Hoogefficiënte, op piramide gebaseerde, gepassiveerde emitter en achterste cellen met hoog rendement van silicium

Resultaten en discussie

Figuur 2a-e toont de SEM-afbeeldingen van bovenaf van de verschillende processtappen voor de siliciumoppervlaktextuur. Figuur 2a toont het 50-80 nm poreuze Si op het oppervlak van Si-wafeltje geëtst met de MACE-methode in de gemengde oplossingen van AgNO₃ /HF/H₂ O₂ . Vervolgens wordt het poreuze Si gemodificeerd door het isotrope etsen in de gemengde waterige oplossingen die HF/HNO₃ bevatten. en verandert in nanogatstructuren met een diameter van 800 nm, zoals weergegeven in figuur 2b. Ten slotte worden de micron omgekeerde piramides (IP's) met verschillende groottes (Fig. 2c-e) verkregen door natriumhydroxide in waterige oplossing bij 60 ° C gedurende respectievelijk 30, 60 en 90 s. Uit Fig. 2c-e kunnen we zien dat na alkalibehandeling de IP-structuurgroottes voor drie etstijden van 30, 60 en 90 s respectievelijk ~ 1, 1, 1,3 en 1,8 m zijn, wat een toenemende grootte van IP betekent met de toename van de alkalibehandelingstijd. We merken ook dat de IP's de neiging hebben om in te klappen en over te gaan naar de rechtopstaande piramides met de toename van de etstijd. Zoals bekend hebben de omgekeerde piramides het voordeel dat ze licht opvangen ten opzichte van rechtopstaande piramides, omdat licht een of twee extra stuiteringen zal ondergaan in omgekeerde piramides dan dat in rechtopstaande piramides. Daarom zijn de structuren met een kortere etstijd geschikt voor de lichtvangende texturen van PV-apparaten vanwege het voordeel in de antireflectie met korte golflengte. Afbeelding 2f zijn de vergeleken foto's voor verschillende oppervlaktestructuren die overeenkomen met Fig. 2a-e.

Morfologie van de geprepareerde Si-omgekeerde piramidestructuren (Si IPs-strus). een SEM-beeld van poreus silicium verkregen door MACE. b SEM-beeld van nanogaten door de volgende modificaties in de HF/HNO₃ gemengde oplossingen. c –e SEM-beelden van omgekeerde piramides (dwarsdoorsnede in inzet) door etsen in waterige NaOH-oplossing bij 60 ° C gedurende respectievelijk 30, 60 en 90 s. v Foto's vergeleken voor verschillende oppervlaktestructuren die overeenkomen met a –e

Nu gaan we naar de optische eigenschappen van Si IP-strus. Uit de reflectie over het hele golflengtebereik van 300-1100 nm (Fig. 3a), zien we dat het poreuze Si een lage reflectie heeft vanwege de uitstekende lichtvangende prestaties van nanostructuren [22,23,24]. Voor nanogatstructuren heeft de reflectie in het hele golflengtebereik een duidelijke toename, die wordt toegeschreven aan de afname van de dichtheid en toename van de kenmerkgrootte van nanogaten. Na NaOH-behandeling gedurende 30 s, profiterend van 3-4 bounces tussen de (111) vlakken van het IP, vertonen de IPs-structuren een lagere reflectie over het golflengtebereik van 300-1100 nm, vooral in het korte-golflengtebereik van 300-500 nm . Naarmate de alkalische etstijd toeneemt, worden de IP's groter en hebben ze de neiging om de rechtopstaande piramides te zijn, wat resulteert in een toenemende reflectie. Wanneer alle monsters waren bedekt met dezelfde stapel SiO₂ /SiN_x coating, daalt de reflectie sterk met meer dan 10%, wat wordt toegeschreven aan de gecombineerde reflectie van de optische interferentie van de stapel SiO₂ /SiN_x dunne films en de oppervlaktestructuren. In dit geval zijn de reflectiespectra van monsters van verschillende processen voornamelijk verschillend in het golflengtebereik van 300-600 nm, wat wordt veroorzaakt door het verschil in kenmerkgrootte van IP's. In het bijzonder Si IP-strus gedekt door de stapel SiO₂ /SiN_x lagen vertonen een beter antireflectievermogen op korte golflengte dan de andere, wat wijst op de uitstekende externe kwantumefficiëntie (EQE's) in het kortegolfbereik.

