Исследование солнечного элемента из кристаллического кремния с черным слоем кремния на задней панели

Фон

Сильно протравленный Si, который был загружен или легирован ионами металлов или неметаллов, может проявлять сильную и широкополосную поглощающую способность [1,2,3,4,5,6]. Этот тип Si, или черный Si (b-Si), привлек большое внимание в связи с его потенциальным применением в фотоэлектрических элементах с широкополосным откликом [7,8,9]. На сегодняшний день исследования солнечного элемента на основе b-Si сосредоточены на такой конфигурации, при которой слой b-Si находится на передней части солнечного элемента [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]. В этом случае электронно-дырочные пары, индуцированные подзонным поглощением в ближней инфракрасной области (NIR) в слое b-Si, находятся далеко от зоны PN-перехода и не могут быть разложены встроенным полем, чтобы стать носителями заряда, что делает невозможным фотоэлектрический отклик ближней ИК-зоны. Затем предполагается, что если слой b-Si расположен сзади, электронно-дырочные пары, индуцированные поглощением в ближнем ИК-диапазоне, могут быть разложены на границе раздела Si / оксидное поле сзади [20] или встроенным полем там. если принята конфигурация встречно-штыревого обратного контакта (IBC) [21], то фотоэлектрический (PV) отклик такого кристаллического (c) -Si солнечного элемента расширяется до субзонного диапазона NIR. К сожалению, большая удельная поверхность b-Si обычно вызывает сильную поверхностную рекомбинацию, которая серьезно ухудшает характеристики солнечного элемента [10, 15, 22]. Следовательно, прежде чем мы начнем изучать NIR-отклик подзонного ИК-излучения c-Si солнечного элемента, необходимо знать, насколько велика может быть поверхностная рекомбинация b-Si и как минимизировать или избежать ее влияния [23]. В этой работе мы изучили фотоэлектрическую реакцию солнечного элемента c-Si с b-Si на задней панели и изучили физику, лежащую в основе наших наблюдений.

Методы

Материалы

Пластина Si <100> P-типа (CZ, двусторонняя полировка, 10 × 10 × 0,2 мм ³ размером 1–10 Ом · см). Пластина Si была очищена ультразвуком и затем погружена в разбавленный HF (1%) с последующим травлением в NaOH / спирте / H ₂ О (0,5 г / 200 мл / 200 мл) раствор при 90 ° C в течение 15 минут для легкого текстурирования поверхности для предотвращения отражения, а затем промыть деионизированной водой. Чтобы приготовить b-Si сзади, слой Ag с кажущейся толщиной 3 нм был напылен на одну поверхность подложки Si в качестве катализатора путем резистивного нагрева в самодельной вакуумной камере с базовым давлением менее 5 × 10 ^{- 4} Па. После погружения кремниевой пластины в HF (40%):H ₂ О ₂ (30%):H ₂ В растворе O =1:5:10 в течение 120 с при комнатной температуре слой b-Si формировался на этой поверхности Si или на задней части солнечного элемента. Затем на другую поверхность Si или на переднюю часть солнечного элемента наносилась фосфорная паста с последующим отжигом при 900 ° C в течение 20 минут в азоте с образованием PN-перехода. SiO ₂ толщиной 20 нм Слой был напылен на переднюю часть солнечного элемента для пассивации поверхности. Для пассивирования задней поверхности используется Al ₂ толщиной 10 нм. О ₃ слой наносился методом атомно-слоистого осаждения (ALD) (Beneq TFS 200). На лицевую поверхность в качестве переднего электрода наносился слой ITO толщиной 80 нм. Слой Al толщиной 2 мкм испарялся путем резистивного нагрева в качестве заднего электрода. Для завершения изготовления солнечного элемента c-Si был проведен термический отжиг в азоте при 425 ° C в течение 5 минут. Следует отметить, что в этой работе мы сосредоточились на влиянии b-Si сзади на отклик ФЭ; поэтому передняя поверхность была лишь слегка текстурированной и не сильно протравленной для образования b-Si.

Измерения

Спектры отражения измеряли с использованием спектрофотометра UV-vis-NIR (Shimadzu, UV-3101PC). Морфологию поверхности измеряли с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) (Philips, XL 30). Фотоэлектрические параметры солнечного элемента были получены с помощью симулятора солнечной энергии (Oriel / Newport, модель 94023A) в условиях 1-Sun AM1.5G. Внешний квантовый выход (EQE) солнечного элемента был получен в системе QE Oriel / Newport. Измерения с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) проводили на приборе JEOL EM-3000. Спектры поверхностно-излучающей фотолюминесценции (ФЛ) регистрировали с помощью спектрофотометра (Ocean Optics USB2000) с использованием He-Cd-лазера с длиной волны 325 нм (Melles Griot, серия 74) в качестве источника возбуждения. Поверхностные потенциалы Si p-типа и b-Si были измерены с помощью системы датчиков Кельвина (KP Technology SKP5050), так называемой контактной разности потенциалов или идентификации CPD.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1а показана схема солнечного элемента c-Si со слегка текстурированной поверхностью после передней и задней пассивации. На рисунке 1b схематически показан солнечный элемент с аналогичной структурой, но с b-Si сзади. Толщина солнечного элемента составляет примерно 200 мкм.

