-Solarzelle nach Vorder- und Rückseitenpassivierung. Abbildung 1b zeigt eine schematische Darstellung einer ähnlich strukturierten Solarzelle, jedoch mit b-Si auf der Rückseite. Die Dicke der Solarzelle beträgt ungefähr 200 μm.

Schema von leicht oberflächentexturierten c-Si-Solarzellen ohne (a ) und mit (b ) b-Si hinten

Abbildung 2a zeigt ein REM-Bild in Draufsicht der strukturierten Vorderseite. Abbildung 2b zeigt ein REM-Bild in Seitenansicht der b-Si-Oberfläche. Die durchschnittliche Höhe der Nanostruktur von texturiertem Si beträgt 10~20 nm, während die von b-Si ~~110 nm beträgt. Abbildung 2c zeigt ein hochauflösendes (HR) TEM-Bild von b-Si, bei dem das nanokristalline Si als Reflexion an den Beugungsstreifen erkennbar ist. Diese Kristallinität von b-Si wird auch durch das SAED-Muster (Selected Area Electron Diffraktion) angezeigt, wie in Abb. 2d gezeigt.

SEM-Bilder von oberflächenstrukturiertem Si (a ) und oberflächengeätztes b-Si (b ), HRTEM (c ) und SAED (d ) von b-Si

Abbildung 3a zeigt die Absorptionsspektren für einen Wafer-Si (bezeichnet als „Si“), b-Si, das dem einfallenden Licht zugewandt ist (bezeichnet als „b-Si nach oben“) und b-Si mit der Rückseite zum einfallenden Licht (bezeichnet als „b -Si nach unten“). Für "Si" ist zu sehen, dass die Wellenlänge größer als 1100 nm ist und wie erwartet fast keine Absorption auftritt, wenn die Photonenenergie kleiner als die c-Si-Bandlückenbreite (1,1 eV) ist. Für „b-Si nach oben“ jedoch zusätzlich zu der starken Verbesserung der Absorption im Bereich von 300–1100 nm aufgrund des starken Lichteinfangs durch die Nanostrukturen von b-Si [1,2,3,4,5, 6,7,8,9, 24,25,26,27,28,29,30,31] erscheint die Subbandlücken-NIR-Absorption. Diese Subbandlücken-Absorption könnte auf die Bildung von Störstellenniveaus innerhalb der Bandlücke zurückgeführt werden, die die Absorption von Photonen mit niedrigerer Energie ermöglicht [25,26,27,28, 32]. Die Absorption der Subbandlücke kann mit Hilfe von Light Trapping effizient sein [25,26,27,28, 32]. Für „b-Si abwärts“ steigt die Absorption im Bereich von 300–1100 nm gegenüber der von „Si“. Es wurde festgestellt, dass, obwohl auf dieser Vorderseite kein Ag abgeschieden wurde, es während der Bildung von b-Si auf der Rückseite immer noch leicht texturiert war. Diese Oberflächentexturierung verstärkte den Lichteinfang. Es ist ersichtlich, dass, obwohl ein Teil der Teilbandlücke NIR an der Vorderfläche reflektiert wird, der größte Teil der NIR-Absorption noch übrigbleibt. Dies ist es, was man braucht, um in Zukunft eine c-Si-Solarzelle mit Subbandgap-NIR-Reaktion zu entwickeln. Abbildung 3b zeigt ein gemessenes PL-Spektrum von b-Si, und die eingefügte Abbildung ist eine Fotografie des b-Si unter der Beleuchtung des 325-nm-Lasers. Für den Si-Wafer wird keine PL-Emission gefunden. Die PL-Emission von b-Si ist ein weiterer Hinweis darauf, dass Si-Nanokristalle existieren, wie in Abb. 2c gezeigt [10, 33].

Absorptionsspektren eines Wafers Si, b-Si, das dem einfallenden Licht zugewandt ist, und b-Si mit seiner Rückseite zum einfallenden Licht (a ). PL von Si und b-Si unter Beleuchtung eines 325-nm-Anregungslasers (b ). Der Einschub zeigt das b-Si unter Beleuchtung des 325-nm-Lasers

