Уменьшение ловушек на границе раздела с помощью высокоплотной обработки водородом для повышения эффективности ячеек с задним контактом пассивированного эмиттера

Введение

Солнечные батареи являются одним из многих возобновляемых источников энергии в мире и считаются наиболее способными заменить переходную нефтехимическую энергию. Существует несколько типов солнечных элементов на основе различных систем материалов, таких как кремний [1,2,3], перовскит [4, 5] или соединения AIIIBV [6, 7]. Среди них солнечные элементы на основе кремния обычно используются из-за их низкой стоимости, высокой стабильности и отличной эффективности до 26% [8,9,10]. Устройство с задним контактом пассивного эмиттера (PERC) рассматривается как одно из потенциальных устройств для замены солнечных элементов с обратным полем (BSF) [11, 12]. В 1983 году профессор Мартин Грин впервые предложил ячейку PERC в Университете Нового Южного Уэльса (UNSW), концепция которой заключалась в объединении эмиттерного и заднего пассивирующего слоя для уменьшения дефектов интерфейса и повышения эффективности ячейки. Хотя эмиттер PERC и задний пассивирующий слой могут пассивировать дефекты интерфейса, качество пленки эмиттера или слоя антиотражающего покрытия (ARC) влияет на интерфейс [13,14,15].

Согласно предыдущей работе, помимо улучшения качества тонкой пленки для уменьшения ловушек на границе раздела, обработка после отжига является еще одним методом уменьшения дефектов [16,17,18]. Последующая обработка, заключающаяся в отжиге формовочного газа в азоте (95%) и водороде (5%) при 400 ° C, используется для уменьшения ловушек на границе раздела с водородом и повышения эффективности ячейки. К сожалению, для такой обработки требуется реакция примерно при 400 ° C, температура слишком высока для солнечных элементов, таких как гетеропереход с собственным тонким слоем (HIT), которые изготавливаются при температурах ниже 200 ° C.

В этой работе мы предлагаем подходящую обработку водородом высокой плотности (HDH) для уменьшения границ ловушек между эмиттерным пассивирующим слоем и слоем Si n-типа без необходимости изменения каких-либо дополнительных элементов при изготовлении устройства. Подобно предыдущим исследованиям, HDH-обработка используется для пассивирования дефектов с помощью ионов водорода. Экспериментальный результат предполагает усиление связи Si – H после обработки HDH, согласно данным вторичной ионной масс-спектрометрии (SIMS), измеренной инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье (FTIR). Кроме того, электрические измерения, включая проводимость, плотность тока короткого замыкания (Jsc), последовательное сопротивление (Rs) и коэффициент заполнения (F.F.), извлекаются, чтобы подтвердить снижение плотности состояния (Dit) и повышение эффективности ячейки. Наконец, мы также предложили модель, чтобы дополнительно проиллюстрировать влияние обработки HDH на солнечную батарею PERC.

Экспериментальные методы

Производство солнечных элементов PERC

Процесс изготовления PERC проиллюстрирован ниже. Кремний Чохральского p-типа используется в качестве подложки толщиной примерно 150 мкм. Раствор КОН используется для травления поверхности подложки Si и формирования морфологии поверхности пирамидальной текстуры. Чтобы сформировать соединение p-n, POCl ₃ используется для диффузии в поверхность подложки Si и формирования слоя n-типа. Затем эмиттерный пассивирующий слой SiN наносится посредством химического осаждения из паровой фазы (CVD) в качестве слоя антиотражающего покрытия (ARC). После нанесения слоя ARC раствор HF используется для удаления заднего бокового слоя n-типа. Затем Al ₂ О ₃ слой наносится как задний пассивирующий слой толщиной 25 нм путем осаждения атомного слоя (ALD). Затем слой SiN толщиной 95 нм осаждается методом химического осаждения из паровой фазы. После завершения процесса задней пассивации лазерная абляция применяется к вырезанным канавкам для подготовки к процессу трафаретной печати серебряного (Ag) верхнего электрода, используемого на слое ARC, в то время как алюминий (Al) используется для нижнего электрода. Наконец, устройство нагревается в процессе обжига, чтобы обеспечить надлежащий контакт между металлом и полупроводником. Структура устройства PERC представлена ​​на рис. 1.

