Células solares de heterounión de nanocables de silicio con una película de pasivación de Al2O3 fabricada por deposición de capa atómica

Resumen

Los nanocables de silicio (SiNW) muestran un gran potencial para aplicaciones energéticas debido al efecto de confinamiento óptico, que permite la fabricación de células solares de silicio cristalino (c-Si) muy eficientes y delgadas. Dado que una matriz de SiNW de 10 μm de largo puede absorber suficiente luz solar a menos de 1200 nm, el SiNW de 10 μm de largo se fabricó en una oblea de Si para eliminar la influencia de la oblea de Si. Por otro lado, la pasivación superficial de los SiNW es un problema crucial que debe resolverse para reducir la recombinación de la superficie y permitir la aplicación de SiNW a las células solares c-Si. En este estudio, el óxido de aluminio (Al ₂ O ₃ ) se fabricó mediante deposición de capa atómica para la pasivación de enlaces colgantes. Sin embargo, debido a una cobertura completa de los SiNW con Al ₂ O ₃ , los portadores no pudieron moverse al circuito externo. Por lo tanto, se realizó un pulido químico-mecánico para eliminar uniformemente el óxido de la parte superior de los SiNW. Se fabricó con éxito una célula solar de heterounión con una eficiencia del 1,6% utilizando silicio amorfo (a-Si). Se discutieron las eficiencias cuánticas internas (IQE) de las células solares SiNW y c-Si. En la región de longitud de onda por debajo de 340 nm, el IQE de la célula solar SiNW es más alto que el del dispositivo c-Si, lo que da como resultado un aumento de la absorción de las células SiNW, lo que sugiere que los SiNW son prometedores para el adelgazamiento del silicio cristalino.

Introducción

Las células solares de silicio cristalino (c-Si) se utilizan ampliamente en todo el mundo debido a su alta eficiencia y abundancia [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Para reducir los costos de generación de energía de tales células solares, se debe aumentar su eficiencia y se debe reducir su costo de fabricación. Sin embargo, la eficiencia de las células solares de c-Si está cerca del límite de eficiencia teórico y es difícil mejorar más debido a que el voltaje de circuito abierto ( V _oc ) está limitado por la recombinación Auger [10, 11]. Crear películas de c-Si muy delgadas es una forma eficaz de mejorar V _oc , pero las células solares de c-Si extremadamente delgadas exhiben una baja densidad de corriente de cortocircuito ( I _sc ) debido a su bajo coeficiente de absorción [12, 13]. Recientemente, los nanocables de silicio (SiNW) han atraído una atención considerable porque exhiben un fuerte efecto de confinamiento óptico que es esencial para atrapar la luz en las células solares [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]. En nuestros experimentos anteriores, logramos evaluar las propiedades ópticas de los SiNW despegándolos de las obleas de silicio utilizando polidimetilsiloxano [22]. Una matriz de SiNW de 10 μm de largo puede absorber suficiente luz, lo que indica que los SiNW pueden reducir el grosor de las células solares de c-Si. Dado que es difícil fabricar una matriz de SiNW autónoma, se necesita la oblea de Si. En este estudio, nos centramos en la fabricación de matrices de SiNW de 10 μm de longitud en la oblea de Si. Por lo tanto, para maximizar la absorción en la longitud de onda por debajo de la región de 1200 nm mediante matrices de SiNW de 10 μm de longitud, se puede eliminar la influencia de la oblea de Si. Por otro lado, para aplicar SiNW a estructuras de células solares, es necesario fabricar una película de pasivación en su superficie para reducir la recombinación de la superficie. Descubrimos que los SiNW exhiben una alta relación de aspecto, por lo que es difícil fabricar una película de pasivación por deposición química de vapor. Por lo tanto, la película de pasivación se fabricó en la superficie de SiNW mediante deposición de capa atómica (ALD) [23, 24]. Por otro lado, las matrices SiNW que contienen Al ₂ O ₃ no se puede despegar de la oblea de silicio debido a la resistencia mecánica mejorada. Además, los portadores no pueden moverse al circuito externo debido al aislamiento Al ₂ O ₃ película. En este estudio, proponemos una nueva estructura (que se muestra en la Fig. 1) en la que se fabrican SiNW de 10 μm de longitud en una oblea de Si.

