Vervaardiging van 20,19% efficiënte enkelkristallijne siliciumzonnecel met omgekeerde piramidemicrostructuur

Resultaten en discussie

Zoals eerder gemeld, werden stroomloze metalen nanodeeltjes afgezet op Si in een waterige oplossing die HF bevat goed onderzocht [35]. De stroomloze afzetting van Ag-nanodeeltjes die in MACE werd gebruikt, was gebaseerd op de galvanische verplaatsingsreactie terwijl twee elektrochemische processen gelijktijdig plaatsvonden rond het sc-Si-oppervlak [36]. SEM-afbeeldingen in Fig. 1a-f tonen de Ag-nanodeeltjes die zijn afgezet op p-type (100)-georiënteerd sc-Si-oppervlak door onderdompeling in een HF-oplossing die AgNO₃ bevat . Zoals getoond in Fig. 1a-c, werden Ag-nanodeeltjes gefabriceerd in het sc-Si-oppervlak in de waterige HF-oplossing die 5 tot 15 ppm AgNO₃ bevatte. bij 25°C gedurende 2 min.

SEM-afbeeldingen van Ag-nanodeeltjes afgezet op sc-Si en insert van EDS. SEM-beelden van Ag-nanodeeltjes afgezet op sc-Si:a –c afzetting gedurende 2 minuten bij 25 ° C met Ag-ionenconcentratie van respectievelijk 5, 10 en 15 ppm; en d –f afzetting bij 25 ° C met 5 ppm concentratie Ag-ion gedurende respectievelijk 2, 4 en 6 minuten. EDS-resultaat in de inzet van a

Figuur 1a laat duidelijk zien dat wit sediment werd afgezet in het sc-Si-substraat, wat werd geverifieerd door een energiedispersieve spectrometer (EDS:inzet in figuur 1a) als Ag-nanodeeltjes. De gereduceerde Ag-nanodeeltjes vervingen silicium waar de oxiderende reactie plaatsvond en afgezet op het siliciumsubstraat. Ag-nanodeeltjes met een diameter van 15 nm werden gelijkmatig en dicht verdeeld met de aanwezigheid van 5 ppm AgNO₃ (Fig. 1a). Echter, met 10 ppm AgNO₃ of hogere concentratie, namen de diameters van Ag-nanodeeltjes ongelijk toe (Fig. 1b, c). De diameter van regionale Ag-nanodeeltjes in figuur 1b nam toe tot 80 nm, en die in figuur 1c was tot 100 nm. SEM-afbeeldingen in Fig. 1d-f tonen de Ag-nanodeeltjes die respectievelijk 2, 4 en 6 minuten zijn afgezet, waarbij AgNO₃ 5 ppm was en 25 °C. Het illustreert dat de vorm van Ag-sediment veel veranderde en onregelmatig werd (varieerde van één dimensie tot twee dimensies) met een langere depositietijd. Bovendien werden deze stokvormige Ag-nanodeeltjes (ongeveer 130 nm lang) onregelmatig op het sc-Si-oppervlak afgezet door tijdvertraging, wat de uniformiteit van de Ag-nanodeeltjesdistributie vernietigde. Samenvattend stellen we de Ag-ionenconcentratie voor op 5 ppm en een depositietijd van 2 minuten bij kamertemperatuur.

