Ultra-hoge efficiëntie siliciumcellen met omgekeerde-piramide-passivatie: Een fotovoltaïsche doorbraak

Samenvatting

Oppervlakte texturering is een van de belangrijkste technieken voor het verbeteren van de prestaties van fotovoltaïsche (PV) apparaten. Als een aantrekkelijke voortextuur heeft de omgekeerde piramide (IP) veel onderzoeksbelang getrokken vanwege zijn superieure antireflectie-effect en structurele kenmerken. In dit artikel bereiden we hoog-uniforme silicium (Si) IP-structuren op een commercieel monokristallijn silicium wafer met een standaardformaat van 156 × 156 mm² met behulp van metal-ondersteunde chemische etching (MACE) en alkali-anisotrope etching techniek. Door de voorste IP-texturen te combineren met de achterste oppervlaktepassivatie van Al₂O₃/SiNₓ, fabriceren we een nieuwe Si IP-gebaseerde passivatie-emitter-en-achterkant-cel (PERC). Profiterend van de optische superioriteit van de geoptimaliseerde IPs en de verbetering van de elektrische prestaties van het apparaat, bereiken we een hoge efficiëntie van 21,4% van de Si IP-gebaseerde PERC, wat vergelijkbaar is met de gemiddelde efficiëntie van commerciële PERC-zonnecellen. De optimalisatie van de morfologie van IP-texturen is de sleutel tot de verbetering van de kortsluitstroom I_sc van 9,51 A naar 9,63 A; tegelijkertijd garandeert de gelijktijdige stapel SiO₂/SiNₓ-passivatie voor de Si IP-gebaseerde n⁺-emitter en stapel Al₂O₃/SiNₓ-passivatie voor de achterste oppervlakte een hoge open-circuitspanning V_oc van 0,677 V. De realisatie van dit hoogpresterende PV-apparaat demonstreert een competitieve textureringstechniek en een veelbelovend perspectief voor de massaproductie van de Si IP-gebaseerde PERC.

Inleiding

Het verbeteren van de efficiëntie is het eeuwige thema van de zonnecelindustrie, wat zich voornamelijk richt op twee aspecten: de optische prestaties en elektrische prestaties. De voorste textureringstechniek is van belang voor het verbeteren van de optische prestaties van het apparaat. De omgekeerde piramide (IP) als een aantrekkelijke lichtopvangstructuur heeft veel aandacht getrokken vanwege zijn superieure antireflectie-effect en structurele kenmerken. Om specifiek te zijn, ondergaat de binnenkomende korte-golflengte licht in silicium (Si) IP driemaal of meer botsingen voordat het gereflecteerd wordt, met één of meer botsingen dan in traditionele rechtopstaande piramides. Tegelijkertijd zal deze omgekeerde piramide-gestructureerde Si ernstige recombinatieverliezen vermijden die geconfronteerd worden door genanostructureerde zwart Si vanwege zijn grote en open structurele kenmerk.

Door het gebruik van lithografie omgekeerde piramide texturen op het voorste oppervlak en SiO₂-passivatie van het achterste oppervlak, heeft de groep van Green met succes een 25,0% efficiënte passivatie-emitter-en-achterkant-lokaal-gediffundeerde zonnecel (PERL) met een oppervlakte van 4 cm² gefabriceerd. Echter, de lithografietechniek is niet geschikt voor massaproductie vanwege de kosten, lage productiecapaciteit, en incompatibiliteit. Recentelijk richten veel onderzoeksinteresses zich op de metal-ondersteunde chemische etching (MACE) grootoppervlakte omgekeerde piramides aangezien de MACE-techniek eenvoudig, laag-kost, grootoppervlakte, en compatibel is met de huidige productielijn. Bijvoorbeeld, Jiang et al. hebben gerapporteerd omgekeerde-piramide nanostructuur bereid door het MACE-proces gevolgd door een post nanostructuur herbouwoplossing behandeling en de conversie-efficiëntie van IP-gebaseerde multi-kristallijn silicium (mc-Si) zonnecellen in groot formaat van 156 × 156 mm² wafers bereikte 18,62%. Door gebruik te maken van Cu-nanodeeltjes om chemische etching van Si te katalyseren, hebben Yang et al. 18,87% efficiënte IP-gestructureerde Si zonnecellen met een groot oppervlak bereikt. Zhang et al. hebben sc-Si zonnecel met IP-microstructuur gefabriceerd door gemoduleerde alkalische texturering gecombineerd met een geoptimaliseerde MACE-methode en hebben een 20,19% efficiënte 1-µm-grote IP-getextureerd apparaat met groot oppervlak bereikt. Tot nu toe zijn de prestaties van Si IP zonnecel met groot oppervlak nog niet bevredigend door de grootoppervlakte uniformiteit van IP-morfologie, de controle van de IP-kennissize, en de passivatie van het apparaat. Als resultaat worden de voorste geoptimaliseerde Si IP-texturen samen met de achterste passivatie verwacht om de celprestaties verder te verbeteren.