Технологический процесс изготовления PERC и структура ячеек с задним контактом пассивного эмиттера (PERC)

Лечение HDH

Затем на устройство PERC применяется обработка HDH. Процесс обработки HDH показан на рис. 2. Газообразный водород используется в качестве источника обработки и закачивается в реакционную камеру, содержащую устройство PERC. Затем газ сжимают до 70 атм и устанавливают температуру реакции 200 ° C в течение 1 часа. Затем газ откачивают для завершения обработки HDH.

Технологический процесс обработки водорода высокой плотности (HDH)

Характеристика материала

Bruker VERTEX 70v FTIR используется для анализа связи Si – H до и после обработки, а ION-TOF, TOF-SIMS V используется для анализа водородного отношения на границе SiN / Si.

Электрические характеристики

ВАХ и G-V измеряются с помощью полупроводникового анализатора Agilent B1500 и пробной станции Cascade M150 в темном боксе как для светлых, так и для темных условий. Параметры эффективности (Jsc, Rs и коэффициент заполнения) извлекаются из моделируемого источника света мощностью 1 кВт M ⁻² . глобальный спектр AM1.5 при 25 ° C. Внешний квантовый выход (EQE) солнечного элемента QEX10 используется для анализа эффективности от 300 до 1200 нм.

Результат и обсуждение

Пассивирующий слой SiN эмиттера с обработкой HDH и без нее исследуют с помощью FTIR-анализа. Как показано на рис. 3, SiN с обработкой HDH и с HDH демонстрирует 3350 см ⁻¹ . растягивающейся связи N – H и 2165 см ⁻¹ валентной связи Si – H [19,20,21]. Однако отношения интенсивности пиков поглощения связи N – H и Si – H увеличиваются после обработки, что означает, что водород вводится в слой SiN.

Тонкая пленка пассивирующего слоя SiN эмиттера, измеренная с помощью FTIR-спектра

Чтобы подтвердить, что обработка HDH уменьшает ловушки на границе раздела SiN / Si, для подтверждения распределения водорода используется масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS) [22, 23]. На рис. 4, поскольку слой SiN осаждается методом химического осаждения из паровой фазы, интенсивность водорода в этом слое SiN выше, чем в Si. После обработки, несмотря на то, что интенсивность водорода явно не увеличивается в объеме, интенсивность явно увеличивается на границе SiN и Si, и этот результат указывает на то, что обработка HDH вступает в реакцию на границе SiN / Si.

Тонкая пленка пассивирующего слоя SiN эмиттера, измеренная с помощью SIMS

Чтобы дополнительно подтвердить разницу в Dit между эмиттерным слоем SiN и подложкой p-Si после обработки HDH на рис. 5, изготовлена ​​структура металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) Al / SiN / p-Si / Al. Поскольку интерфейс SiN и p-Si имеет большое количество дефектов, результат G-V может быть применен для извлечения плотности захвата интерфейса (Dit) [24]. Уравнение проводимости имеет вид:

Устройство Al / SiN / p-Si / Al анализируется по характеристике проводимости-напряжения с интерфейсными ловушками

где ω угловая частота, τ - срок службы носителя, а Gp - частотно-зависимая проводимость. Чтобы упростить уравнение. 1, Dit связан с проводимостью, а пик проводимости уменьшается после обработки, что предполагает, что обработка HDH может уменьшить ловушки на границе раздела PERC.

Затем электрические измерения выполняются на устройстве ячейки PERC как в светлых, так и в темных условиях. Смещение устройства приложено к нижнему алюминиевому электроду, а верхний электрод заземлен. Диапазон изменения напряжения составляет от -1 до 0,75 В. На рисунке 6 показана ВАХ в темноте. Утечка тока значительно уменьшается после обработки HDH, при этом коэффициент уменьшения составляет около 0,5 порядка. Кроме того, на правой стороне ВАХ обнаружено, что пик тока включения уменьшается после обработки. Мы также извлекаем кривую ВАХ и преобразуем ее как идеальный коэффициент в соответствии с уравнением тока диода:

Анализ ВАХ в темноте с учетом утечки тока и идеального коэффициента.

где I _s ток насыщения, q - электронный заряд, V приложенное напряжение, n идеальный коэффициент, k - постоянная Больцмана, а T абсолютная температура. Уравнение 2 можно упростить до следующего вида:\ (I ={I} _s \ left [\ mathit {\ exp} \ left (\ frac {qV} {nkT} \ right) -1 \ right] \); когда n значение близко к 1, ток включения близок к току диффузии. Когда n значение близко к 2, это означает, что ток включения близок к току комбинации [25]. После обработки крутизна тока включения уменьшается с 1,5 до 1,42, что означает, что ток включения близок к току диффузии после обработки из-за уменьшения количества дефектов.

Для дальнейшего изучения электрических характеристик параметры эффективности (Jsc, Rs и коэффициент заполнения) извлекаются из моделируемого источника света мощностью 1 кВт M ⁻² . глобальный спектр AM1.5 при 25 ° C. После обработки HDH средняя эффективность увеличивается с 17,3 до 18,2%, как показано на рис. 7a. Jsc также увеличивается с 37,6 до 38,2 мА, как показано на рис. 7b. Кроме того, после лечения Rs снизился с 0,712 до 0,487, как показано на рис. 7c. Что касается коэффициента заполнения, он увеличивается с 70,5 до 73,3, как показано на рис. 7d.

ВАХ PERC для a эффективность, b плотность тока короткого замыкания (Jsc), c последовательное сопротивление (Rs) и d коэффициент заполнения (F.F.)

Чтобы подтвердить эффективность преобразования в различных диапазонах длин волн, используется внешняя квантовая эффективность (EQE) для анализа длины волны от 300 до 1200 нм [26, 27]. Как показано на рис. 8, квантовая эффективность до обработки HDH имеет средний EQE 94% между 400 и 600 нм. Однако после лечения HDH мы можем получить еще более высокий результат EQE. Результаты показывают увеличение до 97% между 400 и 600 нм, что вызвано подавлением ловушек на границе раздела эмиттер SiN / Si.

Внешний квантовый выход (EQE) измеряется от 300 до 1200 нм

Наконец, мы предлагаем модель для объяснения воздействия HDH на устройство PERC. Эмиттер PERC со структурой Si / SiN / n-типа и его связь со структурой ловушки на границе раздела SiN / Si показаны на рис. 9. Когда электронно-дырочная пара генерируется в pn-переходе под действием света, электрон движется к верхнему электроду из серебра. Если на границе SiN / Si есть интерфейсные ловушки, они будут способствовать рекомбинации электронов с дырками. Чтобы уменьшить количество ловушек на границе раздела, к устройству PERC применяется обработка HDH, при этом газ под высоким давлением используется для нагнетания водорода в устройство и его реакции с поверхностью раздела. После обработки водородные связи с оборванной связью на границе SiN / Si и интерфейсные ловушки уменьшаются. Следовательно, рекомбинация уменьшается, что снижает утечку тока и увеличивает эффективность Jsc и ячейки.

Эмиттер PERC структуры Ag / SiN / n-типа Si и структура ловушки на границе раздела SiN / Si на начальном этапе и после обработки

Заключение

В этом исследовании было успешно предложено лечение HDH для уменьшения ловушек на границе раздела и повышения эффективности устройства. Спектр FTIR показывает, что связь Si – H усиливается, а пик напряжения проводимости уменьшается после обработки. Следовательно, уменьшенное количество интерфейсных ловушек приводит к уменьшению утечки тока, а также уменьшается идеальное значение коэффициента. Более того, эффективность повышается после обработки, а также увеличиваются Jsc, Rs и коэффициент заполнения. Наконец, результат EQE демонстрирует усиление коротких волн, что свидетельствует об уменьшении ловушек на границе раздела эмиттеров.

Доступность данных и материалов

Все данные доступны у авторов по обоснованному запросу.

Сокращения

HDH:

Обработка водородом высокой плотности

PERC:

Пассивированный задний контактный элемент эмиттера

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

SIMS:

Масс-спектрометрия вторичных ионов

То же:

Плотность ловушек на границе раздела

Jsc:

Плотность тока цепи

Rs:

Последовательное сопротивление

F.F .:

Коэффициент заполнения

EQE:

Внешняя квантовая эффективность

BSF:

Поле задней поверхности

UNSW:

Университет Нового Южного Уэльса

ARC:

Антибликовое покрытие

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

ALD:

Осаждение атомного слоя

MIS:

Структура металл-диэлектрик-полупроводник