Estructura de célula solar SiNW con Al ₂ O ₃

Para formar un contacto entre los SiNW y a-Si, el Al ₂ O ₃ presente en la parte superior de los SiNW se eliminó mediante pulido químico-mecánico (CMP) y grabado. La influencia de Al ₂ O ₃ Se investigó el grabado en las propiedades de las células solares.

Métodos

Fabricación de matrices SiNW y Al ₂ O ₃

Se sumergió una oblea de Si (100) de tipo p (8-10 Ω cm, 550 μm) en una solución de ácido fluorhídrico (HF) con AgNO ₃ depositar partículas de plata. La oblea de Si se grabó químicamente, utilizando HF 4,8 M y H ₂ 0,15 M O ₂ a temperatura ambiente, y posteriormente se añade a un HNO ₃ solución para eliminar las películas de plata. Finalmente, la capa de óxido presente en la matriz de SiNW preparada se eliminó usando la solución de HF. Se fabricaron SiNW con longitudes de 10, 15 y 20 μm cambiando el tiempo de grabado. Dado que el espacio entre los SiNW es grande, se llenaron partículas de sílice con un diámetro de aproximadamente 80 nm (dispersas en una solución de etanol) en el espacio entre los alambres. Luego, Al ₂ de 66 nm de espesor O ₃ fue depositado por ALD para pasivar los enlaces colgantes. Se aplicó microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM, JEOL JSM-7001F) para examinar la estructura de las matrices de SiNW preparadas.

Eliminación de Al ₂ O ₃ en la cima de los SiNW

A continuación, se aplicó una pasta de grabado y el método CMP para eliminar la parte superior de los SiNW y el Al ₂ O ₃ en ellos. La Figura 2a muestra el Al ₂ O ₃ procedimiento de grabado con una pasta de grabado. La pasta de grabado se formó en el Al ₂ O ₃ capa, seguida de recocido para eliminarla. Finalmente, se eliminó la pasta de grabado. En el caso de CMP, el proceso detallado se muestra en la Fig. 2b. Con la estructura de la célula solar fabricada, la longitud de la matriz de SiNW se mantuvo constante en 10 μm y, por lo tanto, el espesor de grabado se cambió al cambiar la longitud inicial de las matrices de SiNW. Cuando la longitud inicial de los SiNWs era de 10 μm, el grabado se detuvo en la parte superior de los nanocables (espesor de grabado 0 μm, la longitud de SiNW 10 μm, el espesor de la oblea de Si restante 540 μm), lo que significa que el Al ₂ O ₃ por encima de los SiNW sólo se grabó. Para una longitud inicial de SiNW de 15 μm, la longitud de grabado se definió como 5 μm, incluidos los SiNW de 5 μm y Al ₂ O ₃ (espesor de grabado 5 μm, la longitud de SiNW 10 μm, el espesor de la oblea de Si restante 535 μm). Cuando la longitud de grabado se definió como 10 μm, la longitud inicial fue de 20 μm (espesor de grabado 10 μm, la longitud de SiNW 10 μm, el grosor de la oblea de Si restante 530 μm).

Al ₂ O ₃ procedimiento de grabado y procedimiento de fabricación de la célula solar: a pasta de grabado y b CMP. c Célula solar de heterounión (célula solar de referencia)

Fabricación de la estructura de la célula solar

La Figura 1 muestra las estructuras de células solares fabricadas aquí; Se adoptó la estructura de heterounión de a-Si y Si. El procedimiento de fabricación y la condición de la estructura de heterounión son los mismos que los de la celda solar SiNW y la celda solar de referencia en la Fig. 2. En el caso de las celdas solares de referencia, la oblea de Si (100) de tipo p (8-10 Ω cm, 550 μm) se utilizó sin SiNW. Se formó una doble heterounión al depositar una capa de silicio amorfo hidrogenado de tipo i (ia-Si:H, espesor de 5 nm), una capa de a-Si:H de tipo n (espesor de 10 nm) y una capa de a- Capa de Si:H (espesor 10 nm) a través de la deposición de vapor químico mejorada con plasma (PECVD). Se utilizaron óxido de indio y estaño (ITO) (espesor 80 nm) y una rejilla de Ag para fabricar el electrodo frontal. La reflectancia de las células solares se midió en la región ultravioleta-visible-infrarroja cercana. Se llevaron a cabo experimentos de fotoconductancia en estado cuasi-estacionario (QSSPC, Sin-ton Instruments) para medir la vida útil del portador minoritario de los SiNW. Las células solares SiNW también se caracterizaron por corriente-voltaje iluminado ( I – V ) y mediciones de eficiencia cuántica. Los parámetros de una celda solar de referencia fabricada en la misma oblea sin ningún tratamiento se muestran en la Tabla 1.

