Ultra-hoch-effiziente Siliziumzellen mit invertierter Pyramiden-Passivierung: Ein photovoltaischer Durchbruch

Zusammenfassung

Oberflächentexturierung ist eine der wichtigsten Techniken zur Verbesserung der Leistung photovoltaischer (PV) Geräte. Als attraktive Fronttextur haben invertierte Pyramiden (IP) aufgrund ihres überlegenen Antireflexionseffekts und ihrer strukturellen Eigenschaften viel Forschungsinteresse geweckt. In dieser Arbeit bereiten wir hochuniforme Silizium (Si) IP-Strukturen auf kommerziellen monokristallinen Siliziumwafern mit Standardgröße 156 × 156 mm² mittels metallunterstütztem chemischem Ätzen (MACE) und alkalischer anisotroper Ätztechnik her. Durch Kombination der frontseitigen IP-Texturen mit der rückseitigen Passivierung aus Al₂O₃/SiN_x fertigen wir eine neuartige Si IP-basierte passivierte Emitter-Rückseiten-Zelle (PERC). Dank der optischen Überlegenheit der optimierten IPs und der Verbesserung der elektrischen Leistung des Geräts erreichen wir einen hohen Wirkungsgrad von 21,4 % der Si IP-basierten PERC, der mit dem durchschnittlichen Wirkungsgrad kommerzieller PERC-Solarzellen vergleichbar ist. Die Optimierung der Morphologie der IP-Texturen ist der Schlüssel zur Steigerung des Kurzschlussstroms I_sc von 9,51 A auf 9,63 A; gleichzeitig garantiert die simultane Stapel-Passivierung SiO₂/SiN_x für den Si IP-basierten n⁺-Emitter und Al₂O₃/SiN_x für die Rückseite eine hohe Leerlaufspannung V_oc von 0,677 V. Der Erfolg dieses hocheffizienten PV-Geräts demonstriert eine wettbewerbsfähige Texturierungstechnik und vielversprechende Aussichten für die Massenfertigung Si IP-basierter PERC.

Einleitung

Die Effizienzsteigerung ist das ewige Thema der Solarzellenindustrie, das sich hauptsächlich auf zwei Aspekte konzentriert: optische und elektrische Leistung. Die Fronttexturierungstechnik ist entscheidend für die Verbesserung der optischen Leistung des Geräts. Invertierte Pyramiden (IP) als attraktive Lichtfangstruktur haben aufgrund ihres überlegenen Antireflexionseffekts und ihrer strukturellen Eigenschaften beträchtliche Aufmerksamkeit erregt [1–7]. Konkret durchläuft das einfallende kurzwellige Licht in Si IP drei- oder mehrmalige Reflexionen, bevor es reflektiert wird, und besitzt damit ein- oder zwei Reflexionen mehr als in traditionellen aufrechten Pyramiden [7–9]. Gleichzeitig vermeidet diese invertierte Pyramiden-strukturierte Si die starken Rekombinationsverluste, denen nanostructuriertes schwarzes Si ausgesetzt ist [10–16], aufgrund seiner großen und offenen strukturellen Charakteristik.