In dit artikel hebben we met succes 21,4% efficiënte Si IP-gebaseerde passivatie-emitter-en-achterkant-cellen (PERC) met een standaard zonnecelwafer formaat van 156 × 156 mm² gefabriceerd door de voorste geoptimaliseerde MACE IP-texturen te combineren met de gelijktijdige stapel SiO₂/SiNₓ-passivatie voor de Si IP-gebaseerde n⁺-emitter en stapel Al₂O₃/SiNₓ-passivatie voor het achterste oppervlak. De sleutel tot hoge prestaties ligt in de optische superioriteit van de IP-texturen en de verminderde elektrische verliezen door de gelijktijdige passivatie van Si IP-gebaseerde n⁺-emitter en achterste oppervlak. Deze nieuwe Si IP-gebaseerde PERC-apparaatstructuur en -techniek tonen een groot potentieel in de massaproductie van hoog-efficiënte silicium-gebaseerde zonnecellen.

Methoden

De apparaatstructuur van de Si IP-gebaseerde PERC is als volgt ontworpen: (i) De Si IP-gebaseerde PERC n⁺-emitter wordt gepassiveerd door stapel SiO₂/SiNₓ (PECVD) lagen zoals getoond in Fig. 1a. De Si IP-structuren hebben een goed kort-golflengte antireflectie-effect door meer kansen op drie of meer botsingen; tegelijkertijd biedt de stapel SiO₂/SiNₓ-laag een verdere verminderde reflectantie en een uitstekend passivatie-effect voor de Si IPs n⁺-emitter. (ii) De achterste reflector is samengesteld uit stapel Al₂O₃ (ALD)/SiNₓ (PECVD) lagen en schermgeprint Al zoals getoond in Fig. 1a. Stapel dielectrische lagen zijn ontworpen om de optische eigenschappen van lange golflengte te optimaliseren door de interne achterste reflectantie te verhogen terwijl een goed elektrisch passivatie-effect behouden blijft, wat toegeschreven wordt aan de veld-effect passivatie van de vaste negatieve ladingen in de Al₂O₃-laag en de chemische passivatie van waterstofatomen in de SiNₓ-film. Kortom, zowel optische als elektrische eigenschappen in dit ontwerp worden gelijktijdig overwogen om een hoge prestatie van de Si IP-gebaseerde PERC te waarborgen.

Commerciële 180-µm-dikke 156 mm × 156 mm (100)-georiënteerde kristallijn silicium (c-Si), bor-gedopte (1–3 Ω·cm) p-type wafers werden gebruikt als substraten. Na het standaard reinigingsproces werden omgekeerde piramide texturen bereid op het oppervlak van Si-wafers als volgt: (1) De gereinigde Si-wafers werden gedoopt in de gemengde oplossingen van AgNO₃ (0,0001 M)/HF (4 M)/H₂O₂ (1 M) voor 300 s, resulterend in poreus Si. (2) Si-wafers met poreus Si werden geëtst in een NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:6 (volume) oplossing voor 200 s om de residuele Ag-nanodeeltjes te verwijderen. (3) De wafers met poreus Si werden gemodificeerd in een HNO₃:H₂O:HF = 4:2:1 (volume) oplossing om nanogaten te bereiden. (4) Omgekeerde-piramide texturen werden gefabriceerd op het oppervlak van Si-wafer door anisotrope etching van 60 °C-NaOH oplossingen voor 30, 60, en 90 s, respectievelijk.

