Verhoging PERC-cellefficiëntie door minimalisatie van interfacevalkuilen met hoogdichtheid-waterstofbehandeling

Samenvatting

In dit werk wordt een hoogdichtheid-waterstof (HDH) behandeling voorgesteld om interfacevalkuilen te reduceren en de efficiëntie van passivated emitter rear contact (PERC) apparaten te verbeteren. Waterstofgas wordt gecomprimeerd bij een druk van ongeveer 70 atm en een relatief lage temperatuur van ongeveer 200 °C om interfacevalkuilen te verminderen zonder enige andere deel van het oorspronkelijke fabricageproces van het apparaat te wijzigen. Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) bevestigde de verbetering van Si-H bindingen en secundaire-ionen massaspectrometrie (SIMS) bevestigde de SiN/Si interfacevalkuilen na de HDH-behandeling. Daarnaast worden elektrische metingen van geleidingsspanning gemeten en geëxtraheerd om de interfacevalkuildichtheid (Dit) te verifiëren. Kortsluitingstroomdichtheid (Jsc), serieweerstand (Rs) en vulfactor (F.F.) worden geanalyseerd met een gesimuleerde lichtbron van 1 kW m⁻² globaal AM1.5 spectrum om de toename in cellefficiëntie te bevestigen. Externe quantum efficiëntie (EQE) wordt ook gemeten om de verbetering in conversie-efficiëntie tussen verschillende golflengtes te bevestigen. Ten slotte wordt een model voorgesteld om de experimentele resultaten voor en na de behandeling te verklaren.

Inleiding

Zonnecellen zijn een van de veelvoorkomende hernieuwbare energiebronnen in de wereld en worden beschouwd als de meest capabele om traditionele petrochemische energie te vervangen. Er zijn verschillende typen zonnecellen gebaseerd op verschillende materialsystemen, zoals silicium [1,2,3], perovskiet [4, 5], of III-V verbindingen [6, 7]. Onder deze is de silicium-gebaseerde zonnecel het meest gebruikt vanwege de lage kosten, hoge stabiliteit en uitstekende efficiëntie tot 26% [8,9,10]. Het passivated emitter rear contact (PERC) apparaat wordt beschouwd als een van de potentiële apparaten om back surface field (BSF) zonnecellen te vervangen [11, 12]. In 1983 stelde prof. Martin Green voor het eerst een PERC-cel voor aan de Universiteit van New South Wales (UNSW), het concept was om de emitter en achterste passivatielaag te combineren om interfacedefecten te reduceren en de cellefficiëntie te verhogen. Hoewel de PERC-emitter en achterste passivatielaag interfacedefecten kunnen passiveren, beïnvloedt de filmkwaliteit van zowel de emitter als de anti-reflectielaag (ARC) de interface [13,14,15].

Volgens eerdere werk is, naast het verbeteren van dunne-filmkwaliteit om interfacevalkuilen te reduceren, post-annealingbehandeling een andere methode om defecten te verminderen [16,17,18]. Een post-behandeling bestaande uit vormende gas annealing in stikstof (95%) en waterstof (5%) bij 400 °C wordt gebruikt om interfacevalkuilen met waterstof te reduceren en de cellefficiëntie te verbeteren. Helaas vereist een dergelijke behandeling reactie bij ongeveer 400 °C, een temperatuur die te hoog is voor zonnecellen zoals heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) die bij temperaturen onder 200 °C worden geproduceerd.

In dit werk stellen we een geschikte hoogdichtheid-waterstof (HDH) behandeling voor om de interfacevalkuilen tussen de emitterpassivatielaag en de n-type Si-laag te reduceren zonder de noodzaak om enig additioneel element van de apparaatfabricatie te wijzigen. Vergelijkbaar met eerdere onderzoek, wordt HDH-behandeling gebruikt om defecten te passiveren met waterstofionen. De experimentele resultaten suggereren een verbetering van de Si-H binding na de HDH-behandeling, volgens de Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) meting en secundaire-ionen massaspectrometrie (SIMS). Daarnaast worden elektrische metingen inclusief geleiding, kortsluitingstroomdichtheid (Jsc), serieweerstand (Rs) en vulfactor (F.F.) geëxtraheerd om de reductie van dichtheid van toestanden (Dit) en de toename van cellefficiëntie te bevestigen. Ten slotte stellen we ook een model voor om de effecten van HDH-behandeling op de PERC-zonnecel verder te illustreren.

