Toepassing van silicium nanostructuur-arrays voor 6-inch mono- en multikristallijne zonnecellen

Resultaten en discussie

De methode om uniforme SiNW-arrays te bereiken op 6-inch Si-substraten

Voor methode 1 wordt het kwantitatieve zilverion eerst uniform verdeeld in de grote container wanneer de kwantitatieve etsoplossing erin wordt gegoten en de wafel in de oplossing wordt geplaatst Fig. 2b. Wanneer de grote wafel echter in de etsoplossing wordt geplaatst, zal de etsoplossing reageren op een weerstandskracht. Deze kracht zorgt ervoor dat de etsoplossing zich niet onmiddellijk gelijkmatig over het oppervlak van de wafel verdeelt, maar langzaam diffundeert van de randen en hoeken van de wafel naar het midden, zoals weergegeven in figuur 2c. Op dit moment is de Ag ⁺ in de oplossing begint te reageren met de hoek- en randgebieden van de wafel, waardoor de Ag ⁺ van de oplossing concentratie te verlagen en vervolgens niet-uniform etsen van de wafel te veroorzaken. Later, ondanks de resterende concentratie van Ag ⁺ in de oplossing verdeelt het zich uniform over de siliciumwafel voor etsen, zoals getoond in figuur 2d, en de uniforme SiNW-arrays kunnen niet worden verkregen. Het resultaat wordt getoond in Fig. 5a voor de SiNW-arrays vervaardigd uit methode 1, waaruit blijkt dat het SiNW niet uniform is. Het midden en de hoeken van de wafel worden onderzocht door SEM, zoals weergegeven in Fig. 5b, c. De SEM-foto's hebben allemaal dezelfde vergroting. De wafer bevatte al een piramidestructuur met hoogtes variërend van 1  tot 10 μm, dus de SiNW-structuur gevormd door de MacEtch-methode op piramides wordt onderzocht. De SiNW-arrays rond het midden van de wafer worden getoond in figuur 5b. Er werden slechts enkele SiNW-arrays gevormd. Aan de andere kant worden de SiNW-arrays nabij de hoeken van de wafer getoond in figuur 5c. De diepte van de SiNW-structuur neemt toe. Daarom blijkt uit inspectie en analyse met het blote oog of SEM-beelden dat de SiNW-arrays gevormd door methode 1 een lage uniformiteit hebben.

SiNW-structuurvorm volgens methode 1. a Bovenaanzicht van een 6-inch wafer met SiNW-structuur. b SEM-dwarsdoorsnede van SiNW-structuur in het midden van de wafer. c SEM-dwarsdoorsnede van SiNW-structuur op de hoek van de wafer

Bij methode 1 begint de Ag+ eerst te reageren met de hoek en de rand van de wafer, wat resulteert in een verlaging van de Ag+-concentratie in de oplossing en vervolgens een niet-uniform etsen van de wafer veroorzaakt.

Voor methode 2 verbeteren we het effect door de MacEtch-stappen aan te passen met een houder om de SiNW-uniformiteit van het oppervlak te vergroten. Vervolgens wordt bij deze methode eerst de wafel met een houder in een grote houder geplaatst, zoals weergegeven in figuur 3b, en vervolgens wordt de etsoplossing snel en gelijkmatig op de wafel en houder gegoten. Op deze manier kan het grootschalige siliciumwafeloppervlak tegelijkertijd dezelfde concentratie Ag+ raken, waardoor de geëtste SiNW-structuur uniform wordt. Vervolgens wordt de wafel gedrenkt in HNO3 om de resterende zilverdendrieten te verwijderen en vervolgens ondergedompeld in verdund HF om oppervlakteoxide te verwijderen. De SiNW-structuren gevormd door methode 2 worden getoond in figuur 6a. Uit de figuur blijkt dat de SiNW-structuur een goede uniformiteit heeft. De SEM wordt ook gebruikt om de oppervlaktestructuur te inspecteren, zoals weergegeven in Fig. 6b; de lengte van SiNW is 470 nm ¹¹ en de dichtheid is 3,02 × 1011 cm ⁻² .

