Kristalline Si-Solarzellen mit Black-Silicon-Rückschicht: Effizienzsteigerung durch graduierte Bandlücken-Technik

Zusammenfassung

Wir untersuchten kristalline Silizium (c-Si) Solarzellen, die eine Black-Silicon (b-Si) Schicht an der Rückseite integrieren. Chemisches Ätzen erzeugte die nanostrukturierte b-Si-Schicht, und ihre Anwesenheit an der Geräterückseite führte zu einem bemerkenswerten relativen Anstieg der Energieumwandlungseffizienz um 27,7 % im Vergleich zu einer äquivalenten Zelle ohne b-Si-Schicht. Die Verbesserung wird einem graduierten Bandlückeneffekt an der Rückseite zugeschrieben, der freie Elektronen von der hochoberflächenreichen b-Si wegtreibt und dadurch Oberflächenrekombination unterdrückt. Diese Studie demonstriert, dass eine rückseitige b-Si-Schicht genutzt werden kann, um das Spektralansprechen von c-Si-Solarzellen in den sub-bandgap-nahinfraroten Bereich zu erweitern.

Hintergrund

Hochtexturiertes Silizium, das mit Metall- oder Nichtmetall-Ionen beladen oder dotiert wurde, zeigt breitbandige Absorptivität, was als Black-Silicon (b-Si) Effekt bekannt ist. Solches Si hat Aufmerksamkeit für breitbandige photovoltaische Anwendungen erregt. Bestehende Arbeiten platzieren die b-Si-Schicht typischerweise an der Vorderseite der Zelle, was sub-bandgap-nahinfrarote (NIR) Photonen daran hindert, nutzbare Ladungsträger zu generieren, da die erzeugten Elektron-Loch-Paare zu weit vom PN-Übergang entfernt sind. Wir vermuteten, dass Positionierung der b-Si-Schicht an der Rückseite das eingebaute Feld an der Si/Oxid-Grenzfläche oder ein interdigitalisierter Rückseitenkontaktfeld NIR-generierte Träger trennen und sub-bandgap-Photospannung ermöglichen würde. Allerdings könnte die große spezifische Oberfläche von b-Si schwere Oberflächenrekombination einführen. Diese Arbeit erforscht die photovoltaische Antwort von c-Si-Zellen mit rückseitiger b-Si-Schicht und erläutert die zugrundeliegende Physik.

Methoden

Materialien

Wir verwendeten einen p-typ Si<100> Wafer (CZ, beidseitig poliert, 10 × 10 × 0,2 mm³, 1–10 Ω·cm). Der Wafer wurde ultraschallgereinigt, in 1 % HF getaucht und dann in einer NaOH/Alkohol/H₂O (0,5 g / 200 mL / 200 mL) Lösung bei 90 °C für 15 min geätzt, um eine leichte Antireflexionstextur zu erzeugen. Für rückseitige b-Si-Bildung wurde eine 3 nm Ag-Katalysatorschicht auf eine Oberfläche aufgedampft. Der Wafer wurde dann in eine 1 : 5 : 10 HF(40 %) : H₂O₂(30 %) : H₂O Lösung für 120 s bei Raumtemperatur getaucht, was die nanostrukturierte b-Si ergab. Eine Phosphorpaste wurde auf die gegenüberliegende Oberfläche aufgebracht, gefolgt von 900 °C/20 min Glühen in Stickstoff zur PN-Übergangsbildung. Oberflächenpassivierung wurde mit 20-nm SiO₂ auf der Vorderseite und 10-nm Al₂O₃ auf der Rückseite (letzteres durch ALD) erreicht. Ein 80-nm ITO-Vorderelektrode und eine 2-µm Al-Rückelektrode wurden aufgebracht, und die Zelle wurde abschließend bei 425 °C/5 min in Stickstoff geglüht.