Durch Einsatz lithografischer invertierter Pyramidentexturen auf der Vorderseite und SiO₂-Passivierung der Rückseite hat Greens Gruppe [17] erfolgreich eine 25,0 % effiziente passivierte Emitter-Rückseiten-lokal-diffundierte Solarzelle (PERL) mit 4 cm² Fläche hergestellt. Die Lithografietechnik ist jedoch wegen ihrer Kosten, geringer Produktionskapazität und Inkompatibilität nicht für die Massenfertigung geeignet. Kürzlich richten sich viele Forschungsinteressen auf großflächige invertierte Pyramiden mittels MACE, da die MACE-Technik einfach, kostengünstig, großflächig und kompatibel mit aktuellen Produktionslinien ist [14, 18–21]. Beispielsweise berichteten Jiang et al. [7] über invertierte Pyramiden-Nanostrukturen, hergestellt durch MACE-Prozess gefolgt von einer nachträglichen Nanostruktur-Rekonstruktionslösungsbehandlung; der Umwandlungswirkungsgrad von IP-basierten multikristallinen Silizium (mc-Si) Solarzellen in Großformat 156 × 156 mm² Wafern erreichte 18,62 %. Yang et al. [8] nutzten Cu-Nanopartikel zur Katalyse des chemischen Ätzens von Si und erreichten 18,87 % effiziente IP-strukturierte Si-Solarzellen mit großer Fläche. Zhang et al. [9] fertigten c-Si-Solarzellen mit IP-Mikrostruktur durch moduliertes alkalisches Texturieren kombiniert mit optimierter MACE-Methode und erreichten 20,19 % effiziente 1-µm-IP-texturierte Geräte mit großer Fläche. Bisher sind die Leistungen von Si IP-Solarzellen mit großer Fläche noch nicht zufriedenstellend, bedingt durch die Großflächenuniformität der IP-Morphologie, die Kontrolle der IP-Merkmalsgröße und die Passivierung des Geräts. Daher wird erwartet, dass frontseitig optimierte Si IP-Texturen zusammen mit rückseitiger Passivierung die Zellenleistung weiter verbessern.

In dieser Arbeit fertigen wir erfolgreich 21,4 % effiziente Si IP-basierte passivierte Emitter-Rückseiten-Zellen (PERC) mit Standard-Solarwafergröße 156 × 156 mm² durch Kombination frontseitig optimierter MACE-IP-Texturen mit simultaner Stapel-SiO₂/SiN_x-Passivierung für den Si IP-basierten n⁺-Emitter und Stapel-Al₂O₃/SiN_x-Passivierung für die Rückseite. Der Schlüssel zur hohen Leistung liegt in der optischen Überlegenheit der IP-Texturen und den reduzierten elektrischen Verlusten durch die simultane Passivierung des Si IP-basierten n⁺-Emitters und der Rückseite. Diese neuartige Si IP-basierte PERC-Gerätestruktur und -technik zeigen großes Potenzial für die Massenfertigung hocheffizienter siliziumbasierter Solarzellen.

Methoden

Die Gerätestruktur der Si IP-basierten PERC ist wie folgt gestaltet: (i) Der Si IP-basierte PERC n⁺-Emitter wird durch Stapel SiO₂/SiN_x (PECVD) Schichten passiviert (Abb. 1a). Die Si IP-Strukturen besitzen einen guten kurzwelligen Antireflexionseffekt durch mehr Gelegenheiten für drei oder mehr Reflexionen; gleichzeitig liefert der Stapel SiO₂/SiN_x eine weitere reduzierte Reflexion und einen exzellenten Passivierungseffekt für den Si IP n⁺-Emitter. (ii) Der Rückseitenreflektor besteht aus Stapel Al₂O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) Schichten und Siebdruck-Al wie in Abb. 1a gezeigt. Stapel-Dielektrikumschichten sind darauf ausgelegt, die optischen Eigenschaften langwelliger Strahlung durch Erhöhung der inneren Rückseitenreflexion zu optimieren, während ein guter elektrischer Passivierungseffekt erhalten bleibt, was auf den Feldeffekt-Passivierung der fixierten negativen Ladungen in der Al₂O₃-Schicht und die chemische Passivierung durch Wasserstoffatome im SiN_x-Film zurückzuführen ist. Kurz gesagt, sowohl optische als auch elektrische Eigenschaften werden in diesem Design simultan berücksichtigt, um eine hohe Leistung der Si IP-basierten PERC zu gewährleisten.

