Een onderzoek naar een kristallijn-silicium zonnecel met zwarte siliciumlaag aan de achterkant

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont een schematische weergave van een licht getextureerde c-Si-zonnecel na voor- en achterpassivering. Figuur 1b geeft een schematische weergave van een soortgelijk gestructureerde zonnecel, maar met b-Si aan de achterkant. De dikte van de zonnecel is ongeveer 200 μm.

Schema's van licht getextureerde c-Si-zonnecellen zonder (a ) en met (b ) b-Si achter

Afbeelding 2a toont een SEM-afbeelding in bovenaanzicht van het gestructureerde vooroppervlak. Figuur 2b geeft een zijaanzicht SEM-beeld van het b-Si-oppervlak. De gemiddelde hoogte van de nanostructuur van getextureerd Si is 10 ~ 20 nm, terwijl die van b-Si ~ -110 nm is. Figuur 2c toont een TEM-beeld met hoge resolutie (HR) van b-Si, waarbij het nanokristallijne Si waarneembaar is zoals gereflecteerd door de diffractieranden. Deze kristalliniteit van b-Si wordt ook aangegeven door het SAED-patroon (selected area electron diffraction) zoals weergegeven in figuur 2d.

SEM-afbeeldingen van Si (a .) met oppervlaktestructuur ) en oppervlakte-geëtst b-Si (b ), HRTEM (c ), en SAED (d ) van b-Si

Figuur 3a geeft de absorptiespectra voor een wafer Si ('Si' genoemd), b-Si die naar het invallende licht is gericht ('b-Si naar boven' genoemd), en b-Si met zijn rug naar het invallende licht ('b' genoemd). -Si naar beneden"). Voor "Si" wordt gezien dat wanneer de fotonenergie kleiner is dan de c-Si bandbreedte van de bandbreedte (1,1 eV), of equivalent, de golflengte groter is dan 1100 nm en er bijna geen absorptie optreedt zoals verwacht. Echter, voor "b-Si naar boven", naast de grote verbetering van de absorptie in het bereik van 300-1100 nm als gevolg van de sterke lichtvangst door de nanostructuren van b-Si [1,2,3,4,5, 6,7,8,9, 24,25,26,27,28,29,30,31], verschijnt de sub-band gap NIR-absorptie. Deze absorptie van de sub-band gap kan worden toegeschreven aan de vorming van onzuiverheidsniveaus binnen de band gap, wat absorptie van fotonen met lagere energie mogelijk maakt [25,26,27,28, 32]. De absorptie van de sub-band gap kan efficiënt zijn met behulp van light trapping [25,26,27,28, 32]. Voor "b-Si naar beneden" neemt de absorptie in het bereik van 300-1100 nm toe in vergelijking met die van "Si". Er werd opgemerkt dat hoewel er geen Ag op deze voorkant was afgezet, het nog steeds een beetje getextureerd zou zijn tijdens de vorming van b-Si aan de achterkant. Deze oppervlaktetextuur versterkte de lichtopsluiting. Het is te zien dat hoewel een deel van de sub-band gap NIR wordt gereflecteerd aan het vooroppervlak, het grootste deel van de NIR-absorptie nog steeds aanwezig is. Dit is wat je nodig hebt om in de toekomst een sub-band gap NIR-respons c-Si-zonnecel te ontwikkelen. Figuur 3b geeft een gemeten PL-spectrum van b-Si, en de inzetfiguur is een foto van de b-Si onder de verlichting van de 325-nm laser. Er wordt geen PL-emissie gevonden voor de Si-wafer. De PL-emissie van b-Si is een andere indicatie dat Si-nanokristallen bestaan, zoals weergegeven in figuur 2c [10, 33].

Absorptiespectra van een wafer Si, b-Si die naar het invallende licht is gericht, en b-Si met zijn rug naar het invallende licht (a ). PL van Si en b-Si onder belichting van een 325 nm opwindende laser (b ). De inzet toont de b-Si onder verlichting van de 325-nm laser