Optische eigenschappen van de geprepareerde Si IP-strus. een De gemeten reflectie van verschillende oppervlaktemorfologie en b de zonne-gemiddelde reflectie R _ave over het golflengtebereik van 300–1100 nm

Verder berekenen we de gemiddelde zonnereflectiviteit R _ave (zie Fig. 3b) over het golflengtebereik van 300-1100 nm en vergelijk de reflectiviteit van Si IP-strus met andere structuren die overeenkomen met verschillende tussenprocessen die worden getoond in Fig. 2a-c. R _ave kan worden berekend door de uitdrukking van

waar R (λ ) en S (λ ) geven respectievelijk de gemeten reflectie en AM1.5 spectrale verdeling van het zonnefoton aan. Zoals getoond in Fig. 3b, is de R _ave s van poreus Si, nanogaten, IP's en IP's met SiO₂ /SiN_x coating zijn 8,22, 17,96, 15,18 (groep 1-30 s)/17,35% (groep 2-60 s)/20,3% (groep 3-90s), en 3,91% (groep 1-30 s)/4,48% (groep 2—60 s)/5,60% (groep 3—90 s), respectievelijk. De R _ave s laten zien dat de IP-strus een beter antireflectievermogen hebben dan nanogaten en een afnemende trend vertonen met de toename van de functiegrootte. Wanneer IP-Strus wordt gecoat door de stapel SiO₂ /SiN_x lagen, de laagste R _ave is 3,91%, wat een ideale lichtvangende structuur voor het PV-apparaat onthult.

De stapel SiO₂ (~ 2 nm)/SiN_x (~ 75 nm) passivering voor de Si IP-gebaseerde n ⁺ emitter is een effectieve manier voor het bereiken van goede elektrische prestaties van op IP gebaseerde PERC en hun passiveringseffect [1] en mechanisme zijn systematisch bestudeerd in ons vorige werk [14]. Om de elektrische superioriteit van de stapel Al₂ . te tonen O₃ /SiN_x passiveringslagen aan de achterkant van ons apparaat, onderzoeken we de invloed van de verschillende uitgloei- en lichtdoordringingscondities op de effectieve levensduur van minderheidsdragers (τ _eff ) met betrekking tot het injectieniveau (Δn ), zoals getoond in Fig. 4a. Merk op dat de gepolijste Si-wafels een levensduur van de bulk-minderheidsdrager hebben van ~ 350 μs, en dat de stapel Al₂ O₃ /SiN_x lagen worden symmetrisch afgezet aan beide zijden van gepolijste Si-wafels. De dikte van de binnenste Al₂ O₃ en de buitenste SiN_x laag wordt geschat op respectievelijk ~ 3 en ~ 125 nm. Er worden twee gloeicondities uitgevoerd in de luchtatmosfeer:300 °C en 800 °C gedurende 15 min. Vervolgens worden de wafels bij 25°C belicht onder de full-wave ranged halogeenlamp met een vermogensintensiteit van 50 mW cm ⁻² voor 100 s. Zoals te zien is in Fig. 4a, zijn de 48 μs τ _eff (300 °C) en 126 μs τ _eff (800 °C) na gloeien zijn veel hoger dan de 22 μs τ _eff van de als gedeponeerde Al₂ O₃ /SiN_x gepassiveerde monsters op het injectieniveau van 1,2 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

een τ _eff met betrekking tot het injectieniveau Δn bij verschillende gloeitemperaturen voor Al₂ O₃ /SiN_x gepassiveerde wafels. De stippellijn geeft één zonne-injectieniveau aan. b De FTIR-spectra van de monsters. c C–V curven voor de Au/Al₂ O₃ -SiN_x /Si-structuur. d Fotoluminescentie- en elektroluminescentiefoto's van apparaten

Belangrijk is dat de effectieve minderheidslevensduur van gegloeide monsters na 100 s verlichting respectievelijk 230 s en 150 s is, veel hoger dan 126 s en 48 s vóór verlichting, wat een zeer duidelijke lichtversterkte c-Si-oppervlakpassivering van Al₂ O₃ /SiN_x lagen. Het ladingvangeffect tijdens het doordrenken van licht [25,26,27,28] zou een van de belangrijkste mechanismen kunnen zijn voor de door licht versterkte c-Si-oppervlaktepassivering van Al₂ O₃ /SiN_x films. Als Al₂ O₃ films hebben naar verluidt een negatieve vaste ladingsdichtheid [29,30,31,32], sommige van de overtollige elektronen die door licht worden gegenereerd, zouden waarschijnlijk worden geïnjecteerd of getunneld naar valtoestanden in het binnenste Al₂ O₃ film, wat resulteert in een verhoogde mate van veldeffectpassivering. Interessant is dat het door licht versterkte passiveringseffect bij gloeien van 300 °C beter is dan dat bij 800 °C, wat betekent dat doorweken met licht bij gloeien bij een lagere temperatuur een effectievere manier is voor de toepassing van PV-apparaten.

