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Una investigación sobre una célula solar de silicio cristalino con una capa de silicio negro en la parte posterior

Resumen

Se estudió una celda solar de Si (c-Si) cristalina con una capa de Si (b-Si) negra en la parte posterior con el fin de desarrollar una celda solar de c-Si con una respuesta fotovoltaica de sub-banda prohibida. El b-Si se fabricó mediante grabado químico. Se descubrió que la celda solar c-Si con b-Si en la parte trasera funcionaba mucho mejor que la de una estructura similar pero sin b-Si en la parte trasera, y la eficiencia se incrementó relativamente en un 27,7%. Este hallazgo fue interesante ya que el b-Si tenía una gran superficie específica, lo que podría provocar una alta recombinación de la superficie y la degradación del rendimiento de las células solares. Se encontró que se formaba una banda prohibida graduada en la parte posterior de la celda solar c-Si con una capa de b-Si en la parte posterior. Esta banda prohibida graduada tendía a expulsar electrones libres lejos de la parte posterior, reduciendo así la probabilidad de recombinación de huecos de electrones en b-Si y mejorando el rendimiento de la célula solar c-Si.

Antecedentes

El Si muy grabado en la superficie que ha sido cargado o dopado con iones metálicos o no metálicos podría exhibir una capacidad de absorción fuerte y de banda ancha [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Este tipo de Si, o Si negro (b-Si), ha atraído mucha atención por su posible aplicación en sistemas fotovoltaicos de respuesta de banda ancha [7,8,9]. Hasta la fecha, las investigaciones de la célula solar de b-Si se han centrado en una configuración tal que la capa de b-Si está en la parte delantera de la célula solar [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]. En este caso, los pares de huecos de electrones inducidos por la absorción del infrarrojo cercano (NIR) de sub-band gap en la capa de b-Si están lejos de la zona de unión PN y no pueden ser descompuestos por el campo incorporado para convertirse en portadores de carga. haciendo imposible la respuesta fotovoltaica NIR de subbanda. Entonces se concibe que si la capa de b-Si se coloca en la parte posterior, los pares electrón-hueco inducidos por la absorción NIR podrían descomponerse por el campo interfacial Si / óxido en la parte posterior [20] o por un campo incorporado allí. si se adopta una configuración de contacto posterior interdigitado (IBC) [21], hacer que la respuesta fotovoltaica (PV) de dicha célula solar cristalina (c) -Si se extienda hasta el rango NIR de sub-banda prohibida. Desafortunadamente, la gran superficie específica de b-Si normalmente provocaría una alta recombinación de la superficie, lo que degradaría gravemente el rendimiento de la célula solar [10, 15, 22]. Por lo tanto, antes de comenzar a estudiar la respuesta NIR de sub-banda prohibida de la célula solar c-Si, es necesario saber qué tan grande podría ser la recombinación superficial de b-Si y cómo minimizar o evitar su influencia [23]. En este trabajo, estudiamos la respuesta fotovoltaica de la célula solar c-Si con b-Si en la parte trasera y exploramos la física subyacente a nuestras observaciones.

Métodos

Materiales

Oblea de Si <100> tipo P (CZ, pulido de doble cara, 10 × 10 × 0,2 mm 3 de tamaño, 1-10 Ω cm) se utilizó como sustrato. La oblea de Si se limpió ultrasónicamente y luego se sumergió en HF diluido (1%), seguido de grabado en NaOH / alcohol / H 2 Solución de O (0.5 g / 200 ml / 200 ml) a 90 ° C durante 15 min para texturizar ligeramente la superficie para evitar reflejos y luego enjuagar con agua desionizada. Para preparar b-Si en la parte trasera, se evaporó una capa de Ag con un grosor aparente de 3 nm sobre una superficie de sustrato de Si como catalizador mediante calentamiento por resistencia en una cámara de vacío casera con una presión base inferior a 5 × 10 - 4 Pa. Después de sumergir la oblea de Si en un HF (40%):H 2 O 2 (30%):H 2 O =solución 1:5:10 durante 120 sa temperatura ambiente, se formó una capa de b-Si en esa superficie de Si o en la parte trasera de la celda solar. Luego se depositó una pasta de fósforo sobre la otra superficie de Si o el frente de la celda solar, seguido de un recocido a 900 ° C durante 20 min en nitrógeno para formar una unión PN. Un SiO 2 de 20 nm de espesor La capa se evaporó sobre la parte frontal de la célula solar para la pasivación de la superficie. Para la pasivación de la superficie trasera, un Al 2 de 10 nm de espesor O 3 La capa se depositó utilizando la técnica de deposición de capa atómica (ALD) (Beneq TFS 200). Se depositó una capa de ITO de 80 nm de espesor sobre la superficie frontal como electrodo frontal. Se evaporó una capa de Al de 2 µm de espesor mediante calentamiento por resistencia como electrodo trasero. Se realizó un recocido térmico en nitrógeno a 425 ° C durante 5 min para finalizar la preparación de la célula solar c-Si. Cabe señalar que en este trabajo nos enfocamos en el efecto de b-Si en la parte trasera sobre la respuesta PV; por lo tanto, la superficie frontal solo tenía una textura leve y no estaba muy grabada para formar b-Si.

Medidas

Los espectros de reflectancia se midieron usando un espectrofotómetro UV-vis-NIR (Shimadzu, UV-3101PC). La morfología de la superficie se midió con un microscopio electrónico de barrido (SEM) (Philips, XL 30). Los parámetros fotovoltaicos de la célula solar se obtuvieron con un simulador solar (Oriel / Newport, modelo 94023A) en condición 1-Sun AM1.5G. La eficiencia cuántica externa (EQE) de la celda solar se adquirió en un sistema QE de Oriel / Newport. Las mediciones de microscopía electrónica de transmisión (TEM) se llevaron a cabo en un sistema JEOL EM-3000. Los espectros de fotoluminiscencia emisora ​​de superficie (PL) se registraron mediante un espectrofotómetro (Ocean Optics USB2000), con un láser He-Cd de 325 nm (Melles Griot, serie de modelos 74) como fuente de excitación. Los potenciales de superficie de p-type Si y b-Si se midieron mediante un sistema de sonda Kelvin (KP Technology SKP5050), la denominada diferencia de potencial de contacto o identificación CPD.

Resultados y discusión

La Figura 1a muestra un esquema de una célula solar de c-Si ligeramente texturizada en la superficie después de pasivaciones delantera y trasera. La Figura 1b muestra un esquema de una célula solar de estructura similar pero con b-Si en la parte trasera. El grosor de la celda solar es de aproximadamente 200 μm.

Esquemas de células solares de c-Si ligeramente texturizadas en la superficie sin ( a ) y con ( b ) b-Si en la parte trasera

La Figura 2a muestra una imagen SEM de vista superior de la superficie frontal texturizada. La Figura 2b muestra una imagen SEM de vista lateral de la superficie de b-Si. La altura media de la nanoestructura del Si texturizado es de 10 ~ 20 nm, mientras que la del b-Si es de ~ 110 nm. La Figura 2c muestra una imagen TEM de alta resolución (HR) de b-Si, donde el Si nanocristalino es discernible como se refleja en las franjas de difracción. Esta cristalinidad de b-Si también está indicada por el patrón SAED (difracción de electrones de área seleccionada) como se muestra en la Fig. 2d.

Imágenes SEM de Si con textura superficial ( a ) y b-Si de superficie grabada ( b ), HRTEM ( c ) y SAED ( d ) de b-Si

La Figura 3a muestra los espectros de absorción para una oblea Si (denominada "Si"), b-Si que mira hacia la luz incidente (denominada "b-Si hacia arriba") y b-Si con su espalda hacia la luz incidente (denominada "b -Si hacia abajo ”). Para "Si", se ve que cuando la energía del fotón es menor que el ancho de banda prohibida de c-Si (1.1 eV), o de manera equivalente, la longitud de onda es mayor que 1100 nm y casi no ocurre absorción como se esperaba. Sin embargo, para "b-Si hacia arriba", además de la gran mejora de la absorción en el rango de 300-1100 nm debido a la fuerte captura de luz por las nanoestructuras de b-Si [1,2,3,4,5, 6, 7, 8, 9, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31], aparece la absorción NIR de sub-banda prohibida. Esta absorción de sub-band gap podría atribuirse a la formación de niveles de impurezas dentro del band gap, lo que permite la absorción de fotones de menor energía [25, 26, 27, 28, 32]. La absorción de la brecha de subbanda puede ser eficaz con la ayuda de la captura de luz [25,26,27,28, 32]. Para "b-Si hacia abajo", la absorción en el rango de 300-1100 nm aumenta en comparación con la de "Si". Se notó que aunque no había Ag depositado en este lado frontal, todavía estaría ligeramente texturizado durante la formación de b-Si en la parte trasera. Esta textura de la superficie reforzó la captura de luz. Se ve que, aunque parte de la banda prohibida NIR se refleja en la superficie frontal, la mayor parte de la absorbancia NIR aún permaneció. Esto es lo que se necesita para desarrollar una célula solar c-Si de respuesta NIR de subbanda en el futuro. La Figura 3b muestra un espectro PL medido de b-Si, y la figura insertada es una fotografía del b-Si bajo la iluminación del láser de 325 nm. No se encuentra ninguna emisión de PL para la oblea de Si. La emisión de PL de b-Si es otra indicación de que existen nanocristales de Si como se muestra en la Fig. 2c [10, 33].

Espectros de absorción de una oblea Si, b-Si que mira hacia la luz incidente y b-Si de espaldas a la luz incidente ( a ). PL de Si y b-Si bajo la iluminación de un láser excitante de 325 nm ( b ). El recuadro muestra el b-Si bajo la iluminación del láser de 325 nm

Ahora investigamos cómo el b-Si en la parte trasera de la celda solar c-Si afectaría su desempeño. A continuación, la célula solar b-Si significa la célula solar c-Si con una capa de b-Si en la parte trasera. A modo de comparación, hemos fabricado cuatro células solares de c-Si, es decir, una célula solar de oblea Si (denominada "oblea"), una célula solar de oblea Si con Al 2 O 3 pasivación en la parte posterior (denominada "oblea + Al 2 O 3 ”), Célula solar b-Si (denominada“ b-Si ”) y célula solar b-Si con Al 2 O 3 pasivación en la parte posterior (denominada "b-Si + Al 2 O 3 ”). Las cuatro células solares han sido texturizadas en la superficie frontal. La densidad-voltaje de corriente ( J - V ) Las curvas de las cuatro células solares se muestran en la Fig. 4a, y sus curvas EQE se muestran en la Fig. 4b. Los parámetros fotovoltaicos correspondientes, incluida la tensión de circuito abierto ( V OC ), densidad de corriente de cortocircuito ( J SC ), factor de relleno (FF) y eficiencia de conversión fotoeléctrica ( η ) se dan en la Tabla 1. En comparación con la celda solar "wafer Si", después de la pasivación posterior por Al 2 O 3 , la celda de "wafer + Al 2 O 3 ”Muestra un rendimiento mucho mejor. El J SC , V OC , FF y η aumentan, y se observa una mejora considerable de EQE en todo el rango de longitud de onda medida. Este resultado es consistente con los informes anteriores, ya que la recombinación de superficie ha sido bien suprimida por Al 2 O 3 pasivación [34,35,36]. Cuando existe la capa de b-Si en la parte trasera, disminuciones significativas en J SC , V OC y η de la célula "b-Si" se esperaría debido a la alta recombinación superficial debido a la gran superficie específica de b-Si, en comparación con la célula "oblea" [15, 22]. Sin embargo, por el contrario, el rendimiento de "b-Si" resulta ser muy mejorado, con su eficiencia incluso cercana a la de "wafer + Al 2 O 3 , ”Y con un aumento relativo del 27,7%. La curva EQE también muestra una mejora considerable de la banda ancha. La recombinación de alta superficie inducida por una gran área superficial parece no ocurrir aquí. Luego pasamos a verificar la celda de "b-Si + Al 2 O 3 ”Y encontrar que después de Al 2 O 3 pasivación en la parte trasera, J SC , V OC , FF y η aumentar aún más y también lo hacen las EQEs. Esto indica que Al 2 O 3 todavía pasiva eficientemente la superficie trasera como en el caso de "wafer + Al 2 O 3 . " El papel desempeñado por b-Si en la parte trasera es inesperadamente interesante y necesita ser explorado más a fondo.

Fotovoltaica J - V ( a ) y curvas EQE ( b ) para las células solares de "wafer", "wafer + Al 2 O 3 , ”“ B-Si ”y“ b-Si + Al 2 O 3 ”

La Figura 5 muestra un diagrama de bandas de energía de la unión PN con b-Si en la parte posterior. Que el mínimo de la banda de conducción de b-Si es 0,4 eV por encima del Si de tipo p resulta de la medición de CPD. Dado que el b-Si crece directamente en el propio Si de tipo p, la distancia entre el nivel de energía de Fermi y el máximo de la banda de valencia debe mantenerse básicamente igual, ya que la concentración de dopaje es la misma [37]. Por lo tanto, la anchura de la banda prohibida de b-Si es mayor que la de la oblea Si. Esto es consistente con la formación de Si nanocristalino, su emisión PL como se muestra en las Figs. 2c y 3b, respectivamente, y el efecto de confinamiento cuántico [38]. Con una banda prohibida graduada en la parte posterior, los electrones libres se expulsarían del b-Si y del electrodo posterior [39]; Mientras tanto, la deriva de los agujeros hacia el electrodo trasero no se ve afectada, como se indica en la Fig. 5. De esa manera, la probabilidad de recombinación de agujeros de electrones en b-Si se puede reducir en gran medida y el problema de la alta recombinación de la superficie se puede evitar de manera eficiente. . La banda prohibida graduada formada explica por qué la celda "b-Si" tiene un rendimiento mucho mejor que la celda "oblea", a pesar de que su área de superficie específica es mucho mayor.

Diagrama de bandas de energía de la unión PN con b-Si en la parte trasera

El papel positivo de b-Si en la parte trasera en la energía fotovoltaica se manifestó además en dispositivos fotovoltaicos estructurados por heterounión, como se indica en la Fig. 6a, b. Como se muestra en la Fig. 6c, para este dispositivo fotovoltaico con b-Si en la parte trasera, el EQE obviamente se mejoró en comparación con el que no tiene b-Si en la parte trasera. La banda prohibida graduada en la interfaz de P-Si y b-Si debería ser responsable de la mejora de EQE [39, 40]. Este resultado es cualitativamente consistente con el de la Fig. 4b. Aunque las configuraciones de PV para la Fig. 4b y la Fig. 6c son diferentes, el papel que juega el b-Si en la parte trasera es básicamente el mismo.

Esquemas de un dispositivo fotovoltaico estructurado por heterounión sin ( a ) y con ( b ) b-Si en la parte trasera y sus curvas EQE ( c )

Conclusiones

Estudiamos la celda solar c-Si con una capa de b-Si en la parte trasera. La celda solar c-Si de tal configuración mostró un rendimiento mucho mejor que una celda solar c-Si de estructura similar pero sin b-Si en la parte trasera. Este resultado se atribuyó a la formación de un intervalo de banda graduado en la parte posterior, que puede reducir en gran medida la probabilidad de recombinación de la superficie en la parte posterior, mejorando así el rendimiento de la célula solar c-Si. El hallazgo de este trabajo se puede aplicar al desarrollo de una celda solar c-Si con respuesta fotovoltaica de banda ancha, incluida la respuesta NIR de brecha de subbanda, en el futuro.


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