POCl₃ diffuseert 40 minuten bij 800 °C in de kwartsbuisfurnace en vervolgens vormt de n⁺-emitter op de voorste kant van de wafer (M5111-4WL/UM, CETC 48e Onderzoeksinstituut). De vlakke weerstand van de Si IP-gebaseerde n⁺-emitter is 105-110 Ω·sq⁻¹. De selectieve emitter werd gefabriceerd op het voorste oppervlak van de wafer door laser doping (DR-SE-DY70, DR Laser). Na het polijsten van het achterste oppervlak, werden SiO₂-passivatiefilms bereid door thermische oxidatie op de voorste kant van silicium wafers. De Al₂O₃-passivatielagen werden gedeponeerd op het achterste oppervlak van de wafer door ALD (PEALD-156, HUGUANG Wetenschappelijke Instrumenten van Peking) voor ≈ 30 minuten bij 150 °C. De PECVD-SiNₓ-lagen werden gevormd door de reactie van NH₄/SiH₄ (SC-TD-450C). Vervolgens werden de achterste stapel passivatielagen van de Si IP-gebaseerde wafer lokaal geablateerd door een 532-nm golflengte en 10-ps pulsduur laser (DR-AL-Y60, DR Laser), om de 50-µm breedte en 1-mm pitch lokale lijnopeningen te vormen. Ten slotte onderging de Si IP-gebaseerde PERC het commerciële schermprinten (PV1200, DEK) en co-firing proces (CF-Series, Despatch), om goede Ohmische contacten en lokale BSFs te vormen.

De morfologieën en structuren van de monsters werden gekarakteriseerd met een JEOL JSM-6390LA scanning elektronenmicroscoop. De levensduur van de minderheidsladingsdragers werd gemeten met behulp van een Sinton WCT-120. De absorptiespectra werden bepaald door FTIR (Tensor 27, BRUKER). De C-V-kromme wordt gemeten door een impedantie-analyzer (E4900A, KEYSIGHT). De fotoluminescentie en elektroluminescentie foto's werden genomen door PL/EL imaging analyse systeem (LIS-R2, BTimaging). De reflectantiespectra, evenals de IQE's en EQE's, werden gemeten op het platform van kwantumefficiëntiemeting (QEX10, PV Metingen). De elektrische parameters van de zonnecellen werden onderzocht door stroom-spanning (I–V) meting onder de verlichting van AM1.5 (Crown Tech IVTest Station 2000). De celefficiëntie werd gemeten door gebruik te maken van een BERGER Lichttechnik Single Cell Tester.

Resultaten en Discussie

Figuur 2a–e toont de bovenaanzicht SEM-afbeeldingen van de verschillende processtappen voor de siliciumoppervlakte texturering. Figuur 2a toont de 50–80 nm poreus Si op het oppervlak van Si-wafer geëtst door MACE-methode in de gemengde oplossingen van AgNO₃/HF/H₂O₂. Vervolgens wordt het poreus Si gemodificeerd door isotrope etching in de gemengde waterige oplossingen met HF/HNO₃ en verandert in nanogaatstructuren met een diameter van 800 nm zoals getoond in Fig. 2b. Ten slotte worden de micron omgekeerde piramides (IPs) met verschillende groottes (Fig. 2c–e) verkregen door natriumhydroxide in waterige oplossing bij 60 °C voor 30, 60, en 90 s, respectievelijk. Uit Fig. 2c–e kunnen we zien dat na alkalibehandeling, de IPs-structuurgroottes voor drie etching tijden van 30, 60, en 90 s zijn ~ 1, 1,3, en 1,8 µm, respectievelijk, wat betekent een toenemende grootte van IP met de toename van alkalibehandelingstijd. Ook merken we op dat de IPs neigen om in te storten en over te gaan in de rechtopstaande piramides met de toename van de etching-tijd. Zoals bekend, hebben de omgekeerde piramides het voordeel van lichtopvanging boven rechtopstaande omdat licht één of twee extra botsingen in omgekeerde piramides ondergaat dan in rechtopstaande piramides. Daarom zijn de structuren met kortere etching-tijd geschikt voor de lichtopvangtexturen van PV-apparaten vanwege het voordeel in de kort-golflengte antireflectie. Figuur 2f is de vergeleken foto's voor verschillende oppervlaktestructuren corresponderend met Fig. 2a–e.

