Кристаллические Si солнечные элементы с черным кремнием на задней стороне: повышение КПД через градиентную инженерию запрещенной зоны

Аннотация

Мы исследовали кристаллические кремниевые (c-Si) солнечные элементы, включающие слой черного кремния (b-Si) на задней поверхности. Химическое травление создало наноструктурированный b-Si, и его наличие на тыльной стороне устройства привело к заметному 27,7 % относительному увеличению КПД по сравнению с эквивалентным элементом без слоя b-Si. Улучшение атрибутируется градиентной запрещенной зоне, формирующейся на тыльной стороне, отталкивающей свободные электроны от высокоповерхностного b-Si и тем самым подавляющей поверхностную рекомбинацию. Работа демонстрирует, что тыловой слой b-Si можно использовать для расширения спектрального отклика c-Si солнечных элементов в суб-полосную ближнюю ИК область.

Введение

Высокотекстурированный кремний, загруженный или допированный металлическими или неметаллическими ионами, демонстрирует широполосную абсорбтивность, давая так называемый эффект черного кремния (b-Si). Такой Si привлекает внимание для широполосных фотоэлектрических применений. Существующие работы обычно размещают слой b-Si на передней стороне элемента, что препятствует суб-полосным ближнеИК фотонам генерировать полезные зарядовые носители, так как порождаемые электроно-дырочные пары слишком далеко от p-n перехода. Мы гипотезировали, что позиционирование b-Si на задней стороне позволит встроенному полю на границе Si/оксид или полю интердигитированного заднего контакта разделять NIR-генерированные носители и давать суб-полосный фотовольт. Однако большая удельная площадь b-Si может вводить серьезную поверхностную рекомбинацию. Эта работа исследует фотоэлектрический отклик c-Si элементов с тыловым b-Si и объясняет базовую физику.

Методы

Материалы

Использовали p-тип Si<100> подложку (CZ, двухсторонне полированная, 10×10×0,2 мм³, 1–10 Ом·см). Подложку ультразвуково очищали, этравили в 1 % HF, затем травляли в растворе NaOH/спирт/вода (0,5 г / 200 мл / 200 мл) при 90 °C 15 мин для легкой антирефлексной текстуры. Для тылового b-Si на одну поверхность испаряли 3 нм слой Ag катализатора. Подложку затем погружали в 1:5:10 HF(40%) : H₂O₂(30%) : H₂O на 120 с при комнатной температуре, получая наноструктурированный b-Si. Фосфорную пасту наносили на противоположную поверхность, затем отжигали 900 °C/20 мин в азоте для формирования p-n перехода. Поверхностную пассивацию достигали 20-нм SiO₂ на передней и 10-нм Al₂O₃ на задней (последнее ALD). 80-нм ITO передний электрод и 2-мкм Al задний электрод осаждали, и элемент финально отжигали 425 °C/5 мин в азоте.

Измерения

Спектры отражения записывали Shimadzu UV-3101PC. Морфологию поверхности изучали Philips XL 30 SEM. Фотоэлектрические параметры измеряли солнечным симулятором Oriel/Newport 94023A под AM 1.5G 1 Sun. Внешнее квантовое выход (EQE) на Oriel/Newport QE системе. TEM на JEOL EM-3000. ФЛ на Ocean Optics USB2000 с 325-нм He-Cd лазером. Контактная разность потенциалов (CPD) измеряли KP Technology SKP5050 Кельвиновым зондом.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает схемные поперечные сечения слегка текстурированного c-Si элемента без и с тыловым b-Si. Толщина элемента ≈200 мкм.

SEM (Рис. 2) показывает, что передняя поверхность имеет наноструктуры 10–20 нм, тогда как тыловой b-Si имеет среднюю высоту ≈110 нм. HRTEM подтверждает нанокристаллический Si в b-Si, поддерживаемый SAED паттерном.

Спектры поглощения (Рис. 3a) демонстрируют: b-Si, обращенный к падающему свету, значительно усиливает поглощение 300–1100 нм и вводит суб-полосное NIR поглощение, приписываемое формированию примесных уровней в запрещенной зоне. Когда b-Si обращен от света (b-Si вниз), поглощение остается высоким в 300–1100 нм, показывая, что тыловой b-Si все еще может захватывать NIR фотоны.

Четыре варианта устройств: (1) вейфер Si; (2) вейфер Si + Al₂O₃ тыловая пассивация; (3) b-Si тыл; (4) b-Si тыл + Al₂O₃. Ток-вольтовые и EQE данные (Рис. 4) показывают: вейфер + Al₂O₃ превосходит непассивированный вейфер, подтверждая эффективное подавление поверхностной рекомбинации. Удивительно, но b-Si тыл дает 27,7 % относительный рост КПД над обычным вейфером, несмотря на большую площадь, обычно повышающую рекомбинацию. Добавление Al₂O₃ к b-Si тылу еще больше улучшает характеристики, подтверждая, что тыловая пассивация остается эффективной. Ключ — градиентная запрещенная зона на тылове: минимум зоны проводимости b-Si лежит ≈0,4 эВ выше p-типа Si (CPD измерение), создавая барьер, отгоняющий электроны от высокоповерхностного b-Si, позволяя дырочкам достигать заднего электрода, тем самым подавляя рекомбинацию.

Дополнительные гетероструктурные фотоэлектрические устройства (Рис. 6) подтверждают выгодную роль тылового b-Si. EQE b-Si устройства заметно выше без b-Si, согласуясь с механизмом градиентной запрещенной зоны.

Заключение

Включение слоя черного кремния на заднюю сторону кристаллического кремниевого солнечного элемента драматически улучшает производительность за счет формирования градиентной запрещенной зоны, смягчающей поверхностную рекомбинацию. Прирост КПД 27,7 % демонстрирует жизнеспособность тылового b-Si для расширения спектрального отклика c-Si элементов в суб-полосной NIR области, прокладывая путь к широполосным фотоэлектрическим технологиям.