Om het effect van het uitgloeiproces op de oppervlaktemodificatie te bestuderen, vergelijken we de Fourier-transformatie infrarood spectroscopische (FTIR) absorptiespectra van de gegloeide monsters met die van het als-depositiemonster. Figuur 4b laat zien dat de Si-N-, Si-O-, Si-H- en N-H-bindingen overeenkomen met de rekabsorptiepieken bij de golfgetallen van ~ 840, 1070, 2200 en 3340 cm ⁻¹ , respectievelijk. We zien dat de dichtheden van zowel de Si-N- als Si-O-bindingen een duidelijke toename vertonen na uitgloeien; ondertussen neemt de dichtheid van de Si-H-bindingen iets toe. De toename van de Si-O- en Si-H-bindingsdichtheid impliceert de afname van de bungelende bindingen aan het grensvlak van Si/SiO₂ , wat resulteert in een beter passiveringseffect [33]. Ook bevordert het uitgloeiproces de dichtheid van Si-N-bindingen, wat wijst op een meer dichte structuur die effectief kan voorkomen dat de uitdiffusie van H in het milieu terechtkomt in plaats van in Si-bulk. Voor een te hoge gloeitemperatuur kunnen de H in Si-H- en N-H-groepen echter ontsnappen uit de bulk Si en de diëlektrische lagen naar de omgeving, wat de afname van het passiveringseffect veroorzaakt. Het resultaat van FTIR komt overeen met dat van de effectieve levensduur van minderheden.

Om het verschil in het passiveringsmechanisme tussen thermische gloeibehandeling en in licht doordrenkte behandeling beter te begrijpen, analyseren we de dichtheid van vaste ladingen (N _f ) en de dichtheid van interface-traps (N _het ) op het grensvlak van Si en Al₂ O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) stapellagen met behulp van capaciteit-spanning (C-V ) metingen van een rigoureus metaal-oxide-halfgeleider (MOS)-model.

N _f kan worden verkregen uit de volgende vergelijking:

waarbij de volgende uitdrukking V_FB . kan berekenen

Merk op dat S is het gebied van de metalen elektrode, e is elektronische lading, C _OX is de capaciteit van de diëlektrische filmlaag, V _MS is het verschil van de werkfunctie tussen de metalen elektrode en p-type Si, en V _FB is een platte bandspanning.

Met behulp van de Lehovec-methode [34] kunnen we N . verkrijgen _het van de C-V kromme:

waar (δC /δV )_FB is de helling bijna-vlakke band en wordt genomen als de absolute waarde. C _FB , e , en k zijn respectievelijk de capaciteit van de MOS-structuur in een platte band, de elektronische lading en de Boltzmann-constante.

Uit Fig. 4c blijkt dat de gemeten C-V kromme van de Al₂ O₃ /SiN_x stapellagen tonen een duidelijk accumulatiegebied, uitputtingsgebied en inversiegebied. Volgens de C-V krommen en Vgl. (2–4), verkrijgen we de interface-eigenschappen van de voorbereide MOS-structuren, zoals weergegeven in Tabel 1.

De vaste negatieve ladingsdichtheden vertonen een significante toename met een orde van grootte na thermische uitgloeiing, terwijl de grensvlaktoestandendichtheid aanzienlijk afneemt, wat aangeeft dat uitgloeien de chemische passivering en veldeffectpassivering van diëlektrische films verbeterde. Door een verdere behandeling met licht doordrenkt blijven de dichtheden van grensvlaktoestanden op hetzelfde niveau, terwijl de dichtheden van vaste negatieve ladingen verder toenemen. Zoals hierboven vermeld, zouden sommige van de overtollige elektronen die door licht worden gegenereerd, waarschijnlijk worden geïnjecteerd of getunneld naar valtoestanden in het binnenste Al₂ O₃ film, wat betekent dat doorweekt licht de veldeffectpassivering van de diëlektrische film kan verbeteren. Hoewel de waarde van N _het hoog is, heeft het monster bij 300 °C gloeien en 100 s licht onderdompelen de hoogste τ _eff van 230 μs vanwege de hoogste N _f van − 2,87 × 10 ¹² cm ⁻² , wat betekent dat veldeffectpassivering in dit geval een voordeel heeft ten opzichte van chemische passivering.