Схемы солнечных элементов c-Si со слегка текстурированной поверхностью без ( a ) и с ( b ) b-Si сзади

На рис. 2а показано СЭМ-изображение текстурированной передней поверхности, вид сверху. На рис. 2b показано СЭМ-изображение поверхности b-Si, вид сбоку. Средняя высота наноструктуры текстурированного Si составляет 10 ~ 20 нм, а b-Si - ~ 110 нм. На рисунке 2c показано ПЭМ-изображение b-Si с высоким разрешением (HR), на котором можно различить нанокристаллический Si, отраженный дифракционными полосами. Эта кристалличность b-Si также указывается на диаграмме SAED (электронной дифракции на выбранной площади), как показано на рис. 2d.

СЭМ-изображения Si с текстурой поверхности ( a ) и поверхностно-травленый b-Si ( b ), HRTEM ( c ) и SAED ( d ) b-Si

На рисунке 3a показаны спектры поглощения для пластины Si (называемой «Si»), b-Si, обращенной к падающему свету (называемой «b-Si вверх»), и b-Si, обращенной спиной к падающему свету (обозначаемой «b -Si вниз »). Для «Si» видно, что, когда энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны c-Si (1,1 эВ) или, что эквивалентно, длина волны больше 1100 нм и почти не происходит поглощения, как ожидалось. Однако для «b-Si вверх», помимо значительного увеличения поглощения в диапазоне 300–1100 нм из-за сильного захвата света наноструктурами b-Si [1,2,3,4,5, 6,7,8,9, 24,25,26,27,28,29,30,31], появляется субполосное поглощение БИК. Это субзонное поглощение можно отнести к образованию примесных уровней внутри запрещенной зоны, что позволяет поглощать фотоны с более низкой энергией [25, 26, 27, 28, 32]. Подзонное поглощение может быть эффективным с помощью захвата света [25, 26, 27, 28, 32]. Для «b-Si вниз» поглощение в диапазоне 300–1100 нм увеличивается по сравнению с «Si». Было замечено, что, хотя на этой передней стороне не было отложений Ag, она все же будет слегка текстурирована во время образования b-Si на задней стороне. Текстурирование поверхности усиливало захват света. Видно, что хотя часть ближней запрещенной зоны ближнего инфракрасного излучения отражается от передней поверхности, большая часть поглощения ближнего инфракрасного излучения все еще остается. Это то, что нужно для разработки солнечных элементов c-Si с ближней полосой пропускания и ближнего ИК-диапазона. На рис. 3b показан измеренный спектр фотолюминесценции b-Si, а на вставке - фотография b-Si при освещении лазером с длиной волны 325 нм. Эмиссия ФЛ для кремниевой пластины не обнаружена. Излучение фотолюминесценции b-Si является еще одним признаком того, что нанокристаллы Si существуют, как показано на рис. 2c [10, 33].

Спектры поглощения пластины Si, b-Si, обращенной к падающему свету, и b-Si, обращенной спиной к падающему свету ( a ). ФЛ Si и b-Si при освещении возбуждающим лазером с длиной волны 325 нм ( b ). На вставке показан b-Si при освещении лазером с длиной волны 325 нм