De sc-Si-wafels met uniforme Ag-nanodeeltjescoating werden ondergedompeld in een gemengde zuuroplossing die een commercieel additief bevatte om nanoporeuze siliciumstructuur te fabriceren. Dit commerciële additief dat een mengsel zou kunnen zijn van polyol dat hydroxyl en carboxyl bevat, moest minuscule belletjes van het substraatoppervlak scheiden omdat H₂ gegenereerd in de reactie kon niet automatisch wegkomen van het substraatoppervlak in het geval van een dergelijke lage Ag-concentratie (aanvullend bestand 1). SEM-afbeeldingen in Fig. 2a-f tonen de morfologieën van nanoporeus silicium en dwarsdoorsnede voor en na MACE. Zoals getoond in Fig. 2b, werden nanoporeuze siliciumstructuren gegenereerd in de sc-Si met MACE-verwerking gedurende 1 minuut. De diameter van nanoporeus silicium bereikte 20 nm en een diepte van ongeveer 1,3 m. Vervolgens namen zowel de diameter als de diepte van nanoporeus silicium toe met de verlenging van de MACE-tijd, zelfs de diameter varieerde duidelijker. Diameter van nanoporeus silicium met MACE-verwerking gedurende 2 minuten groeide tot 40 nm, vervolgens 50 nm voor verwerking 3 minuten, 80 nm voor verwerking 4 minuten en 110 nm voor verwerking 5 minuten. Doorsnede-inzetstukken in Fig. 2b-f laten zien dat de diepte van nanoporeus silicium varieerde van 1,3 tot 3 μm toen de MACE-tijd toenam van 1 tot 5 min. Er werden echter nogal wat nanogaten in de dwarsdoorsnede gegenereerd wanneer de MACE-tijd werd verlengd. Volgens het rapport van Chartier omvatte nanoporeus silicium gegenereerd in MACE rechte en gebogen cilindrische poriestructuren, en de rechte nanogaten domineren wanneer de molaire verhouding van de etsoplossing ρ = [HF]/([HF] + [H₂ O₂ ]) is ongeveer 45% [36]. Ondanks de ρ = 45% in ons werk, een grote hoeveelheid gebogen cilindrische poriën gegenereerd met na verloop van tijd etsen wanneer MACE gedurende 4 minuten of langer werd verwerkt (dwarsdoorsneden in beide inzetstukken van figuur 2e, f). Door middel van een reeks experimenten hebben we waargenomen dat het lichtvangende vermogen van nanoporeus silicium afnam met de MACE-verwerking in de loop van de tijd. De gemiddelde reflectiviteit van nanoporeus silicium tegen MACE-behandelingstijd bij verschillende temperaturen wordt geïllustreerd in Fig. 3. De gemiddelde reflectiviteit geminimaliseerd voor MACE-verwerking 3 minuten bij 35 ° C en vervolgens verhoogd met tijdvertraging. Ondertussen veranderde de gemiddelde reflectiviteit van nanoporeus silicium weinig wanneer de temperatuur 35 °C of hoger was. Het zou kunnen worden verklaard door het feit dat het genereren van gebogen cilindrische nanogaten de nanoporeuze siliciumstructuren hol en rommelig maakte in plaats van verticaal, waarna invallend licht door die gebogen nanogaten naar de lucht zou kunnen worden teruggekaatst. Anderzijds werd nanoporeus silicium zelf geoxideerd en langzaam opgelost in gemengde oplossingen van HF en H₂ O₂ waardoor het substraatoppervlak glad werd en de gemiddelde reflectiviteit toenam. Een vergelijkbare tendens van verandering van reflectievermogen wanneer de temperatuur boven 30 ° C was, toonde aan dat de geschikte MACE-temperatuur 35 ° C was. Concluderend werden nanoporeuze siliciumstructuren gefabriceerd in het MACE-proces met een ultralage concentratie van Ag-ionen, wat nooit eerder werd gerapporteerd. De optimalisatieconditie (temperatuur bij 35 ° C en tijd gedurende 3 min) in MACE om verticale nanoporeuze siliciumstructuur te fabriceren wordt voorgesteld.

SEM-beelden van nanoporeus silicium (dwarsdoorsnede in inzetstuk) met verschillende verwerkingstijd. SEM-afbeeldingen van nanoporeus silicium:a as-fabricated en b –f nanoporeus silicium en doorsnede in inzet voor 1, 2, 3, 4 en 5 min verwerking bij 35 °C

Gemiddelde reflectiviteit nanoporeus silicium afhankelijkheid van tijd bij specifieke temperaturen. Gemiddelde reflectiviteit van nanoporeuze siliciumstructuren afhankelijkheid van tijd voor behandeling bij respectievelijk 30, 35, 40, 45 en 50 °C

