Kristallijn-Si zonnecellen met zwart-silicium achterlaag: verbeterde efficiëntie door gegraadde bandkloof-ingenieurskunst

Samenvatting

We onderzochten kristallijn-silicium (c-Si) zonnecellen die een zwart-silicium (b-Si) laag aan de achterkant incorporeren. Chemische etching produceerde de genanostructureerde b-Si, en zijn aanwezigheid aan de achterkant van het apparaat leidde tot een opmerkelijke 27,7% relatieve toename in vermogensomzettingsrendement vergeleken met een equivalent apparaat zonder de b-Si-laag. De verbetering wordt toegeschreven aan een gegraadde bandkloof die zich aan de achterkant vormt, wat vrije elektronen wegduwt van de hoge-oppervlakte b-Si en daarmee oppervlakte-recombinatie onderdrukt. Deze studie demonstreert dat een achterkant b-Si-laag benut kan worden om het spectrale respons van c-Si zonnecellen uit te strekken naar het sub-bandkloof nabij-infrarood gebied.

Achtergrond

Hoog-getekstureerd silicium dat geladen of gedopt is met metaal of niet-metaal ionen vertoont breedbandabsorptie, wat leidt tot het zogenaamde zwart-silicium (b-Si) effect. Dergelijk Si heeft aandacht getrokken voor breedband fotovoltaïsche toepassingen. Bestaand werk plaatst de b-Si-laag typisch aan de voorkant van de cel, wat sub-bandkloof nabij-infrarood (NIR) fotonen voorkomt om bruikbare ladingdragers te genereren omdat de gegenereerde elektronen-gaten-paren te ver van de PN-overgang zijn. We hypotheseerden dat het positioneren van de b-Si-laag aan de achterkant het ingebouwde veld aan de Si/oxide-interface, of een intergedigiteerde achtercontact-veld, zou toestaan om NIR-gegenereerde ladingsdragers te scheiden en sub-bandkloof-fotospanning mogelijk te maken. Echter, de grote specifieke oppervlakte van b-Si zou ernstige oppervlakte-recombinatie kunnen introduceren. Dit werk verkent de fotovoltaïsche respons van c-Si-cellen met een achterkant b-Si-laag en verduidelijkt de onderliggende fysica.

Methoden

Materialen

We gebruikten een p-type Si<100> wafer (CZ, dubbelzijdig gepolijst, 10 × 10 × 0,2 mm³, 1–10 Ω·cm). De wafer werd ultrasonisch gereinigd, gedoopt in 1% HF, en geëtst in een NaOH/alcohol/H₂O (0,5 g / 200 mL / 200 mL) oplossing bij 90 °C gedurende 15 min om een lichte antireflectie-textuur te creëren. Voor achterkant b-Si-vorming werd een 3 nm Ag-katalysatorlaag verdampt op één oppervlak. De wafer werd vervolgens gedompeld in een 1 : 5 : 10 HF(40%) : H₂O₂(30%) : H₂O oplossing gedurende 120 s bij kamertemperatuur, wat de genanostructureerde b-Si opleverde. Een fosfor-pasta werd gedeponeerd op het tegenovergestelde oppervlak, gevolgd door 900 °C/20 min annealing in stikstof om de PN-overgang te vormen. Oppervlakte-passivatie werd bereikt met 20-nm SiO₂ aan de voorkant en 10-nm Al₂O₃ aan de achterkant (de laatste door ALD). Een 80-nm ITO voor-elektrode en een 2-µm Al achter-elektrode werden gedeponeerd, en de cel werd tenslotte geanneald bij 425 °C/5 min in stikstof.

Metingen

Reflectantiespectra werden opgenomen met een Shimadzu UV-3101PC spectrophotometer. Oppervlaktemorfologie werd onderzocht door een Philips XL 30 SEM. Fotovoltaïsche parameters werden gemeten met een Oriel/Newport 94023A zonsimulator onder AM 1.5G 1 Zon. Externe kwantumefficiëntie (EQE) werd verkregen op een Oriel/Newport QE-systeem. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) werd uitgevoerd op een JEOL EM-3000. Fotoluminescentie (PL) gebruikte een Ocean Optics USB2000 met een 325-nm He-Cd laser. Contactpotentiaalverschil (CPD) metingen werden uitgevoerd met een KP Technology SKP5050 Kelvin-proef.

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont schematische dwarsdoorsnedes van een licht getekstureerde c-Si-cel met en zonder achterkant b-Si. De celdikte is ≈ 200 µm.

SEM-afbeeldingen (Afbeelding 2) onthullen dat de voorkant nanostrukturen van 10–20 nm heeft, terwijl de achterkant b-Si een gemiddelde hoogte van ≈ 110 nm vertoont. HRTEM bevestigt nanokristallijn Si in de b-Si, ondersteund door het SAED-patroon.

Absorptiespectra (Afbeelding 3a) tonen aan dat b-Si gericht op het inkomende licht de absorptie aanzienlijk verbetert over 300–1100 nm en sub-bandkloof NIR-absorptie introduceert, toeschrijfbaar aan verontreinigingsniveaubilding binnen de bandkloof. Wanneer b-Si van het licht afkeert (b-Si naar beneden), blijft absorptie hoog in het 300–1100 nm bereik, wat aangeeft dat de achterkant b-Si nog steeds NIR-fotonen kan vangen.

Vier apparaatvarianten werden geproduceerd: (1) wafer Si; (2) wafer Si + Al₂O₃ achter-passivatie; (3) b-Si achterkant; (4) b-Si achterkant + Al₂O₃. Stroom-spannings- en EQE-data (Afbeelding 4) onthullen dat het wafer + Al₂O₃-apparaat de ongepassiveerde wafer overtreft, wat effectieve oppervlakte-recombinatie-onderdrukking bevestigt. Verrassend genoeg toont het b-Si-achterkant-apparaat een 27,7% relatieve efficiëntietoename ten opzichte van de platte wafer, ondanks de grote oppervlakte die normaal recombinatie zou verhogen. Het toevoegen van Al₂O₃ aan de b-Si-achterkant verhoogt de prestaties verder, wat benadrukt dat de achter-passivatie effectief blijft. De sleutel tot deze verbetering is een gegraadde bandkloof aan de achterkant: het geleidingsbandminimum van de b-Si ligt ≈ 0,4 eV boven dat van p-type Si (CPD-meting), wat een barrière creëert die elektronen wegduwt van de hoge-oppervlakte b-Si terwijl gaten de achter-elektrode kunnen bereiken, waardoor recombinatie onderdrukt wordt.

Additionele heterojunctie PV-apparaten (Afbeelding 6) bevestigen de gunstige rol van achterkant b-Si. De EQE van het b-Si-apparaat is aanzienlijk hoger dan die van het apparaat zonder b-Si, consistent met het gegraadde-bandkloof-mechanisme.

Conclusies

Het incorporeren van een zwart-silicium-laag aan de achterkant van een kristallijn-silicium zonnecel verbetert de apparaatprestaties dramatisch door het vormen van een gegraadde bandkloof die oppervlakte-recombinatie mitigeert. De resulterende efficiëntiegewinn van 27,7% demonstreert de haalbaarheid van achterkant b-Si voor het uitstreken van het spectrale respons van c-Si-cellen naar het sub-bandkloof NIR-gebied, wat de weg baant voor breedband fotovoltaïsche technologieën.