Reduzierung von Grenzflächenfallen mit hochdichter Wasserstoffbehandlung, um die Effizienz der rückwärtigen Kontaktzelle des passiven Emitters zu erhöhen

Einführung

Solarzellen sind eine von vielen erneuerbaren Energien weltweit und gelten als die geeignetsten, um die petrochemische Übergangsenergie zu ersetzen. Es gibt verschiedene Arten von Solarzellen, die auf unterschiedlichen Materialsystemen basieren, wie z. B. Silizium [1,2,3], Perowskit [4, 5] oder III–V-Verbindungen [6, 7]. Unter ihnen wird die siliziumbasierte Solarzelle häufig wegen ihrer geringen Kosten, ihrer hohen Stabilität und ihrer hervorragenden Effizienz von bis zu 26 % verwendet [8,9,10]. Das passivierte Emitter-Rückkontakt-(PERC)-Bauelement gilt als eines der potenziellen Bauelemente, um Back-Surface-Field-(BSF)-Solarzellen zu ersetzen [11, 12]. 1983 schlug Prof. Martin Green erstmals eine PERC-Zelle an der University of New South Wales (UNSW) vor, deren Konzept darin bestand, den Emitter und die rückwärtige Passivierungsschicht zu kombinieren, um die Grenzflächendefekte zu reduzieren und die Zelleffizienz zu erhöhen. Obwohl der PERC-Emitter und die rückwärtige Passivierungsschicht die Grenzflächendefekte passivieren können, beeinflusst die Filmqualität entweder des Emitters oder der Antireflexionsbeschichtung (ARC) die Grenzfläche [13,14,15].

Nach früheren Arbeiten ist die Nachglühbehandlung neben der Verbesserung der Dünnschichtqualität zur Reduzierung von Grenzflächenfallen eine weitere Methode zur Verringerung von Defekten [16,17,18]. Eine Nachbehandlung des Formgasglühens in Stickstoff (95%) und Wasserstoff (5%) bei 400 °C wird verwendet, um Grenzflächenfallen mit Wasserstoff zu reduzieren und die Zelleffizienz zu verbessern. Leider erfordert eine solche Behandlung eine Reaktion bei ungefähr 400 °C, eine zu hohe Temperatur für Solarzellen wie Heterojunction mit intrinsischer Dünnschicht (HIT), die bei Temperaturen unter 200 °C hergestellt werden.

In dieser Arbeit schlagen wir eine geeignete Behandlung mit hochdichtem Wasserstoff (HDH) vor, um die Grenzflächenfallen zwischen der Emitterpassivierungsschicht und der n-Si-Schicht zu reduzieren, ohne dass zusätzliche Elemente der Bauelementeherstellung geändert werden müssen. Ähnlich wie in früheren Forschungen wird die HDH-Behandlung verwendet, um die Defekte mit Wasserstoffionen zu passivieren. Das experimentelle Ergebnis deutet auf eine Verstärkung der Si-H-Bindung nach der HDH-Behandlung gemäß der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR)-Messung der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) hin. Darüber hinaus werden elektrische Messungen einschließlich Leitfähigkeit, Kurzschlussstromdichte (Jsc), Serienwiderstand (Rs) und Füllfaktor (F.F.) extrahiert, um die Verringerung der Zustandsdichte (Dit) und die Erhöhung der Zelleffizienz zu bestätigen. Schließlich haben wir auch ein Modell vorgeschlagen, um die Auswirkungen der HDH-Behandlung auf die PERC-Solarzelle weiter zu veranschaulichen.