Nanoporeus silicium gegenereerd door MACE ligt ten grondslag aan de vorming van omgekeerde piramidestructuren. De wafels werden gemodificeerd in het alkalische anisotrope textureringsproces en additief A in waterige NaOH-oplossing speelde een vergelijkbare rol als oppervlakteactieve stoffen bij conventionele sc-Si-texturatie. Het verwijdert bellen van het substraatoppervlak en beïnvloedt de anisotrope factor van het etsmiddel. Ten slotte werd toegang verkregen tot omgekeerde piramidestructuren. Figuur 4a toont de nanoporeuze siliciumstructuur en figuur 4b-f toont omgekeerde piramidestructuren met NaOH-textuur gedurende respectievelijk 1, 3, 5, 7 en 9 minuten. Figuur 4b, c toont de nanoporeuze siliciumstructuren omgezet in vierkante gaten met omgekeerde piramidevormige bodem (inzet in figuur 4b, c) met alkalische anisotrope verwerking gedurende respectievelijk 1 en 3 min. Terwijl de textuurtijd werd verlengd, groeiden de omgekeerde piramidestructuren zoals weergegeven in Fig. 4c-f, en specifieke gebieden losten geleidelijk op. Toen de alkalische chemische textuur gedurende 5 minuten werd behandeld, werden de omgekeerde piramidestructuren met een breedte van 500 nm en een diepte van 350 nm gefabriceerd. Er waren echter nogal wat defectstructuren (inzet van figuur 4d). Zoals getoond in Fig. 4e, werden omgekeerde piramides met een breedte van 1 μm gefabriceerd en uniform verdeeld tijdens het textureren gedurende 7 minuten. De tweevlakshoek was 54,7 ° en er waren minder defectstructuren waargenomen in de dwarsdoorsnede (inzet in figuur 4e). Toen de behandelingstijd maximaal 9 minuten was, hadden de omgekeerde piramides een glad oppervlak en zelden defecte structuren (figuur 4f). Er werd echter gemakkelijk waargenomen dat sommige zijwanden van omgekeerde piramides waren opgelost en dat er nieuwe geulreeksen op microschaal werden gevormd met een grootte die varieerde van 2 tot 4 μm. Het oplossen van zijwanden zorgde ervoor dat de overlappende structuren werden gegenereerd (inzet in figuur 4f). Ondanks het feit dat omgekeerde piramidestructuren werden gedistribueerd met nauwelijks defecte gebieden, zouden grote putstructuren het lichtabsorptievermogen kunnen verminderen. Figuur 5 toont de reflectiespectra van omgekeerde piramidestructuren met alkalische anisotrope texturen gedurende respectievelijk 1, 3, 5, 7 en 9 minuten. De reflectiespectra toonden aan dat het vermogen om licht op te vangen afnam in vergelijking met origineel nanoporeus silicium als gevolg van grote hoeveelheden nanostructuuroplossing wanneer alkalische texturering gedurende 1 minuut werd verwerkt. De gemiddelde reflectiviteit in het golflengtebereik van 300 tot 1000 nm is 15,45%. Het is duidelijk dat met toenemende textureringstijd de lichtabsorptie geleidelijk werd verbeterd voor de vorming van omgekeerde piramidestructuren. De reflectiviteit werd geminimaliseerd tot 9,2% wanneer texturering gedurende 7 minuten werd verwerkt, en de uniformiteit van sc-Si-wafels met omgekeerde piramide bereikte het beste in vergelijking met andere. Toen nam het vermogen om licht op te vangen af ​​en de reflectiviteit steeg tot 10,5% met texturering gedurende 9 minuten, veroorzaakt door het oplossen van omgekeerde piramides en de vorming van grote overlappende putstructuren. Bovendien was deze sc-Si-texturatie meer reflecterend dan die in de plantaardige productie. Zo werden nanoporeuze siliciumstructuren getextureerd in een waterige NaOH-oplossing die een specifiek samengesteld additief bevatte, en uniform verdeelde omgekeerde piramidestructuren met een breedte van 1 μm werden gedurende 7 minuten bij 60 ° C benaderd. De gemiddelde reflectiviteit werd gecontroleerd op 9,2%.

SEM-beelden van omgekeerde piramide (dwarsdoorsneden in insert) verwerking voor verschillende tijd. SEM-afbeeldingen:a nanoporeus silicium en b –f oppervlaktedoorsnede en dwarsdoorsnede van de omgekeerde piramidestructuur bij 60 °C in waterige NaOH-oplossing gedurende respectievelijk 1, 3, 5, 7 en 9 min.

Reflectiespectra van omgekeerde piramidestructuren met texturen voor verschillende tijd. Reflectiespectra van sc-Si met omgekeerde piramidestructuren voor alkalische textureringstijd bij respectievelijk 1, 3, 5, 7 en 9 min.

