Celdas solares Si cristalino con capa trasera silicio negro: eficiencia mejorada mediante ingeniería banda prohibida graduada

Resumen

Investigamos celdas solares silicio cristalino (c-Si) que incorporan capa silicio negro (b-Si) en superficie trasera. Grabado químico produjo b-S nanoestructurado, y su presencia en parte posterior del dispositivo condujo a notable aumento 27,7 % relativo en eficiencia conversión potencia comparado con celda equivalente sin capa b-Si. La mejora atribuida a banda prohibida graduada que se forma en parte trasera, impulsando electrones libres lejos del b-Si alta superficie específica y suprimiendo recombinación superficial. Este estudio demuestra que capa b-Si en parte trasera puede aprovecharse para extender respuesta espectral celdas c-Si solares a región infrarrojo cercano sub-banda prohibida.

Antecedentes

Silicio altamente texturado cargado o dopado con iones metálicos o no metálicos exhibe absortividad banda ancha, dando lugar al llamado efecto silicio negro (b-Si). Tal Si ha atraído atención para aplicaciones fotovoltaicas banda ancha. Trabajos existentes típicamente colocan capa b-Si en frente celda, lo que impide fotones infrarrojo cercano (NIR) sub-banda prohibida generen portadores carga utilizables porque pares electrón-hueco generados están demasiado lejos unión PN. Hipotetizamos que posicionar capa b-Si en parte trasera permitiría campo interno en interfaz Si/óxido, o campo contacto posterior interdigital, separar portadores generados NIR y habilitar fotovoltaje sub-banda prohibida. Sin embargo, gran área superficial específica b-Si podría introducir recombinación superficial severa. Este trabajo explora respuesta fotovoltaica celdas c-Si con capa b-Si parte trasera y dilucida física subyacente.

Métodos

Materiales

Usamos oblea p-Si<100> (CZ, doble pulido, 10 × 10 × 0,2 mm³, 1–10 Ω·cm). Oblea limpiada ultrasónicamente, sumergida 1 % HF, y luego grabada en solución NaOH/alcohol/H₂O (0,5 g / 200 mL / 200 mL) a 90 °C por 15 min para crear ligera textura antirreflejo. Para formación b-Si parte trasera, capa catalizador Ag 3 nm evaporada sobre una superficie. Oblea luego sumergida en solución 1:5:10 HF(40%) : H₂O₂(30%) : H₂O por 120 s temperatura ambiente, rindiendo b-Si nanoestructurado. Pasta fosforosa depositada sobre superficie opuesta, seguida recocido 900 °C/20 min nitrógeno formar unión PN. Pasivación superficie lograda con 20 nm SiO₂ frente y 10 nm Al₂O₃ parte trasera (esta última por ALD). Electrodo frontal 80 nm ITO y electrodo posterior 2 µm Al depositados, y celda finalmente recocida 425 °C/5 min nitrógeno.

Medidas

Espectros reflectancia registrados con espectrofotómetro Shimadzu UV-3101PC. Morfología superficie examinada por Philips XL 30 SEM. Parámetros fotovoltaicos medidos usando simulador solar Oriel/Newport 94023A bajo AM 1.5G 1 Sol. Eficiencia cuántica externa (EQE) obtenida en sistema Oriel/Newport QE. Microscopía electrónica transmisión (TEM) empleada JEOL EM-3000. Fotoluminiscencia (PL) usada Ocean Optics USB2000 con láser He-Cd 325 nm. Medidas diferencia potencial contacto (CPD) realizadas con sonda Kelvin KP Technology SKP5050.

Resultados y discusión

Figura 1 muestra secciones transversales esquemáticas celda c-Si ligeramente texturizada con y sin b-Si parte trasera. Espesor celda ≈ 200 µm.

Imágenes SEM (Figura 2) revelan superficie frontal nanoestructuras 10–20 nm, mientras b-Si parte trasera exhibe altura promedio ≈ 110 nm. HRTEM confirma Si nanocristalino en b-Si, soportado por patrón SAED.

Espectros absorción (Figura 3a) demuestran b-Si enfrentando luz incidente aumenta significativamente absorción 300–1100 nm e introduce absorción NIR sub-banda prohibida, atribuible a formación niveles impureza dentro banda prohibida. Cuando b-Si enfrenta lejos luz (b-Si hacia abajo), absorción permanece alta rango 300–1100 nm, indicando b-Si parte trasera aún captura fotones NIR.

Cuatro variantes dispositivo fabricadas: (1) oblea Si; (2) oblea Si + Al₂O₃ pasivación trasera; (3) b-Si trasera; (4) b-Si trasera + Al₂O₃. Datos corriente-voltaje y EQE (Figura 4) revelan dispositivo oblea + Al₂O₃ supera oblea sin pasivar, confirmando supresión efectiva recombinación superficial. Sorprendentemente, dispositivo b-Si trasera muestra aumento 27,7 % eficiencia relativa sobre oblea plana, a pesar gran área superficial que normalmente elevaría recombinación. Añadir Al₂O₃ a b-Si trasera mejora aún más rendimiento, subrayando que pasivación trasera sigue efectiva. Clave de esta mejora es banda prohibida graduada en parte trasera: mínimo banda conducción b-Si yace ≈ 0,4 eV arriba p-Si (medida CPD), creando barrera que aleja electrones de b-Si alta área superficial mientras permite huecos alcanzar electrodo trasero, suprimiendo recombinación.

Dispositivos PV heterounión adicionales (Figura 6) confirman papel benéfico b-Si parte trasera. EQE dispositivo b-Si marcadamente mayor que dispositivo sin b-Si, consistente con mecanismo banda prohibida graduada.

Conclusiones

Incorporar capa silicio negro en parte trasera celda solar silicio cristalino mejora dramáticamente rendimiento dispositivo formando banda prohibida graduada que mitiga recombinación superficial. Ganancia eficiencia 27,7 % demuestra viabilidad b-Si parte trasera para extender respuesta espectral celdas c-Si a región NIR sub-banda prohibida, allanando camino tecnologías fotovoltaicas banda ancha.