Messungen

Reflexionsspektren wurden mit einem Shimadzu UV-3101PC Spektrophotometer aufgenommen. Oberflächenmorphologie wurde mit einem Philips XL 30 SEM untersucht. Photovoltaische Parameter wurden mit einem Oriel/Newport 94023A Solarsimulator unter AM 1.5G 1 Sun gemessen. Externe Quantenausbeute (EQE) wurde an einem Oriel/Newport QE-System ermittelt. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) nutzte ein JEOL EM-3000. Photolumineszenz (PL) verwendete ein Ocean Optics USB2000 mit 325-nm He-Cd-Laser. Kontaktpotenzialdifferenz (CPD) Messungen erfolgten mit einem KP Technology SKP5050 Kelvin-Probe.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt schematische Querschnitte einer leicht texturierten c-Si-Zelle mit und ohne rückseitige b-Si. Die Zelldicke beträgt ≈ 200 µm.

SEM-Aufnahmen (Abbildung 2) zeigen, dass die Vorderseite Nanostrukturen von 10–20 nm aufweist, während die rückseitige b-Si eine durchschnittliche Höhe von ≈ 110 nm hat. HRTEM bestätigt nanokristallines Si in der b-Si, unterstützt durch das SAED-Muster.

Absorptionsspektren (Abbildung 3a) demonstrieren, dass b-Si zur Einfallslichtseite die Absorption über 300–1100 nm signifikant erhöht und sub-bandgap NIR-Absorption einführt, zuschreibbar auf Verunreinigungsniveaus innerhalb der Bandlücke. Wenn b-Si vom Licht abgewandt ist (b-Si nach unten), bleibt die Absorption im 300–1100 nm Bereich hoch, was anzeigt, dass rückseitige b-Si NIR-Photonen weiterhin einfangen kann.

Zwei Gerätevarianten wurden gefertigt: (1) Wafer Si; (2) Wafer Si + Al₂O₃ Rückseitenpassivierung; (3) b-Si Rückseite; (4) b-Si Rückseite + Al₂O₃. Strom-Spannungs- und EQE-Daten (Abbildung 4) zeigen, dass das Wafer + Al₂O₃ Gerät das ungepassivierte Wafer übertrifft, was effektive Oberflächenrekombinationsunterdrückung bestätigt. Überraschend zeigt das b-Si-Rückseiten-Gerät einen relativen Effizienzzuwachs von 27,7 % gegenüber dem einfachen Wafer, trotz der großen Oberfläche, die normalerweise Rekombination erhöhen würde. Hinzufügen von Al₂O₃ zur b-Si-Rückseite steigert die Leistung weiter, was unterstreicht, dass die Rückseitenpassivierung wirksam bleibt. Der Schlüssel zu dieser Verbesserung ist eine graduierte Bandlücke an der Rückseite: das Leitungsbandminimum der b-Si liegt ≈ 0,4 eV über dem von p-typ Si (CPD-Messung), was eine Barriere schafft, die Elektronen von der hochoberflächenreichen b-Si wegtreibt, während Löcher die Rückelektrode erreichen können, wodurch Rekombination unterdrückt wird.

Zusätzliche Heteroübergang-PV-Geräte (Abbildung 6) bestätigen die vorteilhafte Rolle rückseitiger b-Si. Die EQE des b-Si-Geräts ist markant höher als die des Geräts ohne b-Si, konsistent mit dem graduierten-Bandlücken-Mechanismus.

Schlussfolgerungen

Die Integration einer Black-Silicon-Schicht an der Rückseite einer kristallinen Silizium-Solarzelle verbessert die Geräteleistung dramatisch, indem sie eine graduierte Bandlücke formt, die Oberflächenrekombination mildert. Der resultierende Effizienzgewinn von 27,7 % demonstriert die Machbarkeit rückseitiger b-Si zur Erweiterung des Spektralansprechens von c-Si-Zellen in den sub-bandgap NIR-Bereich und ebnet den Weg für breitbandige photovoltaische Technologien.