Resultados y discusión

La vida útil de la portadora para la matriz SiNW sin Al ₂ O ₃ QSSPC no pudo medirlo. Hubo varios defectos en la superficie de SiNW; estos están relacionados con enlaces colgantes que pueden conducir a una recombinación considerable de portadores minoritarios. Para pasivar la superficie SiNW, Al ₂ O ₃ fue depositado por ALD, como se muestra en la Fig. 3b, con el Al ₂ O ₃ depósito incrustado en la matriz SiNW sin espacio. Si hay espacio en el SiNW / Al ₂ O ₃ , esta película se rompe fácilmente con CMP. Además, la oblea de Si de por vida con Al ₂ O ₃ aumentado con el aumento en el espesor del Al ₂ O ₃ y tendió a ser constante desde 66 nm como se muestra en la Fig. 4a. A partir de estos resultados, el espesor del Al ₂ O ₃ La capa se fijó a 66 nm. La Figura 4b muestra la vida útil de los portadores minoritarios de cada muestra en función de la densidad de portadores minoritarios. La vida útil de la portadora minoritaria de SiNW con Al ₂ O ₃ aumentó drásticamente a 65 μs (Fig. 4). Dado que los enlaces colgantes fueron modificados por el Al ₂ O ₃ , la densidad de defectos disminuyó. Además, mejora la vida útil de los portadores minoritarios de SiNW / Al ₂ O ₃ , se llevó a cabo el recocido en el gas de formación (FG) y se mejoró la vida útil del portador a 157 µs. Cuando la vida útil del portador de la oblea de Si / Al ₂ O ₃ en función de la densidad de portadores, la tendencia de eso con y sin recocido es diferente. En la región de baja densidad de portadora, la vida útil de la portadora aumentó por la carga fija negativa. Por otro lado, la vida útil de los portadores minoritarios sin recocido disminuyó debido a que la recombinación Shockley-Read-Hall se volvió dominante. Dado que la carga fija negativa influye en la formación de la flexión de la banda en la interfaz entre Al ₂ O ₃ y superficie de Si, la recombinación en la superficie de Si puede reducirse [25]. Podemos obtener la información sobre la existencia de carga fija negativa por la tendencia de la vida útil del portador en función de la densidad del portador. Por lo tanto, encontramos que SiNW / Al ₂ O ₃ después del recocido se mejoró por la carga fija negativa. Aunque los SiNW estaban completamente cubiertos por Al ₂ O ₃ , los portadores no se trasladaron al circuito externo. Por lo tanto, para fabricar la estructura de la célula solar, el Al ₂ O ₃ presente en la parte superior de los SiNWs debe eliminarse utilizando una pasta de grabado y aplicando la técnica CMP.

un La vida del portador minoritario de la oblea de Si / Al ₂ O ₃ como función del Al ₂ O ₃ espesor de la película. b La vida útil de los portadores minoritarios de cada muestra como función de la densidad de portadores minoritarios

Vistas superiores de imágenes SEM de SiNW a sin y b con Al ₂ O ₃

En primer lugar, se utilizó una pasta de grabado para eliminar el Al ₂ O ₃ desde la parte superior de la matriz SiNW. Después del ataque químico, la estructura de la célula solar de heterounión se fabricó formando un sistema n-a-Si / i-a-Si / p-SiNW / i-a-Si / n-a-Si. La Figura 5a muestra el I – V características de la celda solar SiNW y el parámetro de la celda solar, resistencia en serie ( R _s ), resistencia de derivación ( R _sh ), factor de idealidad y ratios de rectificación (RR). RR se define como I _F / Yo _R , donde yo _F (a 0,5 V) y I _R (a - 0 .5 V) denota la corriente en polarización directa e inversa respectivamente. El efecto fotovoltaico se observó para la celda solar SiNW que contiene Al ₂ O ₃ , y el resultado muestra la eliminación de Al ₂ O ₃ desde lo alto de los SiNW. Sin embargo, la eficiencia es baja (0,14%) debido a la baja corriente de cortocircuito ( I _sc ) y voltaje de circuito abierto ( V _oc ) valores. En el caso de V _oc , la vida útil de los portadores de SiNW con Al ₂ O ₃ disminuyó a 9 μs después de usar la pasta de grabado. La Figura 5b muestra una vista superior de gran aumento de la imagen SEM de una matriz SiNW con Al ₂ O ₃ después del grabado. El área en la que están expuestos los SiNW es pequeña y el número de portadores que se pueden eliminar ha disminuido. La Figura 5c muestra la vista superior de bajo aumento de la imagen SEM. Dado que el grabado no procede de manera uniforme y la forma antes del grabado ya no era uniforme, la falta de uniformidad de Al ₂ O ₃ aumenta después del grabado. Descubrimos que es difícil eliminar el Al ₂ O ₃ uniformemente usando la pasta de grabado, pero para mejorar el I _sc de células solares SiNW, se requiere un grabado uniforme.

un I – V características de una célula solar SiNW con Al ₂ O ₃ eliminar con una pasta de grabado. b Vista superior de gran aumento de la imagen SEM de SiNW con Al ₂ O ₃ después de usar una pasta de grabado. c Vista superior de bajo aumento de la imagen SEM de SiNW con Al ₂ O ₃ después de usar una pasta de grabado

Se realizó CMP para grabar uniformemente el Al ₂ O ₃ depositado en los SiNWs. Las figuras 6a yb muestran la imagen SEM de vista superior de SiNW con Al ₂ O ₃ después de CMP. Primero, la matriz SiNW no se rompió después de CMP, lo que indica que la resistencia mecánica de la matriz SiNW con Al ₂ O ₃ se mejora al incrustar el espacio entre SiNW. Dado que CMP puede grabar uniformemente Al ₂ O ₃ , la parte superior del SiNW / Al ₂ O ₃ la película se volvió plana.

un Vista superior de bajo aumento de la imagen SEM de SiNW con Al ₂ O ₃ después de CMP. b Vista superior de gran aumento de la imagen SEM de SiNW con Al ₂ O ₃ después de CMP. c Vista transversal de la imagen SEM de SiNW con Al ₂ O ₃ después de CMP

Después de CMP, la estructura de heterounión-célula solar se fabricó formando un n-a-Si / i-a-Si / p-SiNW / i-a-Si / n-a-Si usando el sistema PECVD. La Figura 7 muestra el I – V características de las células solares SiNW con espesores de grabado de 0, 5 y 10 μm y el parámetro de célula solar, R _s , R _sh , factor de idealidad y RR se enumeran en la Tabla 2. Para un espesor de grabado de 0 μm (cuando se observó la parte superior de los SiNW, se detuvo el grabado), se confirmó el efecto fotovoltaico, con una eficiencia de conversión de 0,8%. yo _sc de 6,11 mA / cm ² fue observado. Aunque el yo _sc valor aumentado en comparación con los resultados obtenidos para la pasta de grabado, sigue siendo un valor bajo. La parte superior de las matrices de SiNW se agregó mediante tensión superficial en la Fig. 4a. Dado que una parte de los SiNW no tuvo contacto con la capa de a-Si, los portadores se trasladaron al circuito externo con dificultad. Para mejorar el área de contacto, el espesor de grabado se aumentó a 5 μm y el I _sc aumentado a 10,3 mA / cm ² . Con un espesor de grabado de 10 μm, el I _sc mejorado a 14.0 mA / cm ² . A medida que se eliminaron las matrices de SiNW agregadas, aumentó el área de contacto entre SiNW y a-Si. Por otro lado, un V extremadamente bajo _oc de 0,3 V. Los portadores minoritarios se midieron después de CMP, y la vida útil del portador minoritario disminuyó drásticamente de 157 a 19 μs debido a la calidad de pasivación del Al ₂ O ₃ depósito disminuido por CMP. Dado que la vida útil de los portadores minoritarios en la región de baja densidad de portadores minoritarios disminuyó después del CMP, la carga fija negativa disminuyó. El centro de recombinación en la superficie de SiNW aumentó, lo que condujo a un V bajo _oc . Además, en el caso de los cables, se reduce la movilidad de los portadores, debido a la dispersión de los portadores en la superficie, y se reduce la conductividad. Aunque estos resultados indicaron que CMP podría reducir la carga fija negativa, el mecanismo aún no está claro. Por otro lado, cuando la R _s , R _sh , factor de idealidad y RR de la pasta de grabado y se comparó el resultado de CMP, cada parámetro de la pasta de grabado es mejor que el de CMP. Desde R _s de CMP es mayor que la de la pasta de grabado y R _sh de CMP es más bajo que el de la pasta de grabado, la contaminación puede permanecer en la parte superior de SiNW y evitar un buen contacto entre SiNW y a-Si. Por lo tanto, se requiere un estudio adicional para investigar la mejora de la calidad de pasivación para mejorar la V _oc y yo _sc de células solares.