Kommerzielle 180-µm-dicke 156 mm × 156 mm (100)-orientierte kristalline Silizium (c-Si), bor-dotiert (1–3 Ω·cm) p-Typ Wafer wurden als Substrate verwendet. Nach Standardreinigungsprozess wurden invertierte Pyramidentexturen auf der Si-Wafer-Oberfläche wie folgt hergestellt: (1) Die gereinigten Si-Wafer wurden 300 s in gemischten Lösungen von AgNO₃ (0,0001 M)/HF (4 M)/H₂O₂ (1 M) getaucht, was poröses Si ergab. (2) Si-Wafer mit porösem Si wurden in NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:6 (Volumen) Lösungen 200 s geätzt, um 잔여 Ag-Nanopartikel zu entfernen. (3) Wafer mit porösem Si wurden in HNO₃:H₂O:HF = 4:2:1 (Volumen) Lösung modifiziert, um Nanoloecher zu erzeugen. (4) Invertierte-Pyramiden-Texturen wurden auf der Si-Wafer-Oberfläche durch anisotropes Ätzen in 60 °C NaOH-Lösung für 30, 60 und 90 s hergestellt.

POCl₃ diffundiert 40 min bei 800 °C im Quarzrohrrohr, woraufhin sich der n⁺-Emitter auf der Wafervorderseite bildet (M5111-4WL/UM, CETC 48. Forschungsinstitut). Der Flächenwiderstand des Si IP-basierten n⁺-Emitters beträgt 105–110 Ω·sq⁻¹. Der selektive Emitter wurde auf der Wafervorderseite durch Laserdotierung (DR-SE-DY70, DR Laser) hergestellt. Nach Polieren der Rückseite wurden SiO₂-Passivierungsschichten durch thermische Oxidation auf der Wafervorderseite hergestellt. Al₂O₃-Passivierungsschichten wurden auf der Waferrückseite per ALD (PEALD-156, HUGUANG Scientific Instruments of Beijing) für ≈ 30 min bei 150 °C abgeschieden. PECVD-SiN_x-Schichten wurden durch Reaktion von NH₃/SiH₄ (SC-TD-450C) gebildet. Anschließend wurden die rückseitigen Stapel-Passivierungsschichten des Si IP-basierten Wafers lokal durch einen 532-nm-Wellenlängen- und 10-ps-Pulslaser (DR-AL-Y60, DR Laser) ablatiert, um 50-µm-breite und 1-mm-Pitch lokale Linienöffnungen zu bilden. Schließlich durchlief die Si IP-basierte PERC den kommerziellen Siebdruck (PV1200, DEK) und Co-Firing-Prozess (CF-Series, Despatch), um gute ohmsche Kontakte und lokale BSFs zu bilden.

Morphologien und Strukturen der Proben wurden mit einem JEOL JSM-6390LA Rasterelektronenmikroskop charakterisiert. Die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger wurde mit einem Sinton WCT-120 gemessen. Absorptionsspektren wurden per FTIR (Tensor 27, BRUKER) bestimmt. Die C-V-Kurve wurde mit einem Impedanzanalysator (E4900A, KEYSIGHT) gemessen. Photolumineszenz- und Elektrolumineszenzfotos wurden mit PL/EL-Imaging-Analysesystem (LIS-R2, BTimaging) aufgenommen. Reflexionsspektren sowie IQEs und EQEs wurden auf der Quantenwirkungsgrad-Messplattform (QEX10, PV Measurements) gemessen. Elektrische Parameter der Solarzellen wurden durch Strom-Spannungs-Messung (I-V) unter AM1,5-Bestrahlung (Crown Tech IVTest Station 2000) untersucht. Der Zellenwirkungsgrad wurde mit einem BERGER Lichttechnik Single Cell Tester gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a–e zeigt die Draufsicht-SEM-Bilder der verschiedenen Prozessschritte für die Siliziumoberflächentexturierung. Abbildung 2a zeigt das 50–80 nm poröse Si auf der Si-Wafer-Oberfläche, geätzt durch MACE-Verfahren in gemischten Lösungen von AgNO₃/HF/H₂O₂. Anschließend wird das poröse Si durch isotropes Ätzen in gemischten wässrigen Lösungen mit HF/HNO₃ zu Nanoloecher-Strukturen mit 800 nm Durchmesser modifiziert (Abb. 2b). Schließlich werden mikrometergroße invertierte Pyramiden (IPs) mit unterschiedlichen Größen (Abb. 2c–e) durch Natronlauge in wässriger Lösung bei 60 °C für 30, 60 und 90 s erhalten. Aus Abb. 2c–e geht hervor, dass nach alkalischer Behandlung die IP-Strukturgrößen für drei Ätzzeiten von 30, 60 und 90 s ca. 1, 1,3 und 1,8 µm betragen, was eine zunehmende IP-Größe mit steigender Ätzzeit bedeutet. Zudem neigen die IPs dazu, einzustürzen und in aufrechte Pyramiden überzugehen mit zunehmender Ätzzeit. Bekanntlich haben invertierte Pyramiden den Vorteil des Lichtfangs gegenüber aufrechten, da Licht in invertierten Pyramiden ein oder zwei zusätzliche Reflexionen durchläuft. Daher sind Strukturen mit kürzerer Ätzzeit für Lichtfangtexturen von PV-Geräten geeignet aufgrund des Vorteils im kurzwelligen Antireflexionsverhalten. Abbildung 2f zeigt Vergleichsfotos für verschiedene Oberflächenstrukturen entsprechend Abb. 2a–e.