SiNW-structuurvorm volgens methode 2. a Bovenaanzicht van een 6-inch wafer met SiNW-structuur. b SEM-doorsnede van SiNW-structuur

Analyse van de geëtste SiNW-structuur en de uniformiteit van het oppervlak

Oppervlaktemorfologie van 6-inch Si-wafels

We passen MacEtch-stappen aan om 6-inch, grootschalige, uniforme SiNW-structuren te verkrijgen, om het effect van tijd- en concentratieverschil van Ag ⁺ te verminderen contact met het wafeloppervlak. Hier wordt de verbeterde MacEtch-methode toegepast op 6-inch, grootschalige, monokristallijne en multikristallijne wafels om SiNW-structuren te fabriceren, zoals weergegeven in Fig. 7. Nadat SiNW-arrays met succes zijn gevormd op 6-inch wafels, de oppervlaktemorfologie voor en na de vorming van SiNW-arrays wordt onderzocht. Figuur 7 a en c zijn 6-inch P-type monokristallijne en multikristallijne wafels voordat ze respectievelijk geëtste SiNW-arrays worden. Figuur 7 b en d zijn SiNW-arrays die zijn gevormd onder dezelfde fabricageconditie als beschreven in het experiment. Ze worden gevormd met behulp van de verbeterde MacEtch-methode en tegelijkertijd worden de SiNW-arrays geëtst. Daarom worden de uniforme SiNW-arraystructuren met succes gefabriceerd op 6-inch wafers door een verbeterde MacEtch-methode toe te passen. Bovendien toont deze methode aan dat deze kan worden toegepast op verschillende kristaloriëntatiesubstraten, zoals monokristallijne en multikristallijne wafels.

Voor en na geëtste SiNW-structuur op 6-inch monokristallijne en multikristallijne Si-wafels. een , b Voor en na het etsen van monokristallijne wafels. c , d Voor en na het etsen van multikristallijne wafels

SEM-afbeeldingen van SiNW-arrays

De SEM-beelden worden gebruikt om de SiNW-morfologie op waferoppervlakken te observeren. Figuur 8a is het bovenaanzicht van de piramide/SiNW-arraystructuur gevormd op een P-type monokristallijne wafer, en de vergrote piramide/SiNW-arraystructuur wordt getoond in Fig. 8b. Het is duidelijk te zien dat de dichtheid van SiNW aan de bovenkant van de piramide lager is dan aan de onderkant. Dit komt omdat de bovenkant van de piramide in contact komt met veel meer etsoplossing, en dan wordt er meer Ag-metaal op het oppervlak afgezet. Daarom heeft het geëtste SiNW een lagere dichtheid.

Bovenaanzicht van SEM-afbeeldingen. een , b Piramide/SiNW-arraystructuur op een monokristallijne wafer van het P-type. c , d SiNW-arraystructuur op P-type multikristallijne wafer

Daarentegen zijn Fig. 8 c en d SiNW-arrays op een P-type multikristallijne wafel. Fig. 8d is inderdaad het vergrote beeld van Fig. 8c. Voor multikristallijn substraat kunnen de verschillende oriëntaties van SiNW duidelijk worden waargenomen, en de afmeting van een SiNW en zijn cluster zijn van 1 tot 10 micron. Het SiNW is gekanteld onder een hoek met het substraat aan de linkerkant van Fig. 8d, maar SiNW is verticaal uitgelijnd met het substraat aan de rechterkant van Fig. 8d. De back-bond-breaking-theorie kan worden gebruikt om uit te leggen waarom de MacEtch-etsoriëntatie niet verticaal is uitgelijnd met het substraat [15, 20, 22, 25]. Een Si-atoom heeft twee rugbindingen op het oppervlak van een (100) substraat, maar het heeft drie rugbindingen op het oppervlak van (110) of (111) substraten. Bovendien, als er meer rugbindingen zijn, is het moeilijker om te etsen of te verwijderen. Het Si-atoom op een (100) substraat is dus gemakkelijker te verwijderen en de etsoplossing zal de neiging hebben om <100> richting te kiezen voor het etsen, wat resulteert in verschillende oriëntaties van SiNW-arrays.

Verschillende oriëntaties van SiNW-arrays vertonen verschillende oppervlaktekleuren onder observatie met het blote oog, zoals weergegeven in figuur 7d. Dit komt omdat een multikristallijn Si-substraat verschillende oriëntaties van kristallen bevat, zoals weergegeven in figuur 7c, wat resulteert in verschillende geëtste oriëntaties van SiNW en verschillende antireflecterende effecten. Bovendien, nadat SiNW-arrays zijn gevormd op een multi-kristalwafel, kunnen de grenzen van verschillende kristalrichtingen worden onderscheiden door verschillende SiNW-oriëntaties, zoals weergegeven door de stippellijn in figuur 8d.

