Silizium-Nanodraht-Heterojunction-Solarzellen mit einem Al2O3-Passivierungsfilm, hergestellt durch Atomlagenabscheidung

Einführung

Kristalline Silizium-(c-Si)-Solarzellen werden weltweit wegen ihrer hohen Effizienz und Häufigkeit verwendet [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Um die Stromerzeugungskosten solcher Solarzellen zu senken, müssen ihr Wirkungsgrad erhöht und ihre Herstellungskosten gesenkt werden. Der Wirkungsgrad von c-Si-Solarzellen liegt jedoch nahe der theoretischen Wirkungsgradgrenze und eine weitere Verbesserung ist schwierig, da die Leerlaufspannung (V _oc ) wird durch Auger-Rekombination limitiert [10, 11]. Die Herstellung sehr dünner c-Si-Schichten ist ein effektiver Weg, um V . zu verbessern _oc , aber extrem dünne c-Si-Solarzellen weisen eine geringe Kurzschlussstromdichte (I _sc ) wegen ihres geringen Absorptionskoeffizienten [12, 13]. In letzter Zeit haben Silizium-Nanodrähte (SiNWs) beträchtliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie einen starken optischen Einschlusseffekt aufweisen, der für das Einfangen von Licht in Solarzellen wesentlich ist [14,15,16,17,18,19,20,21]. In unseren vorherigen Experimenten ist es uns gelungen, die optischen Eigenschaften von SiNWs zu bewerten, indem wir sie mit Polydimethylsiloxan von Siliziumwafern abschälen [22]. Ein 10 µm langes SiNW-Array kann ausreichend Licht absorbieren, was darauf hindeutet, dass SiNWs die Dicke von c-Si-Solarzellen reduzieren können. Da es schwierig ist, ein selbststehendes SiNW-Array herzustellen, wird der Si-Wafer benötigt. In dieser Studie konzentrierten wir uns auf die Herstellung von 10 μm langen SiNW-Arrays auf dem Si-Wafer. Um die Absorption im Wellenlängenbereich unter 1200 nm durch 10 &mgr;m lange SiNW-Arrays zu maximieren, kann daher der Einfluss des Si-Wafers eliminiert werden. Andererseits ist es zum Aufbringen von SiNWs auf Solarzellenstrukturen erforderlich, einen Passivierungsfilm auf ihrer Oberfläche herzustellen, um die Oberflächenrekombination zu reduzieren. Wir haben festgestellt, dass SiNWs ein hohes Seitenverhältnis aufweisen, so dass es schwierig ist, einen Passivierungsfilm durch chemische Gasphasenabscheidung herzustellen. Daher wurde der Passivierungsfilm auf der SiNW-Oberfläche durch Atomlagenabscheidung (ALD) hergestellt [23, 24]. Auf der anderen Seite sind SiNW-Arrays mit Al₂ O₃ kann aufgrund der verbesserten mechanischen Festigkeit nicht vom Siliziumwafer abgezogen werden. Darüber hinaus können sich die Träger aufgrund des isolierenden Al₂ . nicht zum externen Stromkreis bewegen O₃ Film. In dieser Studie schlagen wir eine neue Struktur (dargestellt in Abb. 1) vor, bei der 10 μm lange SiNWs auf einem Si-Wafer hergestellt werden.

SiNW-Solarzellenstruktur mit Al₂ O₃

Um einen Kontakt zwischen den SiNWs und a-Si herzustellen, wird das Al₂ O₃ auf der Oberseite der SiNWs vorhanden, wurde durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) und Ätzen entfernt. Der Einfluss von Al₂ O₃ Ätzen auf die Eigenschaften der Solarzellen wurde untersucht.

