Масштабируемые массивы кремниевых нанопроводников на 6-дюймовых моно- и поликристаллических солнечных элементах улучшенным металло-ассистированным химическим травлением

Аннотация

Продемонстрирован масштабируемый растворимый метод металло-ассистированного химического травления (MacEtch), дающий равномерные массивы кремниевых нанопроводников (SiNW) на 6-дюймовых моно- и поликристаллических подложках. SiNW длиной 470 нм и плотностью 3,02×10¹¹ см⁻² обеспечивают широкополосный антирефлекторный эффект с отражательностью <6% в диапазоне 300–1100 нм. Равномерность по веферу отличная: вариация отражения центр-край <22%. Несмотря на незначительное снижение эффективного времени жизни меньшинственных носителей из-за увеличения площади поверхности, Al-BSF солнечные элементы на поликристаллическом кремнии с текстурой SiNW достигают средней эффективности 17,83%, превосходя обычные кислотно-текстурированные аналоги. Низкая стоимость, комнатная температура и высокая производительность делают подход готовым к коммерческому внедрению в фотоэлектрике.

Введение

Кремниевые наноструктуры обеспечивают превосходный светозахват и антирефлексию по сравнению с планарным кремнием, позволяя повышать КПД солнечных элементов без дорогих антирефлекторных покрытий. MacEtch — экономичный метод при комнатной температуре для fabricación таких наноструктур, однако равномерное производство на большой площади было ограничено. Это исследование устраняет пробел, уточняя MacEtch для 6-дюймовых веферов и валидируя полученные массивы SiNW в промышленных Al-BSF солнечных элементах.

Экспериментальные методы

Механизм MacEtch

В растворе AgNO₃/HF ионы Ag⁺ окисляют Si в SiO₂, восстанавливаясь в металлическое Ag, оседающее на поверхности. HF удаляет оксид, оставляя Ag-защищенные области, которые анизотропно травятся, формируя SiNW. Процесс высококонтролируем через концентрацию окислителя и паттерн металла.

Фабрикация SiNW на 6-дюймовых веферах

Моно- (100) и поликристаллические p-типа веферы (180 мкм, 0,5–3 Ом·см) очищали, затем погружали в 23 мМ AgNO₃ / 6,4 М HF на 3 мин 19 с при комнатной температуре. Сравнивали два протокола: (1) традиционное одновременное погружение, (2) модифицированный держатель, обеспечивающий одновременную экспозицию всего вефера к травлителю, дающую равномерные SiNW.

Фабрикация Al-BSF солнечных элементов

После текстурирования SiNW веферы проходили POCl₃ диффузию (850 °C, 30 мин) для формирования N⁺ эмиттера (поверхностное сопротивление ~75 Ом/кв), затем HF травля для удаления PSG. Осаждали 70 нм SiNx:H антирефлекторный слой PECVD, затем экранную печать Ag-пасты (передняя) и Al-пасты (тыльная). Два набора устройств — с текстурой SiNW и кислотной текстурой (референс) — изготавливали и тестировали под AM 1.5G.

Результаты и обсуждение

Равномерные массивы SiNW на 6-дюймовых веферах

Метод 2 дал массивы SiNW с отличной равномерностью: SEM-перерезы показывают длину 470 нм и высокую плотность по всему веферу. Метод 1 демонстрировал выраженную неравномерность край-центр из-за дифференциальной концентрации Ag⁺ при погружении.

Поверхностная морфология

Иллюстрации (не показаны) демонстрируют переход от пирамидальной или исходной поверхности к плотным массивам SiNW. На поликристаллических веферах наблюдается ориентационно-зависимый рост SiNW (<100>, <110>, <111>), влияющий на оптический цвет и отражение.

Оптическое отражение

Измеренное отражение моно-SiNW веферов остается <6% в диапазоне 400–1000 нм, минимум 3% при 500 нм. Вариация по веферу <22%. Поликристаллические веферы показывают <10% отражения (минимум 4% при 400 нм). Равномерность сохраняется между образцами 1,5×1,5 см и 6-дюймовыми (разница <1%).

Время жизни меньшинственных носителей

Эффективное время жизни меньшинственных носителей снижается с 2,55 мкс до 2,11 мкс (моно-) и с 1,51 мкс до 1,37 мкс (поли-) после формирования SiNW, из-за увеличения скорости поверхностной рекомбинации (S_eff). Несмотря на это, характеристики устройств улучшаются за счет снижения отражения.

Характеристики устройств

Al-BSF элементы с текстурой SiNW дают среднюю эффективность 17,83% против 17,23% для кислотно-текстурированных — абсолютный прирост 0,6%. Ток короткого замыкания увеличивается на 1,2%, открытое напряжение — на 1,35%, коэффициент заполнения улучшается, вероятно, из-за усиленного светозахвата и большей площади контакта электродов.

Заключение

Улучшенный процесс MacEtch надежно производит равномерные, слабоотражающие массивы SiNW на 6-дюймовых моно- и поликристаллических веферах. Полученные Al-BSF элементы достигают >17,8% эффективности, подтверждая коммерческую жизнеспособность техники. Ее низкая стоимость, простота и масштабируемость позиционируют ее как сильного кандидата для фотоэлектрического производства следующего поколения.