Gezien zowel het vermogen om licht op te vangen als het eenvoudige ontwerp van de oppervlaktemicrostructuur voor passivering, kozen we voor de omgekeerde piramidestructuur met een breedte van 1 μm om zonnecellen te fabriceren. Boxweerstand en SiNx-filmeigenschap door PECVD van omgekeerde en rechtopstaande piramide sc-Si-wafels worden vergeleken in tabel 1. We hebben tien sets van de testmonsters en controlemonsters getest (elke set bevatte 10 stuks). De kloof van gemiddelde doosweerstand tussen omgekeerde en rechtopstaande piramide sc-Si-wafels was klein, zelfs de uniformiteit van de omgekeerde piramide sc-Si-verdeling leidde tot die van rechtopstaande een beetje waargenomen uit de STD-gegevens. Vergelijking van de SiNx-filmpassiveringseigenschap door PECVD suggereert dat de SiNx-film gepassiveerd op sc-Si met omgekeerde piramidestructuur 10 nm dunner is en een brekingsindex heeft die 0,14 hoger is in vergelijking met een rechtopstaande piramide. Dit betekent dat de passiveringskosten van een omgekeerde piramidestructuur lager kunnen zijn dan die van een rechtopstaande, vooral wanneer de SiNx-filmeigenschap die is gepassiveerd op een omgekeerde piramidestructuur vergelijkbaar is met die van een rechtopstaande. Het is gunstig voor de industrialisatietoepassing van deze textureringstechnologie. De gemiddelde reflectiviteit, interne kwantumefficiëntie (IQE) en externe kwantumefficiëntie (EQE) worden getoond in Fig. 6. De gemiddelde reflectiviteit van een omgekeerde piramidestructuur in de breedte met 1 μm was 1% lager dan die van rechtopstaande in plantaardige productie ( Afb. 6a). Het SiNx-filmafzettingsproces van sc-Si-zonnecel met omgekeerde piramidestructuur was hetzelfde als dat van rechtopstaande piramide sc-Si. Zoals weergegeven in figuur 6b, was IQE van sc-Si-zonnecel met omgekeerde piramide vergelijkbaar met die van rechtopstaande. Aan de andere kant werd EQE van sc-Si-zonnecel met omgekeerde piramidestructuur getoond in Fig. 6c verbeterd in golflengte 300-600 nm. Er werd aangenomen dat niet-geoptimaliseerde PECVD-techniek de verbetering van IQE van sc-Si-zonnecel met omgekeerde piramide belemmerde, en de voorsprong van EQE in korte golflengte van 300 tot 600 nm zou kunnen worden toegeschreven aan de superioriteit van reflectiviteit in korte golflengte zoals hierboven beschreven.

Vergelijking van a reflectiespectra, b IQE, en c EQE. een Reflectiespectra van omgekeerde en rechtopstaande piramidestructuren. b IQE en c EQE van omgekeerde en rechtopstaande piramide sc-Si zonnecellen

Driedimensionale (3D) eindige differentietijddomein (FDTD) analyse werd gebruikt om het fotovoltaïsche effect nabij het grensvlak van de omgekeerde piramidestructuur te simuleren en te analyseren. De simulatiedimensie van omgekeerde / rechtopstaande piramides is ontworpen met een breedte van 1 m. We gebruikten λ = 631.57 nm om de intensiteit van het elektrische veld te berekenen (|E| ² ) distributie van elektromagnetische golven, die dicht bij de piekstraling van zonnespectra lag. Zoals de simulatieresultaten getoond in Fig. 7a, b, verzamelde de energie van elektromagnetische golven bij 631,57 nm zich meestal in de omgekeerde piramide, die veel sterker was dan die van een rechtopstaande. Deze simulatiebevinding bevestigt het sterkere vermogen om fotonen te vangen van de omgekeerde piramidestructuur.

FDTD-simulatie van elektrische veldintensiteitsverdeling in omgekeerde/rechtopstaande piramidestructuur sc-Si. 3D FDTD-simulatie van elektrische veldintensiteitsverdeling in omgekeerde/rechtopstaande piramidestructuur sc-Si. Omgekeerde/rechtopstaande piramidegrootte is ontworpen op 1 μm

De belangrijkste elektrische prestatievergelijking van twee typen sc-Si-zonnecellen wordt weergegeven in tabel 2. De sc-Si-zonnecel met omgekeerde piramidestructuur vertoont een hoger rendement van 20,19% en een kortsluitstroomdichtheid (J _sc ) 0,22 mA cm ⁻² hoger dan die van rechtopstaande, wat de 3D FDTD-simulatiebevinding opnieuw bevestigt. De nullastspanning (V _oc ) van sc-Si-zonnecel met omgekeerde piramidestructuur bereikte 647 mV, wat 2 mV hoger was dan die van rechtopstaande piramide-zonnecel. In combinatie met IQE-resultaat, V _oc voordeel van omgekeerde piramide-zonnecel zou worden vergroot als de passiveringstechniek zou worden geoptimaliseerd. De vulfactor (FF) was 0,05% hoger dan de rechtopstaande. Verdere maatregelen voor verbetering van de efficiëntie van foto-elektrische conversie moeten gericht zijn op effectieve beperking van Auger-recombinatie, sterker lichtvangend vermogen en betere passiveringstechniek.