Figuur 4d toont de fotoluminescentie- en elektroluminescentiefoto's van 1, 1,3 en 1,8 m IP-zonnecellen met hetzelfde passiveringsproces. De helderheid van de drie groepen foto's voor zowel fotoluminescentie als elektroluminescentie blijft in principe hetzelfde niveau, wat betekent dat de drie groepen zonnecelapparaten even goed presteren bij het passiveren van defecten. Dat wil zeggen, het passiveringsproces bepaalt de elektrische prestaties van de zonnecel in plaats van de kenmerkende grootte van IP's, wat wordt bevestigd door de volgende uitgangsparameters van de gefabriceerde zonnecellen.

Gebaseerd op de uitstekende optische en elektrische prestaties van de gelijktijdige SiO₂ /SiN_x stapellagen gepassiveerd front Si IP-gebaseerd n ⁺ zender en Al₂ O₃ /SiN_x stapellagen gepassiveerde achterreflector, we hebben de op Si IP's gebaseerde PERC gefabriceerd.

Figuur 5a toont de interne kwantumefficiëntie (IQE's) en reflecties op het vooroppervlak van de gefabriceerde Si IP-gebaseerde PERC's. We kunnen zien dat 30-s alkali-etsend IP-gebaseerd apparaat (groep 1-30 s) de laagste reflectie vertoont in de korte golflengte van 300-600 nm vanwege de kleinere kenmerkgrootte van IP's. Belangrijk is dat groep 1-30 s de hoogste IQE's in dit golflengtebereik heeft en dus de hoogste externe kwantumefficiëntie (EQE's) oplevert, zoals weergegeven in figuur 5b. Ook vertonen de gefabriceerde apparaten bijna dezelfde EQE's in het lange-golflengtebereik vanwege hetzelfde reflectieniveau en IQE's in dit bereik. Daarom hebben groep 1-30's met een kleinere functiegrootte betere uitvoerprestaties dan de andere twee groepen, wat verder wordt bevestigd door de I-V en P-V curven van apparaten (zie Fig. 5c). Afbeelding 5d toont de η van ons kampioensapparaat bereikte 21,41%, evenals de V _oc van 0,677 V, I _sc van 9,63 A, en FF van 80,30%. Voor zover wij weten, is het de hoogste η tussen op MACE-IP gebaseerde zonnecellen. De inzet van Fig. 5d is een foto van de voor- en achterkant van het kampioensapparaat.

Krachtige Si IP-gebaseerde PERC. een De IQE en reflectie van de op Si IP gebaseerde PREC met verschillende alkalische etstijden. b De EQE van de Si IP-gebaseerde PERC met verschillende alkalische etstijd. c De I–V en P-V curve van de Si IP-gebaseerde PERC met verschillende alkalische etstijd. d I–V en P-V curve van het kampioensapparaat

Verder toont tabel 2 de gedetailleerde parameters van de gefabriceerde apparaten. Het is duidelijk dat de gemiddelde ik _sc (9,63 A) van het apparaat van de groep 30 is hoger dan dat van de andere twee groepen, wat ligt in zijn beste antireflectievermogen van het vooroppervlak zoals hierboven vermeld. Het verschil van I _sc s bepaalt voornamelijk de uitvoerprestaties van de apparaten. Trouwens, de hogere FF en de lagere serieweerstand R _s garandeert de hogere η van groep 30. Het is de moeite waard om op te merken dat alle gemiddelde V _oc s van de Si IP-gebaseerde PERC's liggen in het bereik van 674-676  mV, wat aantoont dat dezelfde uitstekende passivering voor het voor- en achteroppervlak van alle groepen. Tot slot, profiterend van de winst van optische en elektrische prestaties, hebben we met succes de hoogste η . bereikt van 21,4% van Si IP-gebaseerde PERC-zonnecel.