Wirkung der Niob-dotierten Titanoxid-Dicke und der thermischen Oxidschicht für Silizium-Quantenpunkt-Solarzellen als Dotierstoff-Blockierungsschicht
Zusammenfassung
Siliziumquantenpunkt (Si-QD), eingebettet in amorphes Siliziumoxid, wird für p-i-n-Solarzellen auf Quarzsubstrat als Photoerzeugungsschicht verwendet. Um die Diffusion von Phosphor aus einer n-Schicht zu einer Si-QD-Photoerzeugungsschicht zu unterdrücken, wurde mit Niob dotiertes Titanoxid (TiOx :Nb) wird übernommen. Ein Teil der Proben wird mit Flusssäure behandelt, um die thermische Oxidschicht in der Grenzfläche von TiOx . zu entfernen :Schicht vom Nb/n-Typ. Das thermische Oxid wirkt als photogenerierte Trägerblockierungsschicht. Solarzelleneigenschaften mit 10 nm dickem TiOx :Nb ohne thermisches Oxid sind besser als solche mit thermischem Oxid, insbesondere wurde die Kurzschlussstromdichte auf bis zu 1,89 mA/cm 2 . verbessert . Der photogenerierte Träger tritt in Si-QD mit Quanteneinschlusseffekt auf. Das 10 nm dicke TiOx :Nb mit der thermischen Oxidschicht blockiert effektiv P; jedoch wird die P-Diffusion durch das 10 nm dicke TiOx . nicht vollständig unterdrückt :Nb ohne das thermische Oxid. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Gesamtdicke von TiOx :Nb und thermische Oxidschicht beeinflussen den P-Blocking-Effekt. Um die weitere Verbesserung der Si-QD-Solarzelle zu erreichen, über 10 nm dickes TiOx :Nb wird benötigt.
Einführung
Silizium-Quantenpunkte (Si-QD) wurden untersucht, um Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von über 40% zu realisieren [1, 2, 3, 4]. Die Single-Junction-Si-Solarzelle mit mehr als 26 % wurde kürzlich hergestellt [5], was die theoretische Grenze von etwa 30 % ziemlich erreicht [6]. Die anderen Ansätze sind für eine weitere Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades wesentlich. Die Tandemkonfiguration ist eine der Lösungen, um die Grenze zu überwinden, indem die Mehrfachverbindung mit mehreren Bandlücken verwendet wird [7,8,9]. Si-QD ist einer der Kandidaten für die oberste Zelle der Tandemsolarzelle, da die Bandlücke aufgrund des Quanten-Confinement-Effekts je nach Größe abgestimmt werden kann [10,11,12,13,14]. Außerdem hat Si-QD einige Vorteile, die sich aus den Elementeigenschaften ergeben:erdreich, ungiftig und einfach in der Industrie anwendbar. In dieser Studie wurde eine Si-QD-Mehrschichtstruktur (Si-QDML) verwendet, um die Si-QDs herzustellen, die Si-QDs in Wide-Gap-Materialien einbetten [15,16,17].
Die p-i-n-Solarzellenstruktur unter Verwendung von Si-QDML mit Siliziumdioxid (SiO2 ) wurde hergestellt und gemessen Stromdichte-Spannung (J -V ) Merkmale [18, 19]. Das SiO2 Matrix kann Dangling Bonds der Si-QD-Oberfläche reduzieren, was zu einer hohen Oberflächenpassivierung von Si-QD führt [20]. Eine der Solarzellenstrukturen hatte eine hohe Leerlaufspannung (V OK ) von 492 mV. Die Kurzschlussstromdichte (J SC ) war aufgrund der geringen Tunnelwahrscheinlichkeit photogenerierter Ladungsträger, die durch den großen Bandversatz zwischen kristallinem Si und SiO2 . verursacht wird, sehr schlecht [1, 8]. Außerdem wurde ein ziemlich großer Serienwiderstand beobachtet, der auf den hohen Schichtwiderstand von n-Typ-Si-QDML zurückzuführen ist. Um diese Probleme zu lösen, schlugen wir vor, die Si-QDML mit amorphem Siliziumoxid mit Sauerstoffmangel zu verwenden, um die Tunnelwahrscheinlichkeit photogenerierter Ladungsträger zu erhöhen [21], was zu einer Erhöhung von J . führt SC . Darüber hinaus ist hochdotiertes polykristallines Silizium vom n-Typ (n ++ -poly-Si) wurde als leitfähige Schicht verwendet, um den Widerstand zu verringern, was eine gute Verbesserung von J . mit sich brachte SC und Füllfaktor (FF). Unterdessen verursacht das Diffundieren des P aus der n-Schicht in die Si-QDML eine Verschlechterung der Filmqualität. Somit ist die P-Blockierungsschicht ohne Beeinträchtigung der elektrischen und optischen Eigenschaften notwendig.
Niob-dotiertes Titanoxid (TiOx .) :Nb) ist eines der vielversprechenden Materialien für eine P-Blockierungsschicht. TiOx :Nb ist einer der elektronenselektiven Kontakte für kristallines Silizium und kann auch nach dem Tempern bei hohen Temperaturen einen niedrigen spezifischen Widerstand beibehalten [22]. Wir haben die Si-QDs für die Solarzellenanwendung untersucht [11, 16, 23,24,25,26,27] und einen hohen V OK von 529 mV wurde schließlich mit dem 2 nm dicken TiOx :Nb [28]. Obwohl die Unterdrückung der P-Diffusion entscheidend ist, um die höhere Leistung der Si-QD-Solarzellen zu realisieren, ist die Wirkung der P-Diffusion auf die Si-QD-Solarzellen nicht vollständig verstanden.
In diesem Artikel wird die Wirkung von TiOx :Nb Dicke, Einfluss auf die P-Diffusion und die Solarzelleneigenschaften mit Si-QDML mit Siliziumoxidmatrix wurden untersucht. Darüber hinaus wurde die thermische Oxidschicht auf dem n ++ . gebildet -Poly-Si während des Herstellungsprozesses, der die P-Diffusion und die Solarzelleneigenschaften beeinflusst. Auch die Auswirkungen der thermischen Oxidschicht wurden hier diskutiert.
Experimentelle Methoden
Um das P-Tiefenprofil zu analysieren, Si-QDML/TiOx :Nb/n ++ -Poly-Si-Struktur wurde auf Quarzsubstraten hergestellt. Vor der Abscheidung von stark P-dotiertem hydriertem amorphem Silizium (n ++ -a-Si:H)-Schicht wurden die Quarzsubstrate in einem Ultraschallbad mit einem organischen Lösungsmittel gereinigt. n ++ -a-Si:H-Dünnfilm wurde durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) mit einer Frequenz von 27,12 MHz (ULVAC Inc., CME-200 J) hergestellt. Die Schichtdicke des n ++ -a-Si:H betrug etwa 500 nm. Die Abscheidungstemperatur, der Kammerdruck und die Hochfrequenzleistung (HF) betrugen 195 °C, 25 °C und 32,5 °C mW/cm2 . , bzw. Die Filme wurden bei 900°C für 30 min unter Formiergasatmosphäre getempert, um n ++ . zu bilden -Poly-Si in einem Lampenofen (ADVANCE RIKO Inc., MILA-5050). Während des Glühprozesses bildete sich spontan die thermische Oxidschicht auf dem n ++ -Poly-Si. Eine der Proben wurde 1 min in die 5% HF-Lösung getaucht, um die ultradünne thermische Oxidschicht zu entfernen. 2 oder 10 nm dickes TiOx :Nb wurde sofort nach der HF-Behandlung durch HF-Magnetron-Sputtern abgeschieden. Die Abscheidungstemperatur, der Argongasdurchfluss und -druck sowie die HF-Leistung betrugen Raumtemperatur, 50 sccm, 0,2 Pa und 137 mW/cm 2 . , bzw. Anschließend a-SiOx :H und a-SiOy :H wurden abwechselnd durch PECVD für eine Si-reiche Schicht bzw. eine Sperrschicht abgeschieden. Die SiH4 /CO2 das Verhältnis der Si-reichen Schicht und der O-reichen Schicht betrug 1,0 bzw. 0,16; daher y war größer als x . Der Stapelzyklus betrug 30 Perioden. Die Abscheidungstemperatur, der Kammerdruck und die HF-Leistung waren die gleichen wie bei n ++ -a-Si:H-Abscheidungsbedingung. Die Proben wurden bei 900°C 30 Minuten lang unter Formiergasatmosphäre getempert, um Si-QDs in Si-reichen Schichten zu bilden.
Wir stellten auch p-i-n-Solarzellen auf Quarzsubstraten her. Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung der Solarzellenstruktur. Der Herstellungsprozess von der Substratreinigung bis zum a-SiOx :H/a-SiOy Das Tempern der :H-Doppelschichten war das gleiche wie bei den Proben für die P-Tiefenanalyse. Die Dicken von TiOx :Nb, a-SiOx :H und a-SiOy :H wurden bei 10, 5 bzw. 2 nm gehalten. Die Wasserstoffatome wurden in die Proben injiziert, um die Dangling Bonds in Si-QDML durch eine Wasserstoffplasmabehandlung mit einer Frequenz von 60 MHz (KATAGIRI ENGINEERING CO.) zu reduzieren. Die Prozesstemperatur, der Druck und die Zeit betrugen 225°C, 600 Pa bzw. 60 min. 10 nm dicke undotierte hydrierte amorphe Silizium (i-a-Si:H) und 30 nm dicke bordotierte hydrierte amorphe Silizium (p-a-Si:H) Doppelschicht wurden durch PECVD abgeschieden. Eine Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Schicht wurde durch RF-Sputtern abgeschieden und schließlich wurde eine Ag-Elektrode aufgedampft.