un I – V características de las células solares SiNW con Al ₂ O ₃ eliminado por CMP

Se comparó la eficiencia cuántica de células solares SiNW y c-Si de 10 μm de longitud. En el caso de la eficiencia cuántica externa (EQE), la intensidad de la celda solar SiNW es mayormente menor que la de la celda solar c-Si en la Fig. 8a. Sin embargo, la EQE de la célula solar SiNW se mejoró en la región de 300 a 500 nm. La Figura 8b muestra la reflectancia de las células solares SiNWs y c-Si, y se puede observar que la reflectancia del dispositivo SiNWs es menor que la del dispositivo c-Si, particularmente en la región de longitud de onda corta (de 300 a 500 nm ) donde se reduce drásticamente. Aunque la reflectancia de la celda solar SiNW es menor que la de la celda solar c-Si, la EQE del dispositivo SiNW en otras regiones es menor que la de la celda solar c-Si. Dado que la región de longitud de onda larga de la luz se absorbió en la parte inferior de los SiNW, el EQE de la célula solar SINW disminuyó. Se discutieron las eficiencias cuánticas internas (IQE) de las células solares SiNW y c-Si para eliminar la influencia de la reflectancia. La región de longitud de onda en la que el IQE de la celda solar SiNW es mayor que el de la celda solar c-Si disminuyó. En la región de longitud de onda por debajo de 340 nm, el IQE del dispositivo SiNW es más alto que el de la célula solar c-Si, lo que da como resultado un aumento de la absorción de los SiNW. El aumento de la absorción se debe a un efecto de captura de luz más que al efecto de cavidad óptica. [26, 27] Para obtener el efecto de cavidad óptica usando SiNW, se debe controlar el diámetro y la posición de SiNW. Dado que el diámetro y la posición del SiNW fabricado por MAE eran aleatorios, es difícil obtener el efecto de cavidad óptica utilizando el SiNW. Por otro lado, la estructura aleatoria de SiNW puede tener un fuerte efecto de captura de luz, lo que sugiere que los SiNW fabricados por MAE son prometedores para el adelgazamiento del silicio cristalino.

un EQE e IQE de una celda solar SiNW y una celda solar de referencia. b Reflectancia de una celda solar SiNW y una celda solar de referencia

Conclusión

La pasivación superficial de SiNW es crucial para su aplicación en dispositivos de células solares. Al ₂ O ₃ fue fabricado por ALD para pasivar los enlaces colgantes. Dado que ALD puede depositar Al ₂ O ₃ sobre todos los SiNW, el portador no puede moverse al circuito externo. En este estudio se aplicó una pasta de grabado y la técnica CMP para grabar Al ₂ O ₃ desde lo alto de los SiNW. Con la pasta de grabado se obtuvieron con éxito células solares de SiNW con una eficiencia del 0,14%. Sin embargo, dado que la matriz de SiNW se agregó por tensión superficial, el área de contacto entre los SiNW y el a-Si era pequeña, lo que condujo a una baja I _sc . Para mejorar aún más la eficiencia, se aumentó el grosor de grabado y la eficiencia se pudo mejorar al 1,6% aumentando I _sc . En el caso del EQE, la intensidad de la celda solar SiNW es menor que la de la celda solar c-Si. Dado que la reflectancia en la región de longitud de onda corta de 300 a 500 nm se reduce drásticamente, se mejoró el EQE. Se discutieron los IQEs de las células solares SiNW y c-Si para eliminar la influencia de la reflectancia. En la región de longitud de onda por debajo de 340 nm, el IQE del dispositivo SiNW es más alto que el de la celda solar c-Si, lo que da como resultado un aumento de la absorción de los SiNW, lo que sugiere que los SiNW son prometedores para el adelgazamiento del silicio cristalino.