Methoden

Herstellung von SiNW-Arrays und Al₂ O₃

Ein p-Typ Si (100) Wafer (8–10 Ω cm, 550 μm) wurde in Flusssäure (HF) Lösung mit AgNO₃ . eingetaucht um Silberpartikel abzuscheiden. Der Si-Wafer wurde chemisch geätzt, unter Verwendung von 4,8 M HF und 0,15 M H₂ O₂ bei Raumtemperatur und anschließend in eine HNO₃ . gegeben Lösung zum Entfernen der Silberschichten. Abschließend wurde die auf dem präparierten SiNW-Array vorhandene Oxidschicht mit der HF-Lösung entfernt. Durch Änderung der Ätzzeit wurden SiNWs mit Längen von 10, 15 und 20 µm hergestellt. Da der Raum zwischen den SiNWs groß ist, wurden Silikapartikel mit einem Durchmesser von etwa 80 nm (dispergiert in einer Ethanollösung) in den Raum zwischen den Drähten gefüllt. Dann 66 nm dickes Al₂ O₃ wurde von ALD hinterlegt, um die baumelnden Bindungen zu passivieren. Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM, JEOL JSM-7001F) wurde angewendet, um die Struktur der präparierten SiNW-Arrays zu untersuchen.

Entfernung von Al₂ O₃ oben auf SiNWs

Als nächstes wurden eine Ätzpaste und das CMP-Verfahren angewendet, um die Oberseite der SiNWs und des Al₂ . zu entfernen O₃ auf sie. Abbildung 2a zeigt die Al₂ O₃ Ätzverfahren mit einer Ätzpaste. Die Ätzpaste wurde auf dem Al₂ . gebildet O₃ Schicht, gefolgt von Glühen, um es zu entfernen. Schließlich wurde die Ätzpaste entfernt. Im Fall von CMP ist der detaillierte Prozess in Abb. 2b dargestellt. Bei der hergestellten Solarzellenstruktur blieb die Länge des SiNW-Arrays konstant bei 10 &mgr;m, und daher wurde die Ätzdicke durch Ändern der Anfangslänge des SiNW-Arrays geändert. Wenn die anfängliche Länge der SiNWs 10 µm betrug, wurde das Ätzen an der Oberseite der Nanodrähte gestoppt (Ätzdicke 0 µm, Länge des SiNW 10 µm, Dicke des verbleibenden Si-Wafers 540 µm), was bedeutet, dass Al ₂ O₃ über den SiNWs wurde nur geätzt. Für eine anfängliche SiNW-Länge von 15 µm wurde die Ätzlänge als 5 µm definiert, einschließlich der 5-µm-SiNWs und Al₂ O₃ (Ätzdicke 5 μm, Länge des SiNW 10 μm, Dicke des verbleibenden Si-Wafers 535 μm). Als die Ätzlänge als 10 µm definiert wurde, betrug die Anfangslänge 20 µm (Ätzdicke 10 µm, Länge des SiNW 10 µm, Dicke des verbleibenden Si-Wafers 530 µm).

Al₂ O₃ Ätzverfahren und Herstellungsverfahren der Solarzelle:a Ätzpaste und b CMP. c Heterojunction-Solarzelle (Referenzsolarzelle)