Wir untersuchen nun, wie sich das b-Si auf der Rückseite der c-Si-Solarzelle auf deren Leistung auswirken würde. Unter b-Si-Solarzelle wird im Folgenden die c-Si-Solarzelle mit einer b-Si-Schicht auf der Rückseite verstanden. Zum Vergleich haben wir vier c-Si-Solarzellen hergestellt, d. h. eine Wafer-Si-Solarzelle (bezeichnet als „Wafer“), eine Wafer-Si-Solarzelle mit Al₂ O₃ Passivierung auf der Rückseite (bezeichnet als „Wafer + Al₂ O₃ “), b-Si-Solarzelle (als „b-Si“ bezeichnet) und b-Si-Solarzelle mit Al₂ O₃ Passivierung auf der Rückseite (bezeichnet als „b-Si + Al₂ O₃ “). Alle vier Solarzellen sind an der Vorderseite texturiert. Die Stromdichte-Spannung (J -V )-Kurven der vier Solarzellen sind in Abb. 4a und ihre EQE-Kurven sind in Abb. 4b gezeigt. Die entsprechenden PV-Parameter inklusive Leerlaufspannung (V _OK ), Kurzschlussstromdichte (J _SC ), Füllfaktor (FF) und photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad (η ) sind in Tabelle 1 aufgeführt. Im Vergleich zur „Wafer-Si“-Solarzelle nach rückseitiger Passivierung durch Al₂ O₃ , die Zelle von „Wafer + Al₂ O₃ “ zeigt eine weitaus bessere Leistung. Die J _SC , V _OK , FF und η werden erhöht, und es wird eine erhebliche Verbesserung der EQE im gesamten gemessenen Wellenlängenbereich beobachtet. Dieses Ergebnis stimmt mit den vorherigen Berichten überein, da die Oberflächenrekombination durch Al₂ . gut unterdrückt wurde O₃ Passivierung [34,35,36]. Wenn die b-Si-Schicht auf der Rückseite vorhanden ist, nimmt der J .-Wert deutlich ab _SC , V _OK , und η der „b-Si“-Zelle wäre aufgrund der hohen Oberflächenrekombination aufgrund der großen spezifischen Oberfläche von b-Si im Vergleich zur „Wafer“-Zelle zu erwarten [15, 22]. Im Gegenteil, die Leistung von „b-Si“ erweist sich jedoch als stark verbessert, mit einer Effizienz, die sogar der von „Wafer + Al₂ . nahe kommt O₃ “ und mit einem relativen Anstieg von 27,7 %. Auch die EQE-Kurve zeigt eine deutliche Breitbandverstärkung. Eine durch eine große Oberfläche induzierte hohe Oberflächenrekombination scheint hier nicht vorzukommen. Wir fahren dann fort, die Zelle von „b-Si + Al₂ . zu überprüfen O₃ ” und finde das nach Al₂ O₃ Passivierung hinten, J _SC , V _OK , FF und η weiter ansteigen und damit auch die EQEs. Dies weist darauf hin, dass Al₂ O₃ passiviert immer noch effizient die Rückseite wie im Fall von „Wafer + Al₂ O₃ .“ Die Rolle von b-Si auf der Rückseite ist unerwartet interessant und muss weiter erforscht werden.

Photovoltaik J -V (a ) und EQE-Kurven (b ) für die Solarzellen von „Wafer“, „Wafer + Al₂ O₃ “, „b-Si“ und „b-Si+Al₂ O₃ ”

Abbildung 5 zeigt ein Energiebanddiagramm des PN-Übergangs mit b-Si auf der Rückseite. Dass das Leitungsbandminimum von b-Si 0,4 eV über dem von p-Si liegt, ergibt sich aus der CPD-Messung. Da das b-Si direkt auf dem p-leitenden Si aufgewachsen wird, sollte der Abstand zwischen dem Fermi-Energieniveau und dem Valenzbandmaximum grundsätzlich gleich gehalten werden, da die Dotierungskonzentration gleich ist [37]. Daher ist die Bandlückenbreite von b-Si größer als die von Wafer-Si. Dies steht im Einklang mit der Bildung von nanokristallinem Si, deren PL-Emission, wie in den Fign. 2c bzw. 3b und der Quanten-Confinement-Effekt [38]. Bei einer solchen abgestuften Bandlücke an der Rückseite würden freie Elektronen vom b-Si und der Rückseitenelektrode ausgestoßen [39]; währenddessen wird das Driften von Löchern in Richtung der Rückelektrode nicht beeinflusst, wie in Fig. 5 gezeigt. Auf diese Weise kann die Wahrscheinlichkeit einer Elektron-Loch-Rekombination bei b-Si stark reduziert und das Problem einer hohen Oberflächenrekombination effizient vermieden werden . Die gebildete abgestufte Bandlücke erklärt, warum die „b-Si“-Zelle eine weitaus bessere Leistung als die „Wafer“-Zelle hat, obwohl ihre spezifische Oberfläche viel größer ist.

Energiebanddiagramm des PN-Übergangs mit b-Si auf der Rückseite

Die positive Rolle von b-Si auf der Rückseite in der Photovoltaik zeigte sich weiter in PV-Bauelementen mit Heteroübergang, wie in Abb. 6a, b gezeigt. Wie in Abb. 6c gezeigt, wurde bei dieser PV-Vorrichtung mit b-Si auf der Rückseite die EQE im Vergleich zu der ohne b-Si auf der Rückseite offensichtlich verbessert. Die abgestufte Bandlücke an der Grenzfläche von P-Si und b-Si sollte für die Verbesserung der EQE verantwortlich sein [39, 40]. Dieses Ergebnis stimmt qualitativ mit dem in Abb. 4b überein. Obwohl die PV-Konfigurationen für Abb. 4b und Abb. 6c unterschiedlich sind, spielt die b-Si auf der Rückseite im Wesentlichen die gleiche Rolle.

Schema einer heterojunction strukturierten PV-Vorrichtung ohne (a ) und mit (b ) b-Si am Heck und ihre EQE-Kurven (c )

Schlussfolgerungen

Wir haben die c-Si-Solarzelle mit einer b-Si-Schicht auf der Rückseite untersucht. Die c-Si-Solarzelle einer solchen Konfiguration zeigte eine weitaus bessere Leistung als eine c-Si-Solarzelle ähnlicher Struktur, jedoch ohne b-Si auf der Rückseite. Dieses Ergebnis wurde auf die Bildung einer abgestuften Bandlücke auf der Rückseite zurückgeführt, die die Wahrscheinlichkeit einer Oberflächenrekombination auf der Rückseite stark reduzieren kann und somit die Leistung der c-Si-Solarzelle verbessert. Die Ergebnisse dieser Arbeit können in Zukunft auf die Entwicklung einer c-Si-Solarzelle mit Breitband-PV-Antwort, einschließlich der Subband-Gap-NIR-Antwort, angewendet werden.