Betrachten wir nun die optischen Eigenschaften der Si IP-strus. Aus der Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich 300–1100 nm (Abb. 3a) beobachten wir, dass poröses Si eine niedrige Reflexion aufweist aufgrund der exzellenten Lichtfangleistung von Nanostrukturen [22–24]. Für Nanoloecher-Strukturen zeigt die Reflexion im gesamten Wellenlängenbereich einen offensichtlichen Anstieg, was auf die Verringerung der Dichte und Zunahme der Merkmalsgröße der Nanoloecher zurückzuführen ist. Nach 30 s NaOH-Behandlung zeigen die IP-Strukturen aufgrund von 3–4 Reflexionen zwischen den (111)-Ebenen der IP niedrigere Reflexion über den 300–1100 nm Wellenlängenbereich, besonders im kurzwelligen Bereich 300–500 nm. Mit zunehmender alkalischer Ätzzeit werden die IPs größer und tendieren zu aufrechten Pyramiden, was zu steigender Reflexion führt. Wenn alle Proben mit demselben Stapel SiO₂/SiN_x überzogen werden, fällt die Reflexion scharf um mehr als 10 %, was auf die kombinierte Reflexion aus optischer Interferenz der Stapel SiO₂/SiN_x Dünnschichten und der Oberflächenstrukturen zurückzuführen ist. In diesem Fall unterscheiden sich die Reflexionsspektren der Proben aus verschiedenen Prozessen hauptsächlich im Wellenlängenbereich 300–600 nm, verursacht durch den Unterschied in der Merkmalsgröße der IPs. Insbesondere zeigen Si IP-strus, überzogen mit Stapel SiO₂/SiN_x Schichten, bessere kurzwellige Antireflexionsfähigkeit als die anderen, was exzellente externe Quantenwirkungsgrade (EQEs) im kurzwelligen Bereich anzeigt.

Des Weiteren berechnen wir den durchschnittlichen solaren Reflexionsgrad R_ave (Abb. 3b) über den Wellenlängenbereich 300–1100 nm und vergleichen die Reflexivität der Si IP-strus mit anderen Strukturen entsprechend den verschiedenen Zwischenschritten in Abb. 2a–c. R_ave kann berechnet werden durch:

$$ R_{\mathrm{ave}}=\frac{\int_{300\ \mathrm{nm}}^{1100\ \mathrm{nm}} R(\lambda) \ast S(\lambda) \ast d\lambda}{\int_{300\ \mathrm{nm}}^{1100\ \mathrm{nm}} S(\lambda) \ast d\lambda} $$ (1)