Herstellung der Solarzellenstruktur

Figur 1 zeigt die hier hergestellten Solarzellenstrukturen; die Heteroübergangsstruktur von a-Si und Si wurde übernommen. Herstellungsverfahren und Zustand der Heteroübergangsstruktur sind die gleichen wie bei der SiNW-Solarzelle und der Referenzsolarzelle in Abb. 2. Im Fall von Referenzsolarzellen ist der p-Typ Si (100)-Wafer (8–10 Ω cm, 550 μm) wurde ohne SiNW verwendet. Ein Doppelheteroübergang wurde durch Abscheiden einer hydrierten amorphen Siliziumschicht vom i-Typ (ia-Si:H, Dicke 5 nm), einer a-Si:H-Schicht vom n-Typ (Dicke 10 nm) und einer a- Si:H-Schicht (Dicke 10 nm) durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD). Zur Herstellung der Frontelektrode wurden Indium-Zinn-Oxid (ITO) (Dicke 80 nm) und ein Ag-Gitter verwendet. Das Reflexionsvermögen der Solarzellen wurde im ultravioletten – sichtbaren – nahen Infrarotbereich gemessen. Quasi-stationäre Photoleitfähigkeitsexperimente (QSSPC, Sin-ton Instruments) wurden durchgeführt, um die Lebensdauer der Minoritätsträger der SiNWs zu messen. Die SiNW-Solarzellen wurden auch durch beleuchtete Strom-Spannung (I-V ) und Quanteneffizienzmessungen. Die Parameter einer Referenzsolarzelle, die ohne Behandlung auf demselben Wafer hergestellt wurde, sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Die Trägerlebensdauer für das SiNW-Array ohne Al₂ O₃ konnte von QSSPC nicht gemessen werden. Auf der SiNW-Oberfläche waren mehrere Defekte vorhanden; diese hängen mit baumelnden Bindungen zusammen, die zu einer beträchtlichen Rekombination von Minoritätsträgern führen können. Um die SiNW-Oberfläche zu passivieren, Al₂ O₃ wurde von ALD hinterlegt, wie in Abb. 3b gezeigt, mit dem Al₂ O₃ Ablagerung wird ohne Platz in das SiNW-Array eingebettet. Wenn Platz in der SiNW/Al₂ . ist O₃ , wird dieser Film durch CMP leicht gebrochen. Darüber hinaus ist der Lebensdauer-Si-Wafer mit Al₂ O₃ mit zunehmender Dicke des Al₂ . erhöht O₃ und es neigte dazu, von 66   nm konstant zu sein, wie in Fig. 4a gezeigt. Aus diesen Ergebnissen ergibt sich die Dicke des Al₂ O₃ Schicht wurde auf 66 nm eingestellt. Abbildung 4b zeigt die Minoritätsträgerlebensdauer jeder Probe als Funktion der Minoritätsträgerdichte. Die Minoritätsträgerlebensdauer von SiNW mit Al₂ O₃ drastisch auf 65 μs erhöht (Abb. 4). Da die baumelnden Bindungen durch das Al₂ . modifiziert wurden O₃ , nahm die Fehlerdichte ab. Außerdem wird die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger von SiNW/Al₂ . verbessert O₃ wurde ein Glühen in Formiergas (FG) durchgeführt und die Trägerlebensdauer auf 157 µs verbessert. Wenn die Trägerlebensdauer von Si-Wafer/Al₂ O₃ als Funktion der Trägerdichte betrachtet wurde, sind die Trends mit und ohne Tempern unterschiedlich. Im Bereich geringer Ladungsträgerdichte erhöht sich die Ladungsträgerlebensdauer um die negative Festladung. Andererseits verringerte sich die Minoritätsträgerlebensdauer ohne Tempern aufgrund der Dominanz der Shockley-Read-Hall-Rekombination. Da die negative Festladung die Bildung der Bandverbiegung an der Grenzfläche zwischen Al₂ . beeinflusst O₃ und Si-Oberfläche kann die Rekombination an der Si-Oberfläche reduziert werden [25]. Wir können die Information über die Existenz negativer fester Ladung durch den Trend der Ladungsträgerlebensdauer als Funktion der Ladungsträgerdichte erhalten. Daher haben wir festgestellt, dass SiNW/Al₂ O₃ nach dem Tempern wurde durch die negative Festladung verbessert. Obwohl SiNWs vollständig von Al₂ . bedeckt waren O₃ , die Träger bewegten sich nicht zum externen Stromkreis. Somit wird zur Herstellung der Solarzellenstruktur das Al₂ O₃ auf der Oberseite der SiNWs vorhanden sind, müssen mit einer Ätzpaste und Anwendung der CMP-Technik entfernt werden.

a Die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger von Si-Wafer/Al₂ O₃ als Funktion des Al₂ O₃ Schichtdicke. b Die Minoritätsträgerlebensdauer jeder Probe als Funktion der Minoritätsträgerdichte