Nu keren we toe naar de optische eigenschappen van Si IP-strus. Van de reflectantie over het hele golflengtebereik van 300–1100 nm (Fig. 3a), observeren we dat het poreus Si een lage reflectie heeft vanwege de uitstekende lichtopvangprestaties van nanostructuren. Voor nanogaatstructuren heeft de reflectantie in het hele golflengtebereik een duidelijke toename, wat toegeschreven wordt aan de afname van dichtheid en toename van kenmerkengrootte van nanogaten. Na NaOH-behandeling voor 30 s, profiterend van 3–4 botsingen tussen de (111) vlakken van de IP, tonen de IPs-structuren lagere reflectie over het 300–1100 nm golflengtebereik, met name in het kort-golflengte bereik van 300–500 nm. Met de alkalische etching-tijd toenemend, worden de IPs groter en neigen ze tot de rechtopstaande piramides, resulterend in een toenemende reflectantie. Toen alle monsters bedekt waren met dezelfde stapel SiO₂/SiNₓ-coating, daalde de reflectantie scherp met meer dan 10%, wat toegeschreven wordt aan de gecombineerde reflectantie van de optische interferentie van de stapel SiO₂/SiNₓ-dunne films en de oppervlaktestructuren. In dit geval zijn de reflectantiespectra van monsters uit verschillende processen voornamelijk verschillend in het golflengtebereik van 300–600 nm, wat veroorzaakt wordt door het verschil in kenmerkengrootte van IPs. In het bijzonder tonen Si IP-strus bedekt door de stapel SiO₂/SiNₓ-lagen betere kort-golflengte antireflectie-vaardigheid dan de anderen, wat de uitstekende externe kwantumefficiënties (EQE's) in het kort-golflengte bereik aangeeft.

Verder berekenen we de gemiddelde zonnelijke reflectiviteit R_ave (zie Fig. 3b) over het golflengtebereik van 300–1100 nm en vergelijken we de reflectiviteit van Si IP-strus met andere structuren corresponderend met verschillende intermediaire processen getoond in Fig. 2a–c. R_ave kan berekend worden door de expressie van:

R_ave = ∫[300 nm to 1100 nm] R(λ) × S(λ) dλ / ∫[300 nm to 1100 nm] S(λ) dλ

waarbij R(λ) en S(λ) de gemeten reflectantie en AM1,5 zonnelijke foton spectrale verdeling aanduiden, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 3b, zijn de R_aves van poreus Si, nanogaten, IPs, en IPs met SiO₂/SiNₓ-coating 8,22, 17,96, 15,18 (groep 1—30 s)/17,35% (groep 2—60 s)/20,3% (groep 3—90 s), en 3,91% (groep 1—30 s)/4,48% (groep 2—60 s)/5,60% (groep 3—90 s), respectievelijk. De R_aves tonen aan dat de IP-strus een betere antireflectie-vermogen hebben dan nanogaten en een dalende trend vertonen met de toename van kenmerkengrootte. Wanneer IP-Strus gecoat zijn door de stapel SiO₂/SiNₓ-lagen, is de laagste R_ave 3,91%, wat een ideale lichtopvangstructuur voor het PV-apparaat onthult.

De stapel SiO₂ (~ 2 nm)/SiNₓ (~ 75 nm) passivatie voor de Si IP-gebaseerde n⁺-emitter is een effectieve manier om goed elektrisch prestaties van IP-gebaseerde PERC te bereiken en hun passivatie-effect en mechanisme zijn systematisch bestudeerd in ons vorige werk. Om de elektrische superioriteit van de stapel Al₂O₃/SiNₓ-passivatielagen aan de achterkant van ons apparaat te tonen, onderzoeken we de invloed van de verschillende annering en licht-inzetting condities op de effectieve minderheidsladingsdrager levensduur (τ_eff) ten opzichte van het injectieniveau (Δn), zoals getoond in Fig. 4a. Let op dat de gepolijste Si-wafers de bulk minderheidsladingsdrager levensduur van ~ 350 µs hebben, en de stapel Al₂O₃/SiNₓ-lagen symmetrisch gedeponeerd zijn aan beide kanten van gepolijste Si-wafers. De dikte van de binnenste Al₂O₃ en de buitenste SiNₓ-laag wordt geschat als ~ 3 en ~ 125 nm, respectievelijk. Twee anneringscondities worden uitgevoerd in de luchtatmosfeer: 300 °C en 800 °C voor 15 min. Vervolgens worden de wafers verlicht bij 25 °C onder de volgolflengte 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 annering veel hoger dan de 22 µs τ_eff van de as-gedeponeerde Al₂O₃/SiNₓ-gepassiveerde monsters bij het injectieniveau van 1,2 × 10¹⁵ cm⁻³.