wobei R(λ) und S(λ) die gemessene Reflexion und die AM1,5 solare Photonenspektralverteilung bezeichnen. Wie in Abb. 3b gezeigt, betragen die R_ave Werte von porösem Si, Nanoloechern, IPs und IPs mit SiO₂/SiN_x Beschichtung 8,22 %, 17,96 %, 15,18 % (Gruppe 1 – 30 s) / 17,35 % (Gruppe 2 – 60 s) / 20,3 % (Gruppe 3 – 90 s) und 3,91 % (Gruppe 1 – 30 s) / 4,48 % (Gruppe 2 – 60 s) / 5,60 % (Gruppe 3 – 90 s). Die R_ave Werte zeigen, dass IP-strus eine bessere Antireflexionsfähigkeit als Nanoloecher haben und einen abnehmenden Trend mit zunehmender Merkmalsgröße aufweisen. Wenn IP-Strus mit Stapel SiO₂/SiN_x Schichten beschichtet sind, beträgt der niedrigste R_ave 3,91 %, was eine ideale Lichtfangstruktur für PV-Geräte offenbart.

Die Stapel SiO₂ (~ 2 nm)/SiN_x (~ 75 nm) Passivierung für den Si IP-basierten n⁺-Emitter ist ein effektiver Weg für gute elektrische Leistung von IP-basierten PERC und deren Passivierungseffekt [1] und Mechanismus wurden systematisch in unserer früheren Arbeit [14] untersucht. Um die elektrische Überlegenheit der Stapel Al₂O₃/SiN_x Passivierungsschichten an der Rückseite unseres Geräts zu zeigen, untersuchen wir den Einfluss verschiedener Glüh- und Licht-Einweichbedingungen auf die effektive Minoritätsladungsträgerlebensdauer (τ_eff) in Abhängigkeit vom Injektionslevel (Δn), wie in Abb. 4a gezeigt. Beachten Sie, dass polierte Si-Wafer eine Bulk-Minoritätsladungsträgerlebensdauer von ~ 350 µs haben, und die Stapel Al₂O₃/SiN_x Schichten symmetrisch auf beiden Seiten polierter Si-Wafer abgeschieden sind. Die Dicke der inneren Al₂O₃ und äußeren SiN_x Schicht wird auf ~ 3 bzw. ~ 125 nm geschätzt. Zwei Glühbedingungen werden in Luftatmosphäre durchgeführt: 300 °C und 800 °C für 15 min. Dann werden die Wafer bei 25 °C unter volwelligem Halogenlampenlicht mit 50 mW cm⁻² Leistung für 100 s beleuchtet. Wie aus Abb. 4a ersichtlich, sind die 48 µs τ_eff (300 °C) und 126 µs τ_eff (800 °C) nach dem Glühen viel höher als die 22 µs τ_eff der as-deponierten Al₂O₃/SiN_x passivierten Proben beim Injektionslevel von 1,2 × 10¹⁵ cm⁻³.

Wichtig ist, dass die effektive Minoritätslebensdauer der geglühten Proben nach 100 s Beleuchtung 230 µs und 150 µs beträgt, viel höher als 126 µs und 48 µs vor Beleuchtung, was eine sehr klare lichtverstärkte c-Si-Oberflächenpassivierung der Al₂O₃/SiN_x Schichten demonstriert. Der Ladungsfang-Effekt während des Licht-Einweichens [25–28] könnte einer der Hauptmechanismen für die lichtverstärkte c-Si-Oberflächenpassivierung der Al₂O₃/SiN_x Filme sein. Da Al₂O₃ Filme eine negative Festladungsdichte aufweisen [29–32], wurden einige der durch Licht generierten überschüssigen Elektronen wahrscheinlich in Fallenzustände im inneren Al₂O₃ Film injiziert oder getunnelt, was zu einem erhöhten Feldeffekt-Passivierungslevel führt. Interessanterweise ist der lichtverstärkte Passivierungseffekt bei 300 °C Glühen besser als bei 800 °C, was bedeutet, dass Licht-Einweichen bei niedrigerer Glühtemperatur ein effektiverer Weg für die PV-Geräteanwendung ist.

