Reducción de trampas de interfaz con tratamiento de hidrógeno de alta densidad para aumentar la eficiencia de la celda de contacto posterior del emisor pasivado

Introducción

Las células solares son una de las muchas energías renovables en el mundo y se consideran las más capaces de reemplazar la energía petroquímica de transición. Hay varios tipos de células solares basadas en diferentes sistemas de materiales, como silicio [1,2,3], perovskita [4, 5] o compuestos III-V [6, 7]. Entre ellos, la celda solar basada en silicio se usa comúnmente por su bajo costo, alta estabilidad y excelente eficiencia hasta en un 26% [8, 9, 10]. El dispositivo de contacto posterior del emisor pasivado (PERC) se considera uno de los dispositivos potenciales para reemplazar las células solares de campo de superficie posterior (BSF) [11, 12]. En 1983, el profesor Martin Green propuso por primera vez una celda PERC en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW), cuyo concepto era combinar el emisor y la capa de pasivación trasera para reducir los defectos de la interfaz y aumentar la eficiencia de la celda. Aunque el emisor de PERC y la capa de pasivación trasera pueden pasivar los defectos de la interfaz, la calidad de la película del emisor o de la capa de revestimiento antirreflectante (ARC) afecta la interfaz [13,14,15].

De acuerdo con trabajos anteriores, además de mejorar la calidad de la película delgada para reducir las trampas de interfaz, el tratamiento posterior al recocido es otro método para disminuir los defectos [16, 17, 18]. Se utiliza un tratamiento posterior de recocido de gas de formación en nitrógeno (95%) e hidrógeno (5%) a 400 ° C para reducir las trampas de interfaz con hidrógeno y mejorar la eficiencia de la celda. Desafortunadamente, dicho tratamiento requiere una reacción a aproximadamente 400 ° C, una temperatura demasiado alta para las células solares como la heterounión con capa delgada intrínseca (HIT) que se fabrican a temperaturas inferiores a 200 ° C.

En este trabajo, proponemos un tratamiento de hidrógeno de alta densidad (HDH) adecuado para reducir las trampas de interfaz entre la capa de pasivación del emisor y la capa de Si tipo n sin la necesidad de alterar ningún elemento adicional de fabricación del dispositivo. Al igual que en investigaciones anteriores, el tratamiento con HDH se utiliza para pasivar los defectos utilizando iones de hidrógeno. El resultado experimental sugiere una mejora del enlace Si-H después del tratamiento con HDH, de acuerdo con la espectrometría de masas de iones secundarios de medición de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) (SIMS). Además, se extraen mediciones eléctricas que incluyen conductancia, densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), resistencia en serie (Rs) y factor de llenado (F.F.) para confirmar la reducción de la densidad de estado (Dit) y el aumento de la eficiencia de la celda. Finalmente, también propusimos un modelo para ilustrar mejor los efectos del tratamiento con HDH en la celda solar PERC.

Métodos experimentales

Fabricación de células solares PERC

El proceso de fabricación de PERC se ilustra a continuación. El silicio de Czochralski de tipo p se utiliza como sustrato con un espesor de aproximadamente 150 μm. La solución de KOH se utiliza para grabar la superficie del sustrato de Si y formar la morfología de textura piramidal de la superficie. Para formar la unión p-n, POCl ₃ se utiliza para difundir en la superficie del sustrato de Si y formar la capa de tipo n. Luego, la capa de pasivación de SiN emisor se deposita a través de la deposición de vapor químico (CVD) como una capa de revestimiento antirreflectante (ARC). Una vez depositada la capa ARC, se utiliza una solución de HF para eliminar la capa tipo n del lado posterior. Entonces, el Al ₂ O ₃ La capa se deposita como la capa de pasivación trasera con un espesor de 25 nm por deposición de capa atómica (ALD). La capa de SiN de 95 nm de espesor se deposita luego mediante CVD. Una vez finalizado el proceso de pasivación posterior, se aplica ablación láser para cortar ranuras para la preparación del proceso de serigrafía del electrodo superior de plata (Ag) utilizado en la capa ARC, mientras que el aluminio (Al) se utiliza para el electrodo inferior. Finalmente, el dispositivo se calienta en un proceso de cocción para asegurar un contacto adecuado entre el metal y el semiconductor. La estructura del dispositivo PERC se muestra en la Fig. 1.

Flujo del proceso de fabricación de PERC y estructura de celda de contacto posterior del emisor pasivado (PERC)

Tratamiento de HDH

Luego, el tratamiento con HDH se aplica al dispositivo PERC. El proceso de tratamiento con HDH es como se muestra en la Fig. 2. El gas hidrógeno se usa como fuente de tratamiento y se bombea a la cámara de reacción que contiene el dispositivo PERC. Luego, el gas se comprime a 70 atm y la temperatura de reacción se establece en 200 ° C durante 1 h. Luego, se bombea el gas para finalizar el tratamiento con HDH.