We onderzoeken nu hoe de b-Si aan de achterkant van de c-Si-zonnecel de prestaties zou beïnvloeden. Met b-Si-zonnecel wordt hierna de c-Si-zonnecel met een b-Si-laag aan de achterzijde bedoeld. Ter vergelijking hebben we vier c-Si-zonnecellen gemaakt, d.w.z. een wafer Si-zonnecel (genaamd "wafer"), wafer Si-zonnecel met Al₂ O₃ passivering aan de achterzijde (genaamd "wafer + Al₂ O₃ "), b-Si-zonnecel (genaamd "b-Si") en b-Si-zonnecel met Al₂ O₃ passivering aan de achterzijde (genaamd "b-Si + Al₂ O₃ ”). Alle vier de zonnecellen zijn aan de voorkant getextureerd. De stroomdichtheid-spanning (J -V ) krommen van de vier zonnecellen worden getoond in Fig. 4a, en hun EQE-krommen worden getoond in Fig. 4b. De bijbehorende PV-parameters inclusief nullastspanning (V _OC ), kortsluitstroomdichtheid (J _SC ), vulfactor (FF) en foto-elektrische conversie-efficiëntie (η ) zijn weergegeven in Tabel 1. In vergelijking met de "wafer Si"-zonnecel, na passivering aan de achterkant door Al₂ O₃ , de cel van “wafer + Al₂ O₃ ” laat een veel betere prestatie zien. De J _SC , V _OC , FF en η worden verhoogd en een aanzienlijke verbetering van EQE wordt waargenomen in het gehele gemeten golflengtebereik. Dit resultaat is consistent met de eerdere rapporten, aangezien de oppervlakte-recombinatie goed onderdrukt is door Al₂ O₃ passivering [34,35,36]. Wanneer de b-Si-laag aan de achterkant aanwezig is, neemt de J . significant af _SC , V _OC , en η van de "b-Si" -cel zou worden verwacht vanwege de hoge oppervlakterecombinatie vanwege het grote specifieke oppervlak van b-Si, in vergelijking met de "wafer" -cel [15, 22]. Integendeel, de prestaties van "b-Si" blijken veel beter te zijn, met een efficiëntie die zelfs in de buurt komt van die van "wafer + Al₂ O₃ ”, en met een relatieve stijging van 27,7%. De EQE-curve laat ook een aanzienlijke breedbandverbetering zien. Grote oppervlakte-geïnduceerde hoge oppervlakte-recombinatie lijkt hier niet te gebeuren. We gaan dan verder met het controleren van de cel van "b-Si + Al₂ O₃ ” en vind dat na Al₂ O₃ passivering aan de achterzijde, J _SC , V _OC , FF en η verder toenemen en ook de EQE's. Dit geeft aan dat Al₂ O₃ passeert nog steeds efficiënt het achteroppervlak zoals in het geval van "wafer + Al₂ O₃ .” De rol van b-Si aan de achterzijde is onverwacht interessant en moet verder worden onderzocht.

Fotovoltaïsche J -V (een ) en EQE-curven (b ) voor de zonnecellen van “wafer”, “wafer + Al₂ O₃ ”, “b-Si” en “b-Si+Al₂ O₃ ”

Figuur 5 toont een energiebanddiagram van de PN-overgang met b-Si aan de achterkant. Dat het geleidingsbandminimum van b-Si 0,4 eV hoger is dan dat van p-type Si, blijkt uit de CPD-meting. Aangezien de b-Si direct op het p-type Si wordt gekweekt, moet de afstand tussen het Fermi-energieniveau en het maximum van de valentieband in principe hetzelfde worden gehouden, aangezien de dopingconcentratie hetzelfde is [37]. Daarom is de bandbreedte van de bandbreedte van b-Si groter dan die van wafer Si. Dit komt overeen met de vorming van nanokristallijn Si, hun PL-emissie zoals getoond in Fig. respectievelijk 2c en 3b en het kwantumopsluitingseffect [38]. Met zo'n gegradeerde bandafstand aan de achterkant, zouden vrije elektronen weggedreven worden van de b-Si en de achterste elektrode [39]; ondertussen wordt het afdrijven van gaten naar de achterste elektrode niet beïnvloed, zoals aangegeven in figuur 5. Op die manier kan de kans op elektron-gat-recombinatie bij b-Si grotendeels worden verminderd en kan het probleem van hoge oppervlakte-recombinatie efficiënt worden vermeden . De gevormde gegradeerde band gap verklaart waarom de "b-Si" -cel veel betere prestaties levert dan de "wafer" -cel, ook al is het specifieke oppervlak veel groter.

Energiebanddiagram van de PN-junctie met b-Si aan de achterkant

De positieve rol van b-Si aan de achterzijde in fotovoltaïsche energie kwam verder tot uiting in heterojunctie gestructureerde PV-apparaten zoals aangegeven in Fig. 6a, b. Zoals te zien is in figuur 6c, was de EQE voor dit PV-apparaat met b-Si aan de achterkant duidelijk verbeterd in vergelijking met die zonder b-Si aan de achterkant. De gegradeerde band gap op het grensvlak van P-Si en b-Si zou verantwoordelijk moeten zijn voor de verbetering van EQE [39, 40]. Dit resultaat is kwalitatief consistent met dat in figuur 4b. Hoewel de PV-configuraties voor Fig. 4b en Fig. 6c verschillend zijn, is de rol van de b-Si aan de achterkant in principe hetzelfde.

Schema's van een gestructureerd PV-apparaat met heterojunctie zonder (a ) en met (b ) b-Si aan de achterzijde en hun EQE-curven (c )