Belangrijk is dat de effectieve minderheidslevensduur van geannelde monsters na 100 s verlichting 230 µs en 150 µs zijn, respectievelijk, veel hoger dan 126 µs en 48 µs vóór verlichting, wat een heel duidelijke licht-versterkte c-Si-oppervlaktepassivatie van Al₂O₃/SiNₓ-lagen demonstreert. Het ladingsvangst-effect tijdens lichtinzetten kan een van de hoofdmechanismen zijn voor de licht-versterkte c-Si-oppervlaktepassivatie van Al₂O₃/SiNₓ-films. Omdat Al₂O₃-films gerapporteerd worden om een negatieve vaste ladingdensiteit te hebben, waren een aantal van de overmaat elektronen gegenereerd door licht waarschijnlijk geïnjecteerd of getunneld in valtoestanden in de binnenste Al₂O₃-film, wat resulteerde in een verhoogd niveau van veld-effect passivatie. Interessant is dat het licht-versterkte passivatie-effect bij 300 °C annering beter is dan bij 800 °C, wat betekent dat lichtinzetten bij een lagere anneringstemperatuur een effectievere manier is voor de toepassing van PV-apparaat.

Om het effect van het anneringsproces op de oppervlaktemodificatie te bestuderen, vergelijken we de Fourier-transformatie infrarood spectroscopische (FTIR) absorptiespectra van de geannelde monsters met die van de as-depositie monster. Figuur 4b toont aan dat de Si–N, Si–O, Si–H, en N–H-bindingen corresponderen met de strekkingabsorptiepieken bij de golffrequenties 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 tonen na annering; tegelijkertijd neemt de dichtheid van de Si–H-bindingen licht toe. De toenames van de Si–O- en Si–H-bindingdichtheid impliceren de afname van de dangling-bindingen aan het Si/SiO₂-interface, wat resulteert in een betere passivatie-effect. Ook bevordert het anneringsproces de dichtheid van Si–N-bindingen, wat een dichtere structuur aangeeft die effectief de uittdiffusie van H kan voorkomen om in het milieu in plaats van in de Si-bulk te gaan. Echter, voor excessief hoge anneringstemperatuur, kan het H in Si–H- en N–H-groepen ontsnappen van de bulk Si en de dielectrische lagen naar het milieu, wat de afname van het passivatie-effect veroorzaakt. Het resultaat van FTIR is consistent met dat van de effectieve minderheidslevensduur.

Om het verschil in passivatiemechanisme tussen thermische annering en licht-inzettingsbehandeling verder te begrijpen, analyseren we de dichtheid van vaste ladingen (N_f) en de dichtheid van interface-vallen (N_it) aan het interface van Si en Al₂O₃ (ALD)/SiNₓ (PECVD) stapel-lagen door gebruik te maken van capaciteit-spanning (C-V) metingen van een rigoureux metaal-oxide-halfgeleider (MOS) model.

N_f kan verkregen worden uit de volgende vergelijking:

N_f = Q_f / (S × e) = C_OX × (V_MS - V_FB) / (S × e)

waarbij de volgende expressie V_FB kan berekenen:

V_FB = V_MS - Q_f / C_OX

Let op dat S het oppervlak van de metaalelektrode is, e de elektronische lading, C_OX de capaciteit van de dielectrische filmlaag, V_MS het verschil in werkfunctie tussen de metaalelektrode en p-type Si, en V_FB de plat-bandspanning is.