Flujo del proceso de tratamiento de hidrógeno de alta densidad (HDH)

Caracterización del material

Bruker VERTEX 70v FTIR se utiliza para analizar la unión Si-H antes y después del tratamiento y ION-TOF, TOF-SIMS V se utiliza para analizar la relación de hidrógeno en la interfaz SiN / Si.

Caracterización eléctrica

Las características I-V y G-V se miden con un analizador de semiconductores Agilent B1500 y una estación de sonda Cascade M150 en una caja oscura para condiciones de luz y oscuridad. Los parámetros de eficiencia (Jsc, Rs y factor de relleno) se extraen en una fuente de luz simulada de 1 kW M ⁻² espectro global AM1.5 a 25 ° C. La eficiencia cuántica externa (EQE) de la célula solar QEX10 se utiliza para analizar la eficiencia de 300 a 1200 nm.

Resultado y discusión

La capa de pasivación del emisor de SiN con y sin el tratamiento con HDH se examina usando un análisis FTIR. Como se muestra en la Fig. 3, el SiN con y con tratamiento con HDH exhibe 3350 cm ⁻¹ del enlace de estiramiento N – H y 2165 cm ⁻¹ del enlace de estiramiento Si-H [19,20,21]. Sin embargo, las relaciones de intensidad máxima de absorción de los enlaces N – H y Si – H se mejoran después del tratamiento, lo que implica que se inyecta hidrógeno en la capa de SiN.

Película delgada de capa de pasivación de SiN emisor medida con espectro FTIR

Para confirmar que el tratamiento con HDH reduce las trampas de la interfaz SiN / Si, se utiliza la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para confirmar la distribución del hidrógeno [22, 23]. En la Fig. 4, debido a que la capa de SiN se deposita usando CVD, la intensidad del hidrógeno en esta capa de SiN es mayor que en el Si. Después del tratamiento, aunque la intensidad del hidrógeno no aumenta obviamente a granel, la intensidad aumenta claramente en la interfaz SiN y Si, y este resultado indica que el tratamiento con HDH reacciona en la interfaz SiN / Si.

Película delgada de la capa de pasivación de SiN del emisor medida con SIMS

Para confirmar aún más la diferencia en Dit entre la capa emisora ​​de SiN y el sustrato de p-Si después del tratamiento con HDH en la Fig. 5, se fabrica la estructura de metal-aislante-semiconductor (MIS) de Al / SiN / p-Si / Al. Dado que la interfaz SiN y p-Si tiene una gran cantidad de defectos, el resultado G-V se puede aplicar para extraer la densidad de la trampa de la interfaz (Dit) [24]. La ecuación de conductancia se da como:

$$ \ frac {Gp} {\ omega} =\ frac {D_ {it} \ omega {\ tau} _ {it}} {1 + {\ omega} ^ 2 {\ tau} _ {it} ^ 2} $$ (1)

El dispositivo Al / SiN / p-Si / Al se analiza mediante la característica de conductancia-voltaje con trampas de interfaz

donde ω es la frecuencia angular, τ es la vida útil del operador y Gp es la conductancia dependiente de la frecuencia. Para simplificar la ecuación. 1, el Dit está relacionado con la conductancia, y el pico de conductancia se reduce después del tratamiento, lo que sugiere que el tratamiento con HDH puede reducir las trampas de la interfaz PERC.

A continuación, se llevan a cabo mediciones eléctricas en el dispositivo de celda PERC tanto en condiciones de luz como de oscuridad. La polarización del dispositivo se aplica al electrodo inferior de Al, mientras que el electrodo superior está conectado a tierra. El rango de barrido del voltaje es de -1 a 0,75 V. La Figura 6 muestra la característica I-V en condiciones de oscuridad. La fuga de corriente se reduce significativamente después del tratamiento con HDH, con una relación de disminución de aproximadamente 0,5 órdenes. Además, en el lado derecho de la característica I-V, la joroba de la corriente activa se reduce después del tratamiento. También extraemos la curva I-V y la convertimos como factor ideal siguiendo la ecuación de corriente del diodo:

$$ I ={I} _s \ left [\ mathit {\ exp} \ left (\ frac {qV} {nkT} \ right) -1 \ right] $$ (2)

Análisis de las características I-V en condiciones de oscuridad con fuga de corriente y factor ideal.

donde yo _s es la corriente de saturación, q es la carga electrónica, V es el voltaje aplicado, n es el factor ideal, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. La ecuación 2 se puede simplificar aún más en \ (I ={I} _s \ left [\ mathit {\ exp} \ left (\ frac {qV} {nkT} \ right) -1 \ right] \); cuando el n El valor está cerca de 1, la corriente de encendido está cerca de la corriente de difusión. Cuando el n El valor está cerca de 2, esto significa que la corriente de encendido está cerca de la corriente de combinación [25]. Después del tratamiento, la pendiente de la corriente activa se reduce de 1,5 a 1,42, lo que significa que la corriente activa está cerca de la corriente de difusión después del tratamiento debido a la disminución del número de defectos.