Experimentele methoden

PERC-zonnecel fabricage

Het PERC-fabricageproces is hieronder geïllustreerd. P-type Czochralski silicium wordt gebruikt als substraat met een dikte van ongeveer 150 μm. De KOH-oplossing wordt gebruikt om het Si-substraatoppervlak te etsen en de piramide-textuur morfologie van het oppervlak te vormen. Om de p-n overgang te vormen, wordt POCl₃ gebruikt om in het Si-substraatoppervlak te diffunderen en de n-type laag te vormen. Vervolgens wordt de emitter SiN passivatielaag gedeponeerd via chemische dampdepositie (CVD) als anti-reflectielaag (ARC). Na depositie van de ARC-laag wordt HF-oplossing gebruikt om de achterste n-type laag te verwijderen. Daarna wordt de Al₂O₃ laag gedeponeerd als achterste passivatielaag met een dikte van 25 nm door atomaire laag depositie (ALD). De 95-nm-dikke SiN-laag wordt vervolgens gedeponeerd door CVD. Na voltooiing van het achterste passivatieproces, wordt laserablatie toegepast om groeven te snijden ter voorbereiding van het schermprintproces van het zilver (Ag) bovenelektrode op de ARC-laag, terwijl aluminium (Al) wordt gebruikt voor deonderelektrode. Ten slotte wordt het apparaat verwarmd in een brandproces om een goed contact tussen metaal en halfgeleider te garanderen. De structuur van het PERC-apparaat is weergegeven in Fig. 1.

HDH-behandeling

De HDH-behandeling wordt vervolgens toegepast op het PERC-apparaat. Het proces van de HDH-behandeling is weergegeven in Fig. 2. Waterstofgas wordt gebruikt als behandelingsbron en in de reactiekamer gepompt die het PERC-apparaat bevat. Vervolgens wordt het gas gecomprimeerd tot 70 atm en de reactietemperatuur ingesteld op 200 °C gedurende 1 uur. Het gas wordt vervolgens uitgepompt om de HDH-behandeling te beëindigen.

Materiaalcharacterisatie

Bruker VERTEX 70v FTIR wordt gebruikt om Si-H bindingen voor en na behandeling te analyseren en ION-TOF, TOF-SIMS V wordt gebruikt om de waterstofverhouding aan de SiN/Si-interface te analyseren.

Elektrische characterisatie

I-V en G-V kenmerken worden gemeten met een Agilent B1500 halfgeleideranalyser en Cascade M150 probestation in een donkere kast voor zowel licht- als donkere omstandigheden. De efficiëntieparameters (Jsc, Rs en vulfactor) worden geëxtraheerd bij een gesimuleerde lichtbron van 1 kW m⁻² globaal AM1.5 spectrum bij 25 °C. QEX10 Zonnecel externe quantum efficiëntie (EQE) wordt gebruikt om de efficiëntie van 300 tot 1200 nm te analyseren.

Resultaten en discussie

De emitter SiN passivatielaag met en zonder HDH-behandeling wordt onderzocht met een FTIR-analyse. Zoals weergegeven in Fig. 3, vertonen zowel de SiN met als zonder HDH-behandeling 3350 cm⁻¹ van de N-H rekbinding en 2165 cm⁻¹ van de Si-H rekbinding [19,20,21]. De absorptiepiekintensiteitsverhoudingen van zowel N-H als Si-H bindingen zijn echter verbeterd na de behandeling, wat impliceert dat waterstof in de SiN-laag is geïnjecteerd.

Om te bevestigen dat de HDH-behandeling de SiN/Si interfacevalkuilen reduceert, wordt secundaire-ionen massaspectrometrie (SIMS) gebruikt om de waterstofdistributie te bevestigen [22, 23]. In Fig. 4, omdat de SiN-laag gedeponeerd is met CVD, is de waterstofintensiteit in deze SiN-laag hoger dan in de Si. Na de behandeling, hoewel de waterstofintensiteit in de bulk niet duidelijk toeneemt, is de intensiteit duidelijk verbeterd aan de SiN en Si interface, en dit resultaat geeft aan dat de HDH-behandeling reageert aan de SiN/Si interface.

Om het verschil in Dit tussen de emitter SiN-laag en p-Si-substraat na HDH-behandeling in Fig. 5 verder te bevestigen, wordt de Al/SiN/p-Si/Al metaal-isolator-halfgeleider (MIS) structuur geproduceerd. Aangezien de SiN en p-Si interface een grote hoeveelheid defecten heeft, kan het G-V resultaat worden toegepast om de interfacevalkuildichtheid (Dit) te extraheren [24]. De geleidingsvergelijking is gegeven als:

Gp/ω = D_itωτ_it / (1+ω²τ_it²) (1)

waarbij ω de hoekfrequentie is, τ de dragerlevensduur, en Gp de frequentie-afhankelijke geleiding. Om Vergelijking 1 te vereenvoudigen, is de Dit gerelateerd aan geleiding, en de geleidingspiek is gereduceerd na de behandeling, wat suggereert dat de HDH-behandeling de PERC-interfacevalkuilen kan reduceren.