Um den Effekt des Glühprozesses auf die Oberflächenmodifikation zu untersuchen, vergleichen wir die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) Absorptionsspektren der geglühten Proben mit der as-deponierten Probe. Abbildung 4b zeigt, dass Si–N, Si–O, Si–H und N–H Bindungen den Streckungsabsorptionspeaks bei Wellenzahlen von ~ 840, 1070, 2200 und 3340 cm⁻¹ entsprechen. Wir sehen, dass die Dichten sowohl der Si–N als auch der Si–O Bindungen nach dem Glühen offensichtlich zunehmen; gleichzeitig nimmt die Dichte der Si–H Bindungen leicht zu. Die Zunahme der Si–O und Si–H Bindungsdichte impliziert die Abnahme der hängenden Bindungen an der Si/SiO₂ Grenzfläche, was zu einem besseren Passivierungseffekt führt [33]. Auch fördert der Glühprozess die Dichte der Si–N Bindungen, was eine dichtere Struktur anzeigt, die die Ausdiffusion von H in die Umwelt statt in den Si-Bulk effektiv verhindern kann. Bei übermäßig hoher Glühtemperatur kann jedoch das H in Si–H und N–H Gruppen aus dem Bulk Si und den Dielektrikumschichten in die Umwelt entweichen, was den Passivierungseffekt verschlechtert. Das FTIR-Ergebnis ist konsistent mit der effektiven Minoritätslebensdauer.

Um den Unterschied des Passivierungsmechanismus zwischen thermischem Glühen und Licht-Einweichen weiter zu verstehen, analysieren wir die Dichte der fixierten Ladungen (N_f) und die Dichte der Grenzflächenfallen (N_it) an der Grenzfläche von Si und Al₂O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) Stapel-Schichten mittels Kapazitäts-Spannungs-Messungen (C-V) aus einem rigorosen Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Modell.

N_f kann aus folgender Gleichung erhalten werden:

$$ N_{\mathrm{f}}=\frac{Q_{\mathrm{f}}}{S \times e}=\frac{C_{\mathrm{OX}} \times (V_{\mathrm{MS}}-V_{\mathrm{FB}})}{S \times e} $$ (2)

wobei V_FB durch folgenden Ausdruck berechnet werden kann:

$$ V_{\mathrm{FB}}=V_{\mathrm{MS}}-\frac{Q_f}{C_{\mathrm{OX}}} $$ (3)

Hinweis: S ist die Fläche der Metallelektrode, e die Elementarladung, C_OX die Kapazität der Dielektrikumsschicht, V_MS der Arbeitfunktionsunterschied zwischen Metallelektrode und p-Typ Si, und V_FB die Flachbandspannung.

Mit der Lehovec-Methode [34] können wir N_it aus der C-V-Kurve erhalten:

$$ N_{\mathrm{it}}=\frac{(C_{\mathrm{OX}}-C_{\mathrm{FB}})C_{\mathrm{FB}}}{3(\delta C/\delta V)_{\mathrm{FB}} e k T S} - \frac{C_{\mathrm{OX}}^2}{(C_{\mathrm{OX}}-C_{\mathrm{FB}}) S e^2} $$ (4)

wobei (δC/δV)_FB die Steigung im Nahbereich des Flachbands ist und als Absolutwert genommen wird. C_FB, e und k sind Kapazität der MOS-Struktur im Flachband, Elementarladung und Boltzmann-Konstante.

Aus Abb. 4c ist ersichtlich, dass die gemessene C-V-Kurve der Al₂O₃/SiN_x Stapel-Schichten offensichtlichen Akkumulations-, Depletion- und Inversionsbereich zeigt. Anhand der C-V-Kurven und Gleichungen (2–4) erhalten wir die Grenzflächeneigenschaften der hergestellten MOS-Strukturen, wie in Tabelle 1 dargestellt.