Para examinar más a fondo las características eléctricas, los parámetros de eficiencia (Jsc, Rs y factor de llenado) se extraen en una fuente de luz simulada de 1 kW M ⁻² espectro global AM1.5 a 25 ° C. Después del tratamiento con HDH, la eficiencia promedio se mejora del 17.3 al 18.2%, como se muestra en la Fig. 7a. El Jsc también aumenta de 37,6 a 38,2 mA, como se muestra en la Fig. 7b. Además, las Rs se han reducido de 0,712 a 0,487 después del tratamiento, como en la Fig. 7c. En cuanto al factor de llenado, aumenta de 70,5 a 73,3, como se muestra en la Fig. 7d.

Características PERC I-V para a eficiencia, b densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), c resistencia en serie (Rs) y d factor de relleno (F.F.)

Con el fin de confirmar la eficiencia de conversión en diferentes rangos de longitud de onda, la eficiencia cuántica externa (EQE) se utiliza para analizar la longitud de onda de 300 a 1200 nm [26, 27]. Como se muestra en la Fig. 8, la eficiencia cuántica antes del tratamiento con HDH tiene un EQE promedio del 94% entre 400 y 600 nm. Sin embargo, después del tratamiento con HDH, podemos obtener un resultado EQE aún mayor. Los resultados muestran un aumento del 97% entre 400 y 600 nm, que es inducido por la supresión de las trampas de la interfaz del emisor SiN / Si.

La eficiencia cuántica externa (EQE) se mide de 300 a 1200 nm

Finalmente, proponemos un modelo para explicar los efectos de HDH en el dispositivo PERC. El emisor PERC de la estructura de Si tipo Ag / SiN / n y la relación con la estructura de la trampa de la interfaz SiN / Si se muestran en la Fig. 9. Cuando el par electrón-hueco se genera en la unión pn, inducido por la luz, el electrón se mueve al electrodo superior de Ag. Si hay trampas de interfaz en la interfaz SiN / Si, ayudarán a la recombinación de electrones con huecos. Para reducir las trampas de la interfaz, el tratamiento con HDH se aplica al dispositivo PERC, con gas a alta presión que se utiliza para inyectar hidrógeno en el dispositivo y reaccionar con la interfaz. Después del tratamiento, se reducen los enlaces de hidrógeno con el enlace colgante en la interfaz SiN / Si y las trampas de la interfaz. Por lo tanto, la recombinación disminuye, lo que reduce la fuga de corriente y mejora el Jsc y la eficiencia celular.

Emisor PERC de estructura de Si tipo Ag / SiN / n y estructura de trampa de interfaz SiN / Si en el tratamiento inicial y posterior

Conclusión

En este estudio, el tratamiento con HDH se propone con éxito para reducir las trampas de interfaz y mejorar la eficiencia del dispositivo. El espectro FTIR muestra que la unión Si-H aumenta y el pico de voltaje de conductancia disminuye después del tratamiento. Por lo tanto, el número reducido de trampas de interfaz conduce a una reducción en la fuga de corriente y también disminuye el valor del factor ideal. Además, la eficiencia aumenta después del tratamiento y aumentan Jsc, Rs y factor de llenado. Finalmente, el resultado de EQE demuestra una mejora de la longitud de onda corta, que es evidencia de una reducción en las trampas de la interfaz del emisor.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están disponibles de los autores a través de una solicitud razonable.

Abreviaturas

HDH:

Tratamiento de hidrógeno de alta densidad

PERC:

Celda de contacto posterior del emisor pasivado

FTIR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

SIMS:

Espectrometría de masas de iones secundarios

Dit:

Densidad de trampas de interfaz

Jsc:

Densidad de corriente del circuito

Rs:

Resistencia en serie

F.F .:

Factor de relleno

EQE:

Eficiencia cuántica externa

BSF:

Campo de superficie posterior

UNSW:

Universidad de Nueva Gales del Sur

ARC:

Revestimiento antirreflejos

CVD:

Deposición de vapor químico

ALD:

Deposición de la capa atómica

MIS:

Estructura de metal-aislante-semiconductor

Eficiencia de calentamiento de nanopartículas magnéticas cilíndricas de estado de triple vórtice Nanocables de Si tipo p grabados para una descomposición eficiente del ozono