Высокоэффективная (20,19%) инвертированная пирамидальная моно-кристаллическая кремниевая солнечная ячейка, получена оптимизированным металлассистированным химическим травлением

Аннотация

Сообщается о моно-кристаллической кремний (sc-Si) солнечной ячейке с инвертированной пирамидальной микроструктурой, достигающей рекордной конверсионной эффективности 20,19% на стандартном вафле 156,75 × 156,75 мм². Структура создается двухступенчатым процессом: (1) металлассистированное химическое травление (MACE) с ультра-низкой концентрацией ионов серебра, и (2) оптимизированное щелочное анизотропное тектурирование. Тщательной настройкой параметров MACE и тектурирования контролируют размеры пирамид до 1 мкм ширины, получая нормальную отражательность 9,2%. По сравнению с обычными вертикальными пирамидальными вафлами, инвертированный дизайн дает 0,19% прирост эффективности и дополнительные 0,22 мА/см² в плотности короткого замыкания (Jsc), превосходя ранее сообщаемые структуры. Этот подход предлагает масштабируемый путь к высокоэффективным sc-Si фотовольтаикам.

Введение

Моно-кристаллический кремний (sc-Si) остается эталонным материалом для коммерческой фотовольтаики благодаря своей превосходной фото-конверсионной эффективности и проверенной надежности. Однако недавние достижения в алмазно-проволочной резке, пассивирующих слоях и альтернативных кристаллических конфигурациях сузили разрыв в производительности, заставляя переосмысливать стратегии поверхностного светозахвата. Традиционное вертикальное пирамидальное тектурирование, ограниченное одноступенчатой щелочной химией, достигает отражательности 10–12% — плато, дающего убывающие доходы от прироста эффективности.

Черный кремний, известный своим суб-0,3% отражательностью по всему UV-NIR спектру, стал убедительной альтернативой. Хотя фемтосекундная лазерная аблиция, реакционно-ионное травление (RIE) и металлассистированное химическое травление (MACE) могут производить черный кремний, MACE предлагает лучший баланс совместимости, стоимости и масштабируемости для sc-Si вафелей.

Ключевые вызовы включают управление компромиссом между глубокими наноструктурами (улучшающими светозахват) и поверхностной рекомбинацией (деградирующей временем жизни носителей). Недавние работы показали, что оптимизированный MACE может генерировать высокоплотные нанопористые слои без избыточного введения дефектов. В этом исследовании этот подход расширяют интеграцией низкоконцентрационного Ag-базированного MACE шага с контролируемым щелочным тектурирующим этапом, производя равномерные инвертированные пирамидальные микроструктуры, пригодные для массового производства.

Методы

Коммерческие (100)-ориентированные, p-тип sc-Si вафели (200 ± 20 мкм толщиной, 1–3 Ом·см) предварительно очищали в ванне NaOH/H₂O₂ (30 вес.%) и промывали ультрачистой водой. Для MACE вафели сначала погружали в 0,2 M HF / 3 × 10⁻⁵ M AgNO₃ при 25 °C для депонирования Ag наночастиц. Последующее травление в смешанной кислоте (H₂O₂ 3,13 M / HF 2,46 M) с 0,1% коммерческим добавлением (C) за 3 мин давало нанопористый кремний слой. Ag остатки удаляли 5-минутным промыванием в 0,1 M NH₃ / 0,1 M H₂O₂ и финальным ультрачистым водным промыванием.

Нанопористые вафели затем подвергали щелочному анизотропному тектурированию: 0,003 M NaOH раствор с 0,4% добавлением (A) при 60 °C на 7 мин. Этот шаг преобразует пористую сеть в равномерные инвертированные пирамиды с 1 мкм основанием. Последующая промышленная обработка — формирование p-n перехода фосфорной диффузией, удаление фосфоросиликатного стекла, SiNx антирефлексивное покрытие PECVD и металлизация электродов — завершала фабрикацию устройства.

Характеристика включала SEM (Hitachi S-4800), 3D метрологию для размеров микро-объектов, UV-VIS-NIR рефлектометрию (UV-3101PC с интегрирующей сферой), толщину и показатель преломления SiNx (Filmetrics F20-UV), и фотовольтаическое тестирование (Enlitech QE-R и PVIV-411V). FDTD моделирование (λ = 631,57 нм) оценивало оптическое поле распределение в инвертированных и вертикальных геометриях.

Результаты и обсуждение

Депозиция Ag наночастиц оптимизировали до 5 ppm AgNO₃ на 2 мин при комнатной температуре, давая плотный, равномерный 15 нм диаметра слой (Рис. 1). Более высокие концентрации или более длительное время давали неправильные, вытянутые частицы, ухудшающие поверхностную равномерность.

После MACE нанопористый Si показывал диаметры 20 нм (1 мин) до 110 нм (5 мин) и глубины 1,3–3 мкм (Рис. 2). Оптимальные условия — 3 мин при 35 °C, балансируя минимальную шероховатость и максимальный светозахват (Рис. 3). Более длительное травление (>4 мин) вводило изогнутые цилиндрические поры, повышающие отражательность.

Щелочное анизотропное тектурирование преобразовало пористую сеть в инвертированные пирамиды. Времена процесса 5–9 мин давали пирамиды с шириной 500 нм до 1 мкм и глубиной 350–400 нм (Рис. 4). При 7 мин пирамиды были равномерно распределены, 1 мкм шириной, и демонстрировали 9,2% среднюю отражательность — улучшение по сравнению со стандартными вертикальными текстурами.

Электрическая оценка выявила, что инвертированная-пирамидальная ячейка превосходит вертикальную: 20,19% эффективность против 19,95%, Jsc 38,47 мА/см² против 38,25 мА/см², Voc 647 мВ против 645 мВ, и 0,05% более высокий заполняющий фактор (Таблица 2). IQE оставался сравнимым, в то время как EQE показывал 5–10% прирост в диапазоне 300–600 нм, согласованный с пониженной поверхностной отражательностью (Рис. 6). FDTD моделирование подтвердило, что инвертированная геометрия концентрирует электромагнитное поле внутри кремниевого объема, усиливая фотонное поглощение относительно вертикальных пирамид (Рис. 7).

Заключение

Интеграция ультра-низкоконцентрационного MACE с тонко настроенным щелочным тектурирующим шагом дает равномерную 1 мкм инвертированную-пирамидальную микроструктуру, снижающую поверхностную отражательность до 9,2% и повышающую конверсионную эффективность до 20,19%. Полученный Jsc 38,47 мА/см² демонстрирует потенциал этого подхода для масштабируемого, высокоэффективного sc-Si фотовольтаического производства. Дальнейшая оптимизация пассивирующих слоев и параметров светозахвата может толкнуть эффективность выше 21%.

Аббревиатуры

3D

Трехмерный

ALD

Атомно-слойное осаждение

EDS

Энергодисперсный спектрометр

EQE

Внешняя квантовая эффективность

FDTD

Конечно-разностный временной домен

FF

Заполняющий фактор

IQE

Внутренняя квантовая эффективность

Jsc

Плотность тока короткого замыкания

MACE

Металлассистированное химическое травление

mc-Si

Многокристаллический кремний

PECVD

Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

RIE

Реакционно-ионное травление

sc-Si

Моно-кристаллический кремний

SEM

Расканирующая электронная микроскопия

STD

Стандартное отклонение

Voc

Напряжение холостого хода