Ergebnisse und Diskussion
Abbildung 2 a zeigt das HRTEM-Bild von Si-QDML/TiOx :Nb/n ++ -Poly-Si-Struktur. Beachten Sie, dass für diese Probe keine HF-Behandlung vor TiOx . durchgeführt wurde :Nb-Abscheidung. Zwischen TiOx . ist eine hellere Schicht zu sehen :Nb und n ++ -Poly-Si, was darauf hinweist, dass die thermische Oxidschicht während des n ++ . gebildet wurde -a-Si:H-Prozess. Abbildung 2 b zeigt das vergrößerte HRTEM-Querschnittsbild von Si-QDML. Der Einschub in Fig. 2b zeigt das Elektronenbeugungsmuster von Si-QDML. Es wurde bestätigt, dass die Mehrschichtstruktur erfolgreich hergestellt wurde. Die Streifen, die aus der kristallinen Phase des Si-QDs stammen, wurden nur in der Si-reichen Schicht gebildet. Aus dem Beugungsmuster wurde die Gitterkonstante von 5,40 berechnet, was in guter Übereinstimmung mit der kristallinen Si-Gitterkonstante von 5,43 ist. Die Größen der Si-QDs waren fast gleich der Dicke der Si-reichen Schicht (~ 5 nm), was darauf hindeutet, dass die Größenkontrolle erfolgreich erreicht wurde.
Schlussfolgerung
Wir haben das TiOx . übernommen :Nb-Schicht als P-Sperrschicht auf einer Si-QD-Solarzelle. Die Abhängigkeit von TiOx :Nb-Dicke und das Vorhandensein der thermischen Oxidschicht auf der n-Typ-Schicht wurden untersucht und die Solarzelleneigenschaften wurden charakterisiert. Die Diffusion von P-Atomen in Si-QDML wurde durch das 10 nm dicke TiOx . unterdrückt :Nb und ultradünne thermische Oxidzwischenschicht. Die Konzentration diffundierter P-Atome in 10 nm dickem TiOx :Nb ohne die thermische Oxidschicht betrug etwa 3 × 10 20 cm −3 , was über eine Größenordnung weniger war als ohne TiOx :Nb und thermische Oxidschicht. Außerdem nahm die Diffusionslänge von 150 auf 100 nm ab. Diese Abnahmen deuten darauf hin, dass das 10 nm dicke TiOx :Nb beeinflusst den P-Blockierungseffekt, obwohl die P-Diffusion nicht vollständig blockiert wurde. Die Solarzelleneigenschaften mit 10 nm dickem TiOx :Nb wurden gemessen. Die J -V Kurve der Solarzelle mit dem thermischen Oxid war S-förmig, während die ohne thermisches Oxid verbessert wurde, insbesondere J SC (von 0,137 bis 1,89 mA/cm 2 ). Die Ergebnisse zeigen, dass die thermische Oxidschicht verhindert, dass sich Elektronen in n ++ . bewegen -Poly-Si, und die Ladungsträgersammlung wurde durch Entfernen der Ladungsträgerblockierenden thermischen Oxidschicht verbessert. Darüber hinaus wurde der IQE gemessen und der Rand des Spektrums betrug etwa 1000 nm, was darauf hindeutet, dass das erhaltene J SC wurde von den Si-QDs abgeleitet.
Verfügbarkeit von Daten und Materialien
Alle Daten, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels unterstützen, sind im Artikel enthalten.
Abkürzungen
- EQE:
-
Externe Quanteneffizienz
- HRTEM:
-
Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop
- IQE:
-
Interne Quanteneffizienz
- J SC :
-
Kurzschlussstromdichte
- J-V :
-
Stromdichte–Spannung
- PECVD:
-
Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung
- SIMS:
-
Sekundärionen-Massenspektroskopie
- Si-QD:
-
Silizium-Quantenpunkt
- Si-QDML:
-
Silizium-Quantenpunkt-Mehrschichtstruktur
- TiOx :Hinweis:
-
Niob-dotiertes Titanoxid
- TOF-SIMS:
-
Time-of-fright-Sekundärionen-Massenspektroskopie
- V OK :
-
Leerlaufspannung
Nanomaterialien
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