Die fixierten negativen Ladungsdichten zeigen nach thermischem Glühen eine signifikante Zunahme um eine Größenordnung, während die Grenzflächenzustandsdichten signifikant abnehmen, was anzeigt, dass Glühen die chemische Passivierung und Feldeffekt-Passivierung der Dielektrikumschichten verbessert. Durch weiteres Licht-Einweichen bleiben die Grenzflächenzustandsdichten auf demselben Niveau, während die fixierten negativen Ladungsdichten weiter zunehmen. Wie oben erwähnt, wurden einige der durch Licht generierten überschüssigen Elektronen wahrscheinlich in Fallenzustände im inneren Al₂O₃ Film injiziert oder getunnelt, was bedeutet, dass Licht-Einweichen die Feldeffekt-Passivierung des Dielektrikumfilms verstärken kann. Obwohl der N_it Wert hoch ist, hat die Probe mit 300 °C Glühen und 100 s Licht-Einweichen die höchste τ_eff von 230 µs aufgrund der höchsten N_f von − 2,87 × 10¹² cm⁻², was bedeutet, dass Feldeffekt-Passivierung in diesem Fall einen Vorteil gegenüber chemischer Passivierung hat.

Abbildung 4d zeigt Photolumineszenz- und Elektrolumineszenzfotos von 1, 1,3 und 1,8 µm IP-Solarzellen mit demselben Passivierungsprozess. Die Helligkeit der drei Gruppen von Fotos für sowohl Photolumineszenz als auch Elektrolumineszenz bleibt im Wesentlichen auf demselben Niveau, was bedeutet, dass die drei Gruppen von Solarzellengeräten in der Passivierung von Defekten gleich gut abschneiden. Das heißt, der Passivierungsprozess bestimmt die elektrische Leistung der Solarzelle statt der Merkmalsgröße der IPs, was durch die folgenden Ausgangsparameter der gefertigten Solarzellen bestätigt wird.

Basierend auf der exzellenten optischen und elektrischen Leistung der simultanen SiO₂/SiN_x Stapel-Schichten passivierten frontseitigen Si IP-basierten n⁺-Emitters und Al₂O₃/SiN_x Stapel-Schichten passivierten Rückseitenreflektors fertigten wir die Si IPs-basierte PERC.

Abbildung 5a zeigt die internen Quantenwirkungsgrade (IQEs) und Vorderseitenreflexionen der gefertigten Si IP-basierten PERCs. Wir beobachten, dass das 30-s alkalisch geätzte IP-basierte Gerät (Gruppe 1 – 30 s) die niedrigste Reflexion im kurzwelligen Bereich 300–600 nm aufgrund seiner kleineren IP-Merkmalsgröße aufweist. Wichtig: Gruppe 1 – 30 s hat die höchsten IQEs in diesem Wellenlängenbereich und liefert damit die höchsten externen Quantenwirkungsgrade (EQEs) wie in Abb. 5b gezeigt. Auch zeigen die gefertigten Geräte nahezu gleiche EQEs im langwelligen Bereich wegen gleicher Reflexion und IQEs in diesem Bereich. Daher besitzt Gruppe 1 – 30 s mit kleinerer Merkmalsgröße bessere Ausgangsleistung als die anderen beiden Gruppen, was durch die I-V und P-V Kurven der Geräte weiter bestätigt wird (Abb. 5c). Abbildung 5d zeigt, dass der η unseres Champion-Geräts 21,41 % erreichte, sowie V_oc von 0,677 V, I_sc von 9,63 A und FF von 80,30 %. Meines Wissens ist dies der höchste η unter MACE-IP-basierten Solarzellen. Das Inset von Abb. 5d ist ein Foto der Vorder- und Rückseite des Champion-Geräts.