Draufsichten von SEM-Bildern von SiNWs a ohne und b mit Al₂ O₃

Zuerst wurde eine Ätzpaste verwendet, um das Al₂ . zu entfernen O₃ von der Spitze des SiNW-Arrays. Nach dem Ätzen wurde die Heteroübergangs-Solarzellenstruktur durch Bilden eines n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si-Systems hergestellt. Abbildung 5a zeigt die I–V Eigenschaften der SiNW-Solarzelle und der Solarzellenparameter, Serienwiderstand (R _s ), Shunt-Widerstand (R _sch ), Idealitätsfaktor und Rektifikationsverhältnisse (RR). RR ist definiert als I _F /Ich _R , wo ich _F (bei 0,5 V) und I _R (bei − 0 .5 V) bezeichnen den Strom bei Vorwärts- bzw. Rückwärtsvorspannung. Der photovoltaische Effekt wurde für die SiNW-Solarzelle mit Al₂ . beobachtet O₃ , und das Ergebnis zeigt die Entfernung von Al₂ O₃ von der Spitze der SiNWs. Allerdings ist der Wirkungsgrad wegen des geringen Kurzschlussstroms (I _sc ) und Leerlaufspannung (V _oc ) Werte. Im Fall von V _oc , die Trägerlebensdauer von SiNWs mit Al₂ O₃ nach Verwendung der Ätzpaste auf 9 μs verringert. Abbildung 5b zeigt eine stark vergrößerte Draufsicht des SEM-Bildes eines SiNW-Arrays mit Al₂ . O₃ nach dem Ätzen. Der Bereich, in dem die SiNWs belichtet werden, ist klein, und die Anzahl der herausnehmbaren Träger hat abgenommen. Abbildung 5c zeigt die Draufsicht des REM-Bilds mit geringer Vergrößerung. Da das Ätzen ungleichmäßig verläuft und die Form vor dem Ätzen bereits ungleichmäßig war, ist die Ungleichmäßigkeit von Al₂ O₃ nimmt nach dem Ätzen zu. Wir haben festgestellt, dass es schwierig ist, das Al₂ . zu entfernen O₃ gleichmäßig mit der Ätzpaste, aber um das I zu verbessern _sc von SiNW-Solarzellen ist eine gleichmäßige Ätzung erforderlich.

a I–V Eigenschaften einer SiNW-Solarzelle mit Al₂ O₃ mit Ätzpaste entfernt. b Hochvergrößerte Draufsicht des SEM-Bildes von SiNWs mit Al₂ O₃ nach Verwendung einer Ätzpaste. c Draufsicht auf das REM-Bild von SiNWs mit Al₂ . in geringer Vergrößerung O₃ nach Verwendung einer Ätzpaste

CMP wurde durchgeführt, um das Al₂ . gleichmäßig zu ätzen O₃ auf den SiNWs hinterlegt. Abbildung 6a und b zeigen das REM-Bild in Draufsicht von SiNWs mit Al₂ O₃ nach CMP. Erstens brach das SiNW-Array nach CMP nicht, was darauf hindeutet, dass die mechanische Festigkeit des SiNW-Arrays mit Al₂ O₃ wird durch Einbetten des Raums zwischen SiNWs verbessert. Da CMP Al₂ . gleichmäßig ätzen kann O₃ , die Spitze des SiNW/Al₂ O₃ Film wurde flach.

a Draufsicht auf das REM-Bild von SiNWs mit Al₂ . in geringer Vergrößerung O₃ nach CMP. b Hochvergrößerte Draufsicht des SEM-Bildes von SiNWs mit Al₂ O₃ nach CMP. c Querschnittsansicht des SEM-Bildes von SiNWs mit Al₂ O₃ nach CMP

Nach dem CMP wurde die Heteroübergangs-Solarzellenstruktur durch Bilden eines n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si unter Verwendung eines PECVD-Systems hergestellt. Abbildung 7 zeigt die I–V Eigenschaften von SiNW-Solarzellen mit Ätzdicken von 0, 5 und 10 μm und dem Solarzellenparameter R _s , R _sch , Idealitätsfaktor und RR sind in Tabelle 2 aufgeführt. Für eine Ätzdicke von 0 μm (wenn die Oberseite der SiNWs beobachtet wurde, wurde das Ätzen gestoppt) wurde der photovoltaische Effekt mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 0,8% bestätigt. Ich _sc von 6,11 mA/cm ² wurde beobachtet. Obwohl das Ich _sc Wert gegenüber den Ergebnissen der Ätzpaste erhöht, ist aber immer noch ein niedriger Wert. Die Spitze der SiNW-Arrays wurde durch die Oberflächenspannung in Abb. 4a aggregiert. Da ein Teil der SiNWs keinen Kontakt zur a-Si-Schicht hatte, wanderten die Ladungsträger nur schwer in den externen Schaltkreis. Um die Kontaktfläche zu verbessern, wurde die Ätzdicke auf 5 μm erhöht und die I _sc erhöht auf 10,3 mA/cm ² . Bei einer Ätzdicke von 10 μm ist das I _sc verbessert auf 14,0 mA/cm ² . Als die aggregierten SiNW-Arrays entfernt wurden, nahm die Kontaktfläche zwischen SiNW und a-Si zu. Andererseits ist ein extrem niedriges V _oc von 0,3 V wurde erhalten. Die Minoritätsträger wurden nach CMP gemessen und die Lebensdauer der Minoritätsträger verringerte sich drastisch von 157 auf 19 μs, da die Passivierungsqualität des Al₂ O₃ Anzahlung um CMP verringert. Da die Minoritätsträgerlebensdauer im Bereich niedriger Minoritätsträgerdichte nach CMP abnahm, nahm die negative Festladung ab. Das Rekombinationszentrum auf der SiNW-Oberfläche nahm zu, was zu einem niedrigen V . führte _oc . Außerdem wird bei Drähten die Ladungsträgerbeweglichkeit aufgrund der Streuung von Ladungsträgern an der Oberfläche verringert und die Leitfähigkeit erniedrigt. Obwohl diese Ergebnisse darauf hindeuteten, dass negative Festladungen durch CMP reduziert werden könnten, ist der Mechanismus noch unklar. Auf der anderen Seite, wenn die R _s , R _sch , Idealitätsfaktor und RR der Ätzpaste und das CMP-Ergebnis verglichen wurde, ist jeder Parameter der Ätzpaste besser als der von CMP. Seit R _s von CMP ist größer als der von Ätzpaste und R _sch von CMP niedriger ist als der von Ätzpaste, können Verunreinigungen auf der Oberseite von SiNW verbleiben, was einen guten Kontakt zwischen SiNW und a-Si verhindert. Daher ist eine weitere Studie erforderlich, um die Verbesserung der Passivierungsqualität zur Verbesserung des V . zu untersuchen _oc und ich _sc von Solarzellen.