Met behulp van de Lehovec-methode kunnen we N_it verkrijgen uit de C-V-kromme:

N_it = ((C_OX - C_FB) × C_FB) / (3 × (δC/δV)_FB × e × k × T × S) - C_OX² / ((C_OX - C_FB) × S × e²)

waarbij (δC/δV)_FB de helling nabij het plat-band is en als absolute waarde wordt genomen. C_FB, e, en k zijn de capaciteit van de MOS-structuur in een plat-band, elektronische lading, en Boltzmann-constante, respectievelijk.

Uit Fig. 4c kan gezien worden dat de gemeten C-V-kromme van de Al₂O₃/SiNₓ-stapel-lagen duidelijke accumulatie-regio, depletie-regio, en inversie-regio toont. Volgens de C-V-krommen en Eq. (2–4), verkrijgen we de interface-eigenschappen van de bereide MOS-structuren, zoals getoond in Tabel 1.

De vaste negatieve ladingdensiteiten tonen een significante toename met een orde van grootte na thermische annering, terwijl de interfacietoestandsdensiteiten significant afnemen, wat aangeeft dat annering de chemische passivatie en veld-effect passivatie van dielectrische films versterkt. Door verdere licht-inzettingsbehandeling, blijven de densiteiten van interfacietoestanden op hetzelfde niveau, terwijl de densiteiten van vaste negatieve ladingen verder toenemen. Zoals hierboven vermeld, waren een aantal van de overmaat elektronen gegenereerd door licht waarschijnlijk geïnjecteerd of getunneld in valtoestanden in de binnenste Al₂O₃-film, wat betekent dat lichtinzetten de veld-effect passivatie van de dielectrische film kan versterken. Hoewel de waarde van N_it hoog is, heeft het monster door 300 °C annering en 100 s lichtinzetten de hoogste τ_eff van 230 µs door de hoogste N_f van −2,87 × 10¹² cm⁻², wat betekent dat veld-effect passivatie een voordeel heeft over chemische passivatie in dit geval.

Figuur 4d toont de fotoluminescentie en elektroluminescentie foto's van 1, 1,3, en 1,8 µm IP zonnecellen met hetzelfde passivatieproces. De helderheid van de drie groepen foto's voor zowel fotoluminescentie als elektroluminescentie blijft in essentie op hetzelfde niveau, wat betekent dat de drie groepen zonnecelapparaten even goed presteren in de passivatie van defecten. Dat wil zeggen, het passivatieproces bepaalt de elektrische prestaties van de zonnecel in plaats van de kenmerkengrootte van IPs, wat zal worden bevestigd door de volgende uitgangsparameters van de gefabriceerde zonnecellen.

Gebaseerd op de uitstekende optische en elektrische prestaties van de gelijktijdige SiO₂/SiNₓ-stapel-lagen gepassiveerde voorste Si IP-gebaseerde n⁺-emitter en Al₂O₃/SiNₓ-stapel-lagen gepassiveerde achterste reflector, hebben we de Si IPs-gebaseerde PERC gefabriceerd.

Figuur 5a toont de interne kwantumefficiënties (IQE's) en voorste oppervlakte reflecties van de gefabriceerde Si IP-gebaseerde PERCs. We kunnen observeren dat 30-s alkalietching IP-gebaseerde apparaat (groep 1—30 s) de laagste reflectantie toont in de korte golflengte van 300–600 nm vanwege de kleinere kenmerkengrootte van IPs. Belangrijk is dat groep 1—30 s de hoogste IQE's in dit golflengtebereik heeft, en dus de hoogste externe kwantumefficiënties (EQE's) oplevert zoals getoond in Fig. 5b. Ook tonen de gefabriceerde apparaten bijna dezelfde EQE's in het lange-golflengte bereik vanwege hetzelfde niveau van reflectantie en IQE's in dit bereik. Daarom bezit groep 1—30 s met kleinere kenmerkengrootte betere uitgangsprestaties dan de andere twee groepen, wat verder bevestigd wordt door de I-V en P-V-krommen van apparaten (zie Fig. 5c). Figuur 5d toont de η van ons kampioenen apparaat bereikte 21,41%, evenals de V_oc van 0,677 V, I_sc van 9,63 A, en FF van 80,30%. Ons inzicht naar, is dit de hoogste η onder MACE-IP-gebaseerde zonnecellen. Het inset van Fig. 5d is een foto van de voor- en achterkant van het kampioenen apparaat.