Reflectiespectra

De optische eigenschap van gefabriceerde SiNW-arrays wordt hier onderzocht. De reflectie van verschillende vlekken van een 6-inch P-type monokristallijne piramide/SiNW-arraystructuurwafel wordt getoond in Fig. 9. De gemeten vlekken bevinden zich in het midden en 6 cm van het midden van de 6-inch wafel. De optische reflectie van alle gemeten spots is minder dan 6% voor het golflengtebereik van 400 tot 1000 nm, de laagste reflectie is 3% bij een golflengte van 500 nm en de SiNW op de piramide heeft een consistente diameter van 1 micron. Dit toont aan dat deze structuur uitstekende antireflectie-eigenschappen heeft. Verder is de reflectie-mapping voor verschillende plekken in Fig. 9 weergegeven in Fig. 10, waarin verschillende gemeten punten bijna dezelfde reflectie hebben:het gemiddelde voor het centrum is 4,358%, positie 1 is 4,266%, positie 2 is 4,328% , positie 3 is 4,263% en positie 4 is 4,265%. De delta is binnen 22%. Dit toont aan dat de verschillende spots van 6-inch P-type monokristallijne piramides/SiNW-arrays een coherente optische eigenschap hebben en bewijst tegelijkertijd ook dat ze een zeer hoge uniformiteit hebben door gebruik te maken van de verbeterde MacEtch-techniek om SiNW-arrays te vormen .

Totale reflectie van verschillende plekken van 6-inch P-type monokristallijne piramide / SiNW-arraystructuurwafel. De inzet markeert het gemeten gebied in het midden en 6 cm van het midden

Reflectiekartering van verschillende plekken van 6-inch P-type monokristallijne piramide/SiNW-arrays met structuurwafel

Evenzo wordt de reflectie van verschillende vlekken van een 6-inch P-type multikristallijne as-cut/SiNW-arraystructuurwafel gemeten, zoals getoond in Fig. 11, en komt overeen met de donkerzwarte en lichtzwarte vlekken in Fig. 7d. De reflectie van het donkerzwarte gebied is lager dan die van het lichtzwarte gebied. Bovendien kunnen de rechter- en linkerzijstructuren van figuur 8d overeenkomen met respectievelijk donkerzwarte en lichtzwarte vlekken. De reflectie van verticaal uitgelijnde SiNW-arrays is lager dan die van SiNW-arrays die enigszins naar het substraat zijn gekanteld. Dit komt omdat verticaal uitgelijnde SiNW-arrays licht meerdere keren effectief kunnen reflecteren tussen SiNW om reflectie te verminderen en absorptie te vergroten. Verticaal uitgelijnde SiNW-arrays kunnen dus een goede lichtvangende eigenschap behouden. Over het algemeen is de reflectie lager dan 10% van 400 tot 1000 nm in golflengte, en de laagste reflectie is 4% bij 400 nm. Bovendien is het reflectieverschil van verschillende oppervlaktekleuren lager dan 5%, zoals 1% bij 400 nm en 5% bij 1000 m voor donkerzwart met een SiNW-diameter van 1 tot 2 m; voor lichtzwart met een SiNW-cluster van 7 tot 10 m, en de gemiddelde reflectie is ongeveer 10%. Dit toont aan dat verschillende oriëntaties van SiNW-structuur en cluster het verschil in het lichtvangende effect beïnvloeden. Verder is het maximale reflectieverschil voor de P-type monokristallijne piramide/SiNW-arraystructuur in Fig. 9 en de P-type multikristallijne as-cut/SiNW-arraystructuur in Fig. 11 ongeveer 5%. Dit bevestigt dat de verbeterde MacEtch-techniek zeer geschikt is voor het vervaardigen van SiNW-arraystructuren op grootschalige wafers, ongeacht of ze monokristallijn of multikristallijn silicium zijn.

Totale reflectie van verschillende spots van 6-inch P-type multikristallijne as-cut/SiNW-arraystructuurwafer

Bovendien worden de verbeterde MacEtch-stappen die in dit document worden voorgesteld, gebruikt om SiNW-arrays op verschillende formaten wafers te maken. Onder dezelfde fabricageomstandigheden wordt de monokristallijne piramide/SiNW-arraystructuur van het P-type gevormd. De afmeting van wafels is 1,5 cm x 1,5 cm en 6 inch, en vervolgens wordt de reflectie gemeten en vergeleken, zoals weergegeven in Fig. 12, waarbij het reflectieverschil kleiner is dan 1%. Dit toont aan dat we met succes bijna dezelfde SiNW-arrays op grote en kleinschalige wafers kunnen fabriceren en tegelijkertijd vergelijkbare identieke optische eigenschappen kunnen behouden. Bovendien blijkt uit Fig. 9 dat de reflectie van verschillende plekken van de 6-inch wafers laat zien dat ze een hoge uniformiteit van SiNW-arrays kunnen behouden, zelfs wanneer de Si-wafergrootte wordt vergroot.