Experimentelle Methoden

PERC-Solarzellenherstellung

Der PERC-Herstellungsprozess ist unten dargestellt. Als Substrat wird p-Typ-Czochralski-Silizium mit einer Dicke von ca. 150 µm verwendet. Die KOH-Lösung wird verwendet, um die Si-Substratoberfläche zu ätzen und die Pyramidentexturmorphologie der Oberfläche zu bilden. Um den p-n-Übergang zu bilden, POCl₃ wird verwendet, um in die Si-Substratoberfläche zu diffundieren und die n-Typ-Schicht zu bilden. Dann wird die SiN-Emitter-Passivierungsschicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) als Antireflexbeschichtungsschicht (ARC) abgeschieden. Nachdem die ARC-Schicht abgeschieden ist, wird eine HF-Lösung verwendet, um die rückseitige n-Schicht zu entfernen. Dann die Al₂ O₃ wird als hintere Passivierungsschicht mit einer Dicke von 25 nm durch Atomlagenabscheidung (ALD) abgeschieden. Anschließend wird die 95 nm dicke SiN-Schicht durch CVD abgeschieden. Nachdem der Rückseitenpassivierungsprozess beendet ist, wird eine Laserablation an den Schnittrillen zur Vorbereitung des Siebdruckprozesses der auf der ARC-Schicht verwendeten oberen Silberelektrode (Ag) angewendet, während für die untere Elektrode Aluminium (Al) verwendet wird. Schließlich wird das Bauteil in einem Brennprozess erhitzt, um einen einwandfreien Kontakt zwischen Metall und Halbleiter zu gewährleisten. Die Struktur des PERC-Geräts ist in Abb. 1 dargestellt.

PERC-Fertigungsprozessablauf und passivierte Emitter-Rückkontakt-(PERC)-Zellstruktur

HDH-Behandlung

Die HDH-Behandlung wird dann auf das PERC-Gerät angewendet. Der Prozess der HDH-Behandlung ist wie in 2 dargestellt. Das Wasserstoffgas wird als Behandlungsquelle verwendet und in die Reaktionskammer mit der PERC-Vorrichtung gepumpt. Dann wird das Gas auf 70 °C komprimiert und die Reaktionstemperatur wird 1 Stunde lang auf 200 °C eingestellt. Das Gas wird dann abgepumpt, um die HDH-Behandlung abzuschließen.

Prozessablauf der Behandlung von Wasserstoff mit hoher Dichte (HDH)

Materialcharakterisierung

Bruker VERTEX 70v FTIR wird verwendet, um die Si-H-Bindung vor und nach der Behandlung zu analysieren, und ION-TOF, TOF-SIMS V wird verwendet, um das Wasserstoffverhältnis an der SiN/Si-Grenzfläche zu analysieren.

Elektrische Charakterisierung

Die I-V- und G-V-Eigenschaften werden mit einem Agilent B1500 Halbleiteranalysator und einer Cascade M150 Sondenstation in einer Dunkelbox sowohl für helle als auch für dunkle Bedingungen gemessen. Die Effizienzparameter (Jsc, Rs und Füllfaktor) werden bei einer simulierten Lichtquelle von 1 kW M ^–2 . extrahiert globales AM1.5-Spektrum bei 25 °C. Die externe Quanteneffizienz (EQE) der QEX10 Solarzelle wird verwendet, um die Effizienz von 300 bis 1200  nm zu analysieren.

Ergebnis und Diskussion

Die Emitter-SiN-Passivierungsschicht mit und ohne HDH-Behandlung wird mittels FTIR-Analyse untersucht. Wie in Abb. 3 gezeigt, weist das SiN mit und mit HDH-Behandlung beide 3350 cm ⁻¹ . auf der N-H-Streckbindung und 2165 cm ⁻¹ der Si-H-Streckbindung [19,20,21]. Die Intensitätsverhältnisse der Absorptionspeaks der N-H- und der Si-H-Bindung werden jedoch beide nach der Behandlung verbessert, was bedeutet, dass Wasserstoff in die SiN-Schicht injiziert wird.

Emitter SiN-Passivierungsschicht Dünnfilm gemessen mit FTIR-Spektrum

Um zu bestätigen, dass die HDH-Behandlung die SiN/Si-Grenzflächenfallen reduziert, wird Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) verwendet, um die Wasserstoffverteilung zu bestätigen [22, 23]. Da in Fig. 4 die SiN-Schicht unter Verwendung von CVD abgeschieden wird, ist die Wasserstoffintensität in dieser SiN-Schicht höher als in der Si. Nach der Behandlung wird, während die Wasserstoffintensität in der Masse nicht offensichtlich erhöht wird, die Intensität an der SiN- und Si-Grenzfläche deutlich erhöht, und dieses Ergebnis zeigt an, dass die HDH-Behandlung an der SiN/Si-Grenzfläche reagiert.