a I–V Eigenschaften von SiNW-Solarzellen mit Al₂ O₃ von CMP entfernt

Die Quanteneffizienz von 10 µm langen SiNW- und c-Si-Solarzellen wurde verglichen. Bei der externen Quanteneffizienz (EQE) ist die Intensität der SiNW-Solarzelle meist geringer als die der c-Si-Solarzelle in Abb. 8a. Allerdings wurde die EQE der SiNW-Solarzelle im Bereich von 300 auf 500 nm verbessert. Abbildung 8b zeigt das Reflexionsvermögen der SiNWs- und c-Si-Solarzellen, und es kann beobachtet werden, dass das Reflexionsvermögen des SiNWs-Geräts niedriger ist als das des c-Si-Geräts, insbesondere im kurzwelligen Bereich (von 300 bis 500  nm .). ), wo sie drastisch abnimmt. Obwohl das Reflexionsvermögen der SiNW-Solarzelle niedriger ist als das der c-Si-Solarzelle, ist die EQE der SiNW-Vorrichtung in anderen Bereichen niedriger als die der c-Si-Solarzelle. Da ein langwelliger Lichtbereich am Boden von SiNWs absorbiert wurde, nahm die EQE der SINW-Solarzelle ab. Die internen Quanteneffizienzen (IQE) der SiNW- und c-Si-Solarzellen wurden diskutiert, um den Einfluss der Reflexion zu eliminieren. Der Wellenlängenbereich, in dem der IQE der SiNW-Solarzelle höher ist als der der c-Si-Solarzelle, nahm ab. Im Wellenlängenbereich unter 340  nm ist der IQE des SiNW-Bauelements höher als der der c-Si-Solarzelle, was zu einer Erhöhung der Absorption der SiNWs führt. Die Zunahme der Absorption wird eher durch einen Lichteinfangeffekt als durch den optischen Hohlraumeffekt verursacht. [26, 27] Um den optischen Hohlraumeffekt mit SiNW zu erhalten, sollten Durchmesser und Position von SiNW kontrolliert werden. Da der Durchmesser und die Position des von MAE hergestellten SiNW zufällig waren, ist es schwierig, den optischen Hohlraumeffekt unter Verwendung des SiNW zu erhalten. Andererseits kann die zufällige Struktur von SiNW einen starken Lichteinfangeffekt haben, was darauf hindeutet, dass von MAE hergestellte SiNWs vielversprechend für die Verdünnung von kristallinem Silizium sind.

a EQE und IQE einer SiNW-Solarzelle und einer Referenzsolarzelle. b Reflexionsvermögen einer SiNW-Solarzelle und einer Referenzsolarzelle

Schlussfolgerung

Die Oberflächenpassivierung von SiNWs ist entscheidend für ihre Anwendung in Solarzellen. Al₂ O₃ wurde von ALD hergestellt, um die baumelnden Bindungen zu passivieren. Da ALD Al₂ . einzahlen kann O₃ über die gesamten SiNWs kann sich der Träger nicht zum externen Kreislauf bewegen. In dieser Studie wurden eine Ätzpaste und die CMP-Technik angewendet, um Al₂ . zu ätzen O₃ von der Spitze der SiNWs. Mit der Ätzpaste wurden erfolgreich SiNW-Solarzellen mit 0,14% Wirkungsgrad erhalten. Da das SiNW-Array jedoch durch die Oberflächenspannung aggregiert wurde, war die Kontaktfläche zwischen SiNWs und a-Si klein, was zu einem niedrigen I . führte _sc . Um die Effizienz weiter zu verbessern, wurde die Ätzdicke erhöht und die Effizienz konnte durch Erhöhung von I . auf 1,6 % verbessert werden _sc . Bei der EQE ist die Intensität der SiNW-Solarzelle geringer als die der c-Si-Solarzelle. Da das Reflexionsvermögen im Kurzwellenbereich von 300 bis 500  nm drastisch verringert ist, wurde die EQE verbessert. Die IQEs der SiNW- und c-Si-Solarzellen wurden diskutiert, um den Einfluss der Reflexion zu eliminieren. Im Wellenlängenbereich unter 340  nm ist der IQE des SiNW-Bauelements höher als der der c-Si-Solarzelle, was zu einer erhöhten Absorption der SiNWs führt, was darauf hindeutet, dass SiNWs vielversprechend für die kristalline Siliziumverdünnung sind.

Abkürzungen

Al₂ O₃ :

Aluminiumoxid

CMP:

Chemisch-mechanisches Polieren

EQE:

Externe Quanteneffizienz

I _F :

Der Strom bei Vorwärtsspannung

IQE:

Interne Quanteneffizienz

I _R :

Der Strom bei Sperrspannung

I _sc :

Kurzschlussstrom

I-V :

Strom–Spannung

RR:

Korrekturgrade

R _s :

Serienwiderstand

R _sch :

Shunt-Widerstand

SiNW:

Silizium-Nanodraht

V _oc :

Leerlaufspannung