Totale reflectie van P-type monokristallijne piramide/SiNW-arraystructuur gevormd op 1,5 × 1,5 cm ² en 6-inch wafels

De invloed van de SiNW-structuur op de levensduur van minderheidsdragers

Vervolgens hebben we het effect geïnspecteerd dat wordt veroorzaakt door SiNW-arrays wanneer het oppervlak verandert van een piramide of als gesneden oppervlak naar arrays met nanostructuren. De μ-PCD-methode wordt toegepast om de niet-gepassiveerde effectieve levensduur van minderheidsdragers te meten van 6-inch P-type monokristallijne pyramide- en P-type multikristallijne as-cut wafers. De kaartgegevens van voor en na fabricage van SiNW-arrays worden getoond in Fig. 13, en de gemiddelde effectieve levensduur van minderheidsdragers is gemarkeerd in de figuren. De P-mono-levensduur neemt iets af van 2,55 naar 2,11 μs, en de P-multi-levensduur neemt ook iets af van 1,51 naar 1,37 μs. Met ofwel een mono- of multi-P-type, na gebruik van de verbeterde MacEtch-methode om de SiNW-structuur te vormen, neemt de effectieve levensduur van de drager af. Dit komt omdat het effectieve oppervlak wordt vergroot door het geëtste SiNW op een siliciumsubstraat. Vervolgens wordt de kans op oppervlakterecombinatie vergroot, wat resulteert in een afname van de levensduur van minderheidsdragers, zoals weergegeven in tabel 1.

μ-PCD-meting voor het in kaart brengen van de levensduur van minderheidsdragers op 6-inch wafers

Van de effectieve levensduur van de minderheidsdrager Vgl. 1, leidt tot

waar τ _eff is de effectieve levensduur van de drager, τ _bulk is de levensduur van de bulkcarrier, S _eff is de effectieve oppervlakte-recombinatiesnelheid (SRV), en W is de wafeldikte.

Omdat de τ _bulk is hetzelfde voor voor en na geëtste SiNW-arrays op N-type monokristal of P-type multikristal, Vgl. (1) kan worden vereenvoudigd tot Vgl. (2) en dan de invloed van τ _bulk kan verwijderd worden. Bovendien zijn de wafelsubstraten elk 180 m dik; vandaar uit vgl. (2), S _eff heeft een negatieve correlatie met τ _eff . Vervolgens is voor verschillende structuren de gemiddelde τ _eff en berekende S _eff worden weergegeven in tabel 1 met behulp van de vereenvoudigde Vgl. (2). Het kan worden opgemerkt dat de τ _eff heeft een negatieve correlatie met de vereenvoudigde S _eff . Concluderend kunnen de geëtste SiNW-arrays het oppervlak van het antireflecterende effect aanzienlijk vergroten om de lichtopbrengst te vergroten. SiNW-arrays verminderen echter τ _eff en verhoog S _eff van de wafer, waardoor de prestaties van de zonnecel afnemen. Het effect dat wordt veroorzaakt door SiNW-arrays moet dus worden overwogen voor toepassingen met zonnecellen.

Prestaties van SiNW multikristallijne Al-BSF-zonnecel

Wat de prestaties van zonnecellen betreft, worden die cellen gemeten onder AM 1.5G-verlichting met een vermogen van 100 mW cm ² afgeleid van een zonnesimulator en de celparameters zijn samengevat in tabel 2. SiNW met groot oppervlak en referentie-zonnecel met zuurtextuur met op Al-BSF gebaseerde structuur werden vervaardigd met een industrieel standaard celproces, en de gemiddelde testgroep van SiNW-cellen behaalde 17,83% celefficiëntie. In vergelijking met het referentieapparaat had de zonnecel met SiNW's ongeveer 0,6% winst in efficiëntie, wat een aanzienlijke winst is voor een industriële cel. De elektrische eigenschap van kortsluitstroomdichtheid (J _sc ), nullastspanning (V _oc ), en de vulfactor (FF) zijn ook verbeterd. Het prestatieverschil wordt toegeschreven aan een lagere reflectie die wordt geleverd door SiNW's en leidt tot een winst van 1,2% van J _sc en 1,35% winst V _oc , die het opvangen en absorberen van licht in een kort golflengtebereik van 300-400 nm verbetert. De FF-versterking kan worden toegeschreven aan het hogere contactoppervlak van SiNW's met Al-elektroden in vergelijking met oppervlakken met normale zuurtextuur. De efficiëntiewinst kan verder worden verbeterd met een betere passiveringsmethode voor SiNW-cellen.