Verder toont Tabel 2 de gedetailleerde parameters van de gefabriceerde apparaten. Duidelijk is het gemiddelde I_sc (9,63 A) van de groep 30 s apparaat hoger dan die van de andere twee groepen, wat ligt in zijn beste anti-reflectie-vermogen van het voorste oppervlak zoals hierboven vermeld. Het verschil in I_sc's bepaalt voornamelijk de uitgangsprestaties van de apparaten. Daarnaast garanderen de hogere FF en de lagere serieweerstand R_s de hogere η van groep 30 s. Het is de moeite waard om op te merken dat alle gemiddelde V_oc's van de Si IP-gebaseerde PERCs in het bereik van 674–676 mV liggen, wat aantoont dat dezelfde uitstekende passivatie voor het voor- en achterste oppervlak van alle groepen. Ten slotte, profiterend van de winst van optische en elektrische prestaties, hebben we met succes de hoogste η van 21,4% van de Si IP-gebaseerde PERC zonnecel bereikt.

Conclusies

Concluderend, we optimaliseren de morfologieën van de MACE Si IPs-structuren en fabriceren de nieuwe Si IPs-gebaseerde PERC zonnecel met een standaardformaat van 156 × 156 mm² door de stapel SiO₂/SiNₓ-lagen gecoate IPs-texturen te combineren met de stapel Al₂O₃/SiNₓ-passivatie van het achterste oppervlak. De optische eigenschappen tonen aan dat de zonnelijke gemiddelde R_ave van IPs-texturen gecoat door de stapel SiO₂/SiNₓ-lagen kan oplopen tot 3,91%, wat IPs onthult als een ideale lichtopvangstructuur voor PV-apparaat. Ook toont de elektrische analyse aan dat het gepolijste achterste oppervlak gepassiveerd door de stapel Al₂O₃/SiNₓ-lagen een zeer hoge τ_eff van 230 µs bezit door de thermische en licht-inzettingsbehandeling, wat een goed licht-versterkte c-Si-oppervlaktepassivatie van Al₂O₃/SiNₓ-lagen demonstreert. FTIR-metingen leveren een verdere verklaring voor de hoge τ_eff's van het achterste oppervlak gepassiveerd door de stapel Al₂O₃/SiNₓ-lagen. Belangrijk is dat een hoge vaste ladingdensiteit N_f van −2,87 × 10¹² cm⁻² verkregen is door middel van de C-V-metingen, wat een sterke veld-effect passivatie van Al₂O₃/SiNₓ-lagen onthult. Ten slotte, profiterend van de uitstekende optische en elektrische prestaties aan de voorste Si IP-gebaseerde n⁺-emitter en achterste reflector, bereiken we de hoogste η van 21,4%, evenals V_oc van 0,677 V, I_sc van 9,63 A, en FF van 80,30%. De realisatie van hoog-efficiënte Si IP-gebaseerde PERC biedt IPs een effectieve weg voor massaproductie van Si-gebaseerde hoog-efficiënte zonnecellen.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets die de conclusies van dit artikel ondersteunen, zijn in het artikel opgenomen.

Afkortingen

PV:

Fotovoltaïsch

IP:

Omgekeerde piramide

Si:

Silicium

MACE:

Metaal-ondersteunde chemische etching

PERC:

Passivatie-emitter-en-achterkant-cel

PERL:

Passivatie-emitter-en-achterkant-lokaal-gediffundeerde zonnecel

c-Si:

Kristallijn silicium

mc-Si:

Multi-kristallijn silicium

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampdepositie

ALD:

Atomaire laagdepositie

Si IP-strus:

Silicium omgekeerde piramide structuren

R_ave:

Gemiddelde reflectantie

EQE:

Externe kwantumefficiëntie

τ_eff:

De effectieve minderheidsladingsdrager levensduur

Δn:

Het injectieniveau

FTIR:

Fourier-transformatie infrarood spectroscopische

N_f:

Dichtheid van vaste ladingen

N_it:

Dichtheid van interface-vallen

C-V:

Capaciteit-spanning

IQE:

Interne kwantumefficiëntie

V_oc:

Open-circuitspanning

I_sc:

Kortsluitstroom

FF:

Vulfactor

R_s:

Serieweerstand