Vervolgens worden elektrische metingen uitgevoerd op het PERC-celapparaat in zowel licht- als donkere omstandigheden. De apparaatbias wordt toegepast op de Al-onderelektrode, terwijl de bovenelektrode geaard is. Het voltage sweep-bereik is van -1 tot 0,75 V. Figuur 6 toont de I-V-karakteristiek onder donkere omstandigheden. De lekkagestroom is significant gereduceerd na HDH-behandeling, met een verhouding van de afname van ongeveer 0,5 orde. Daarnaast wordt aan de rechterkant van de I-V-karakteristiek de bult van de aan-stroom gereduceerd na de behandeling. We extraheren ook de I-V-kromme en converteren deze als de ideale factor volgens de diodestroomvergelijking:

I = I_s[exp(qV/nkT) - 1] (2)

waarbij I_s de verzadigingsstroom is, q de elektronische lading, V de aangelegde spanning, n de ideale factor, k de Boltzmann-constante, en T de absolute temperatuur. Vergelijking 2 kan verder worden vereenvoudigd; wanneer de n-waarde dicht bij 1 ligt, is de aan-stroom dicht bij de diffusiestroom. Wanneer de n-waarde dicht bij 2 ligt, betekent dit dat de aan-stroom dicht bij de recombinatiestroom is [25]. Na de behandeling is de helling van de aan-stroom gereduceerd van 1,5 tot 1,42, wat betekent dat de aan-stroom na behandeling dichter bij de diffusiestroom ligt door de afname van het aantal defecten.

Om de elektrische kenmerken verder te onderzoeken, worden de efficiëntieparameters (Jsc, Rs en vulfactor) geëxtraheerd bij een gesimuleerde lichtbron van 1 kW m⁻² globaal AM1.5 spectrum bij 25 °C. Na de HDH-behandeling is de gemiddelde efficiëntie verbeterd van 17,3% tot 18,2%, zoals weergegeven in Fig. 7a. De Jsc neemt ook toe van 37,6 tot 38,2 mA, zoals weergegeven in Fig. 7b. Daarnaast is de Rs gereduceerd van 0,712 tot 0,487 na behandeling, zoals in Fig. 7c. Wat de vulfactor betreft, neemt deze toe van 70,5 tot 73,3, zoals weergegeven in Fig. 7d.

Om de conversie-efficiëntie bij verschillende golflengtebereiken te bevestigen, wordt de externe quantum efficiëntie (EQE) gebruikt om de golflengte van 300 tot 1200 nm te analyseren [26, 27]. Zoals weergegeven in Fig. 8, heeft de quantum efficiëntie voor HDH-behandeling een gemiddelde EQE van 94% tussen 400 en 600 nm. Na de HDH-behandeling verkrijgen we echter een nog hogere EQE-resultaat. De resultaten tonen een toename tot 97% tussen 400 en 600 nm, wat geïnduceerd wordt door de onderdrukking van de emitter SiN/Si interfacevalkuilen.

Ten slotte stellen we een model voor om de effecten van HDH op het PERC-apparaat te verklaren. De PERC-emitter van Ag/SiN/n-type Si structuur en de relatie tot SiN/Si interfacevalkuilstructuur worden gedemonstreerd in Fig. 9. Wanneer het elektronen-gaten paar wordt gegenereerd in de p-n overgang, geïnduceerd door licht, beweegt het elektronen naar de Ag-bovenelektrode. Als er interfacevalkuilen zijn aan de SiN/Si interface, zullen ze elektronenrecombinatie met gaten ondersteunen. Om de interfacevalkuilen te reduceren, wordt HDH-behandeling toegepast op het PERC-apparaat, waarbij hoogdrukgas wordt gebruikt om waterstof in het apparaat te injecteren en te laten reageren met de interface. Na de behandeling bindt waterstof aan de losse binding aan de SiN/Si interface en worden interfacevalkuilen gereduceerd. Daardoor neemt recombinatie af, wat lekkagestroom reduceert en de Jsc en cellefficiëntie verbetert.

Conclusie

In deze studie is HDH-behandeling met succes voorgesteld om interfacevalkuilen te reduceren en de apparaatefficiëntie te verbeteren. Het FTIR-spectrum toont aan dat Si-H bindingen verbeterd zijn en de geleidings-spanning piek afneemt na de behandeling. Daarom leidt het gereduceerde aantal interfacevalkuilen tot een reductie in lekkagestroom, en de ideale factorwaarde is ook gedaald. Bovendien is de efficiëntie verbeterd na de behandeling, en Jsc, Rs en vulfactor zijn toegenomen. Ten slotte toont het EQE-resultaat een verbetering van de korte golflengte, wat bewijs is voor een reductie in emitter interfacevalkuilen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn beschikbaar bij de auteurs op redelijke verzoek.

Afkortingen

HDH:

Hoogdichtheid-waterstofbehandeling

PERC:

Passivated emitter rear contact cel

FTIR:

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

SIMS:

Secundaire-ionen massaspectrometrie

Dit:

Interfacevalkuildichtheid

Jsc:

Kortsluitingstroomdichtheid

Rs:

Serieweerstand

F.F.:

Vulfactor

EQE:

Externe quantum efficiëntie

BSF:

Back surface field

UNSW:

Universiteit van New South Wales

ARC:

Anti-reflectielaag

CVD:

Chemische dampdepositie

ALD:

Atomaire laag depositie

MIS:

Metaal-isolator-halfgeleider structuur