Emitter SiN Passivierungsschicht Dünnfilm gemessen mit SIMS

Um den Unterschied in Dit zwischen der Emitter-SiN-Schicht und dem p-Si-Substrat nach der HDH-Behandlung in Fig. 5 weiter zu bestätigen, wird die Al/SiN/p-Si/Al-Metall-Isolator-Halbleiter-(MIS)-Struktur hergestellt. Da die SiN- und p-Si-Grenzfläche viele Defekte aufweist, kann das G-V-Ergebnis verwendet werden, um die Grenzflächenfallendichte (Dit) zu extrahieren [24]. Die Leitwertgleichung lautet:

Al/SiN/p-Si/Al-Gerät wird anhand der Leitwert-Spannungs-Kennlinie mit Grenzflächenfallen analysiert

wo ω ist die Kreisfrequenz, τ ist die Trägerlebensdauer und Gp ist der frequenzabhängige Leitwert. Zur Vereinfachung von Gl. 1 hängt der Dit mit der Leitfähigkeit zusammen, und die Leitfähigkeitsspitze wird nach der Behandlung reduziert, was darauf hindeutet, dass die HDH-Behandlung die PERC-Schnittstellenfallen reduzieren kann.

Als nächstes werden elektrische Messungen am PERC-Zellengerät sowohl bei hellen als auch bei dunklen Bedingungen durchgeführt. Die Vorspannung der Vorrichtung wird an die untere Al-Elektrode angelegt, während die obere Elektrode geerdet ist. Der Wobbelbereich der Spannung reicht von − 1 bis 0,75 V. Abbildung 6 zeigt die I-U-Kennlinie unter dunklen Bedingungen. Der Leckstrom wird nach der HDH-Behandlung deutlich reduziert, wobei das Verhältnis der Abnahme etwa 0,5 Größenordnungen beträgt. Außerdem wird auf der rechten Seite der I-V-Kennlinie festgestellt, dass der Buckel des Ein-Stroms nach der Behandlung reduziert ist. Wir extrahieren auch die I-V-Kurve und konvertieren sie als idealen Faktor gemäß der Diodenstromgleichung:

Analyse der I-U-Kennlinien unter dunklen Bedingungen mit Leckstrom und idealem Faktor.

wo ich _s ist der Sättigungsstrom, q ist die elektronische Ladung, V ist die angelegte Spannung, n ist der ideale Faktor, k ist die Boltzmann-Konstante und T ist die absolute Temperatur. Gleichung 2 kann weiter vereinfacht werden zu \( I={I}_s\left[\mathit{\exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right]\); wenn die n Wert nahe 1 liegt, liegt der Einschaltstrom nahe am Diffusionsstrom. Wenn die n Wert nahe 2 liegt, bedeutet dies, dass der Einschaltstrom nahe am Kombinationsstrom liegt [25]. Nach der Behandlung wird die Steigung des Ein-Stroms von 1,5 auf 1,42 reduziert, was bedeutet, dass der Ein-Strom nach der Behandlung aufgrund der Abnahme der Anzahl von Defekten nahe am Diffusionsstrom liegt.

Um die elektrischen Eigenschaften weiter zu untersuchen, werden die Effizienzparameter (Jsc, Rs und Füllfaktor) bei einer simulierten Lichtquelle von 1 kW M ^–2 . extrahiert globales AM1.5-Spektrum bei 25 °C. Nach der HDH-Behandlung wird die durchschnittliche Effizienz von 17,3 auf 18,2 % gesteigert, wie in Abb. 7a gezeigt. Der Jsc erhöht sich ebenfalls von 37,6 auf 38,2 mA, wie in Abb. 7b gezeigt. Außerdem wurde der Rs-Wert nach der Behandlung von 0,712 auf 0,487 reduziert, wie in Abb. 7c. Der Füllfaktor steigt von 70,5 auf 73,3, wie in Abb. 7d gezeigt.