Теперь мы исследуем, как b-Si в задней части солнечного элемента c-Si повлияет на его характеристики. Далее под солнечным элементом на основе b-Si подразумевается солнечный элемент на основе c-Si со слоем b-Si на задней стороне. Для сравнения мы изготовили четыре солнечных элемента c-Si, то есть кремниевый пластинчатый солнечный элемент (называемый «пластина»), пластинчатый кремниевый солнечный элемент с Al ₂ . О ₃ пассивирование в задней части (называемое «пластина + Al ₂ О ₃ »), Солнечные элементы на основе b-Si (называемые« b-Si ») и солнечные элементы на основе b-Si с Al ₂ О ₃ пассивирование в задней части (обозначается как «b-Si + Al ₂ О ₃ »). Все четыре солнечных элемента имеют текстурированную лицевую поверхность. Плотность тока-напряжение ( Дж - V ) кривые четырех солнечных элементов показаны на рис. 4a, а их кривые EQE показаны на рис. 4b. Соответствующие параметры PV, включая напряжение холостого хода ( В _OC ), плотность тока короткого замыкания ( Дж _SC ), коэффициент заполнения (FF) и эффективность фотоэлектрического преобразования ( η ) приведены в таблице 1. По сравнению с солнечным элементом типа «пластина из Si» после пассивирования задней части алюминием ₂ О ₃ , ячейка «пластина + Al ₂ О ₃ »Показывает гораздо лучшую производительность. J _SC , V _OC , FF и η увеличиваются, и наблюдается значительное улучшение EQE во всем измеряемом диапазоне длин волн. Этот результат согласуется с предыдущими отчетами, поскольку поверхностная рекомбинация хорошо подавляется Al ₂ О ₃ пассивация [34,35,36]. Когда слой b-Si существует сзади, значительно уменьшается J _SC , V _OC , и η ячейки «b-Si» можно было бы ожидать из-за высокой поверхностной рекомбинации из-за большой удельной поверхности b-Si по сравнению с «пластинчатой» ячейкой [15, 22]. Однако, напротив, производительность «b-Si» оказывается значительно улучшенной, а его эффективность даже близка к эффективности «пластина + Al ₂ . О ₃ , »И с относительным увеличением на 27,7%. Кривая EQE также показывает значительное улучшение широкополосного сигнала. Кажется, что здесь не происходит высокоповерхностная рекомбинация, вызванная большой площадью поверхности. Затем мы переходим к проверке ячейки «b-Si + Al ₂ О ₃ ”И обнаруживаем, что после Al ₂ О ₃ пассивирование сзади, J _SC , V _OC , FF и η далее увеличиваются, как и EQE. Это означает, что Al ₂ О ₃ по-прежнему эффективно пассивирует заднюю поверхность, как в случае «пластина + Al ₂ О ₃ . » Роль, которую играет Би-Си в тылу, неожиданно интересна и требует дальнейшего изучения.

Фотоэлектрические J - V ( а ) и кривые EQE ( b ) для солнечных элементов типа «пластина», «пластина + Al ₂ О ₃ , »« B-Si »и« b-Si + Al ₂ О ₃ ”

На рис. 5 показана диаграмма энергетических зон PN-перехода с b-Si сзади. То, что минимум зоны проводимости b-Si на 0,4 эВ выше, чем у Si p-типа, следует из измерения CPD. Поскольку b-Si выращивается непосредственно на самом кремнии p-типа, расстояние между уровнем энергии Ферми и максимумом валентной зоны должно в основном оставаться таким же, как и концентрация легирования [37]. Следовательно, ширина запрещенной зоны b-Si больше, чем у пластины Si. Это согласуется с образованием нанокристаллического Si, их люминесцентное излучение, как показано на рис. 2c и 3b соответственно, и эффект размерного квантования [38]. С такой изменяемой запрещенной зоной сзади свободные электроны будут вытеснены прочь от b-Si и заднего электрода [39]; Между тем, дрейф дырок к заднему электроду не затрагивается, как показано на рис. 5. Таким образом, вероятность электронно-дырочной рекомбинации на b-Si может быть значительно снижена, и проблема высокой поверхностной рекомбинации может быть эффективно устранена. . Сформированная градиентная запрещенная зона объясняет, почему элемент «b-Si» имеет гораздо лучшие характеристики, чем элемент «вафельный», даже несмотря на то, что его удельная площадь поверхности намного больше.

Диаграмма энергетических зон PN-перехода с b-Si сзади

Положительная роль b-Si в фотовольтаике в дальнейшем была продемонстрирована в фотоэлектрических устройствах с гетеропереходом, как показано на рис. 6a, b. Как показано на рис. 6c, для этого фотоэлектрического устройства с b-Si сзади EQE был явно улучшен по сравнению с устройством без b-Si сзади. Регулируемая запрещенная зона на границе раздела P-Si и b-Si должна быть ответственна за усиление EQE [39, 40]. Этот результат качественно согласуется с результатом на рис. 4б. Хотя конфигурации фотоэлектрических модулей на рис. 4b и рис. 6c различаются, роль b-Si на задней панели в основном одинакова.

Схема фотоэлектрического устройства с гетеропереходом без ( a ) и с ( b ) b-Si сзади и их кривые EQE ( c )

Выводы

Мы исследовали солнечный элемент c-Si со слоем b-Si на тыльной стороне. Солнечный элемент c-Si такой конфигурации показал гораздо лучшие характеристики, чем солнечный элемент c-Si аналогичной структуры, но без b-Si сзади. Этот результат был приписан образованию градиентной запрещенной зоны на задней панели, которая может в значительной степени снизить вероятность поверхностной рекомбинации на задней панели, тем самым улучшая характеристики солнечного элемента c-Si. Результаты этой работы могут быть применены к разработке солнечного элемента c-Si с широкополосным откликом от фотоэлектрической панели, включая отклик ближней ИК-зоны зазонной полосы, в будущем.