Zudem zeigt Tabelle 2 die detaillierten Parameter der gefertigten Geräte. Offensichtlich ist der durchschnittliche I_sc (9,63 A) der Gruppe 30 s Geräte höher als der der anderen beiden Gruppen, was in seiner besten Antireflexionsfähigkeit der Vorderseite liegt wie oben erwähnt. Der Unterschied der I_sc Werte bestimmt hauptsächlich die Ausgangsleistungen der Geräte. Zudem garantieren der höhere FF und der niedrigere Serienwiderstand R_s den höheren η der Gruppe 30 s. Es ist erwähnenswert, dass alle durchschnittlichen V_oc Werte der Si IP-basierten PERCs im Bereich 674–676 mV liegen, was die gleiche exzellente Passivierung für Vorder- und Rückseite aller Gruppen demonstriert. Schließlich, profitierend vom Gewinn optischer und elektrischer Leistung, haben wir erfolgreich den höchsten η von 21,4 % der Si IP-basierten PERC-Solarzelle erreicht.

Fazit

Zusammenfassend optimieren wir die Morphologien der MACE Si IPs Strukturen und fertigen die neuartige Si IPs-basierte PERC Solarzelle mit Standardgröße 156 × 156 mm² durch Kombination der Stapel SiO₂/SiN_x Schichten beschichteten IPs Texturen mit der Stapel Al₂O₃/SiN_x Passivierung der Rückseite. Die optischen Eigenschaften zeigen, dass der solar gemittelte R_ave der IPs Texturen, beschichtet mit Stapel SiO₂/SiN_x Schichten, bis zu 3,91 % betragen kann, was IPs als ideale Lichtfangstruktur für PV-Geräte offenbart. Auch zeigt die elektrische Analyse, dass die polierte Rückseite, passiviert durch Stapel Al₂O₃/SiN_x Schichten, sehr hohe τ_eff von 230 µs aufgrund thermischer und Licht-Einweichbehandlung besitzt, was eine gute lichtverstärkte c-Si-Oberflächenpassivierung der Al₂O₃/SiN_x Schichten demonstriert. FTIR-Messungen liefern eine weitere Erklärung für die hohen τ_eff Werte der rückseitig durch Stapel Al₂O₃/SiN_x passivierten Schichten. Wichtig: Eine hohe Festladungsdichte N_f von − 2,87 × 10¹² cm⁻² wird mittels C-V-Messungen erzielt, was starke Feldeffekt-Passivierung der Al₂O₃/SiN_x Schichten offenbart. Schließlich, profitierend von der exzellenten optischen und elektrischen Leistung an der frontseitigen Si IP-basierten n⁺-Emitter und rückseitigen Reflektor, erreichen wir den höchsten η von 21,4 %, sowie V_oc von 0,677 V, I_sc von 9,63 A und FF von 80,30 %. Der Erfolg der hocheffizienten Si IP-basierten PERC bietet IPs einen effektiven Weg zur Massenfertigung Si-basierter hocheffizienter Solarzellen.

Verfügbarkeit der Daten und Materialien

Die Datensätze, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

PV:

Photovoltaik

IP:

Invertierte Pyramide

Si:

Silizium

MACE:

Metallunterstütztes chemisches Ätzen

PERC:

Passivierter Emitter und Rückseitenzelle

PERL:

Passivierter Emitter und rückseitig lokal diffundierte Solarzelle

c-Si:

Kristallines Silizium

mc-Si:

Multikristallines Silizium

PECVD:

Plasma-unterstützte chemische Gasphasenabscheidung

ALD:

Atomlagenabscheidung

Si IP-strus:

Silizium invertierte Pyramidenstrukturen

R_ave:

Gemittelte Reflexion

EQE:

Externer Quantenwirkungsgrad

τ_eff:

Effektive Minoritätsladungsträgerlebensdauer

Δn:

Injektionslevel

FTIR:

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

N_f:

Dichte der fixierten Ladungen

N_it:

Dichte der Grenzflächenfallen

C-V:

Kapazitäts-Spannung

IQE:

Interner Quantenwirkungsgrad

V_oc:

Leerlaufspannung

I_sc:

Kurzschlussstrom

FF:

Füllfaktor

R_s:

Serienwiderstand