PERC I-V-Eigenschaften für a Effizienz, b Kurzschlussstromdichte (Jsc), c Serienwiderstand (Rs) und d Füllfaktor (F.F.)

Um die Konversionseffizienz in verschiedenen Wellenlängenbereichen zu bestätigen, wird die externe Quanteneffizienz (EQE) verwendet, um die Wellenlänge von 300 bis 1200  nm zu analysieren [26, 27]. Wie in 8 gezeigt, hat die Quanteneffizienz vor der HDH-Behandlung einen durchschnittlichen EQE von 94% zwischen 400 und 600  nm. Nach der HDH-Behandlung können wir jedoch ein noch höheres EQE-Ergebnis erzielen. Die Ergebnisse zeigen einen Anstieg auf 97% zwischen 400 und 600 nm, der durch die Unterdrückung der Emitter-SiN/Si-Grenzflächenfallen induziert wird.

Die externe Quanteneffizienz (EQE) wird von 300 bis 1200 nm gemessen

Schließlich schlagen wir ein Modell vor, um die Auswirkungen von HDH auf das PERC-Gerät zu erklären. Der PERC-Emitter der Ag/SiN/n-Typ-Si-Struktur und die Beziehung zur SiN/Si-Grenzflächenfallenstruktur sind in Fig. 9 gezeigt. Wenn das Elektron-Loch-Paar im pn-Übergang lichtinduzierte erzeugt wird, bewegt sich das Elektron zur Ag-Top-Elektrode. Wenn es Grenzflächenfallen an der SiN/Si-Grenzfläche gibt, unterstützen sie die Elektronenrekombination mit Löchern. Um die Grenzflächenfallen zu reduzieren, wird die PERC-Vorrichtung mit HDH behandelt, wobei Hochdruckgas verwendet wird, um Wasserstoff in die Vorrichtung einzuspritzen und mit der Grenzfläche zu reagieren. Nach der Behandlung werden Wasserstoffbrückenbindungen mit der freien Bindung an der SiN/Si-Grenzfläche und Grenzflächenfallen reduziert. Daher nimmt die Rekombination ab, was den Leckstrom verringert und die Jsc und die Zelleffizienz verbessert.

PERC-Emitter mit Ag/SiN/n-Typ-Si-Struktur und SiN/Si-Grenzflächenfallenstruktur bei der Erst- und Nachbehandlung

Schlussfolgerung

In dieser Studie wird eine HDH-Behandlung erfolgreich vorgeschlagen, um Grenzflächenfallen zu reduzieren und die Geräteeffizienz zu verbessern. Das FTIR-Spektrum zeigt, dass die Si-H-Bindung verstärkt wird und der Leitwert-Spannungspeak nach der Behandlung abnimmt. Daher führt die verringerte Anzahl von Grenzflächenfallen zu einer Verringerung des Leckstroms, und der ideale Faktorwert wird ebenfalls verringert. Darüber hinaus wird die Effizienz nach der Behandlung verbessert und Jsc, Rs und Füllfaktor werden erhöht. Schließlich zeigt das EQE-Ergebnis eine Verbesserung der kurzen Wellenlänge, was auf eine Verringerung der Emittergrenzflächenfallen hinweist.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind bei den Autoren auf begründete Anfrage erhältlich.

Abkürzungen

HDH:

Behandlung mit hochdichtem Wasserstoff

PERC:

Passivierte Emitter-Rückkontaktzelle

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

SIMS:

Sekundärionen-Massenspektrometrie

Dit:

Grenzflächenfallendichte

Jsc:

Stromdichte der Schaltung

Rs:

Serienwiderstand

F.F.:

Füllfaktor

EQE:

Externe Quanteneffizienz

BSF:

Rückseitenfeld

UNSW:

Universität von New South Wales

ARC:

Antireflexbeschichtung

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

ALD:

Atomlagenabscheidung

MIS:

Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur