Aplicación de matrices de nanoestructura de silicio para células solares monocristalinas y multicristalinas de 6 pulgadas

Introducción

Recientemente, las propiedades ópticas de las nanoestructuras de silicio han atraído una gran atención debido a su excelente efecto de captura de luz, que da como resultado una baja reflexión y mantiene una alta absorción simultáneamente. Este efecto no se puede encontrar en el silicio plano. Las nanoestructuras de silicio se pueden aplicar en diodos [1, 2], biosensores [3, 4], células solares [2, 5,6,7,8,9,10,11,12,13], etc. Además, un investigador aproxima nanoestructuras a capas antirreflectantes para explicar su efecto de captura de luz [12]. Por lo tanto, las nanoestructuras de silicio pueden reemplazar las costosas capas antirreflectantes tradicionales.

Gran parte de la literatura científica ha investigado las características electroquímicas del silicio en solución de iones de flúor [13, 14] y ha utilizado el método asistido por metal para fabricar nanoestructuras en solución para hacer que los procesos sean simples y rápidos. Por lo tanto, adoptamos el grabado químico asistido por metal procesado en solución para fabricar nanoestructuras de silicio [15]. A diferencia de la epitaxia de haz molecular (MBE) [16], la ablación con láser [17], la deposición química de vapor (CVD) [18] y el grabado con iones reactivos (RIE) [19], que dependen de alto vacío y alta energía, El grabado químico asistido por metal puede reducir los costos de fabricación y puede procesarse a temperatura ambiente.

Además, las obleas multicristalinas aserradas con hilo de diamante (DWS) se han utilizado ampliamente en las industrias solares para reducir los costos de fabricación, lo que da como resultado una superficie de oblea brillante, lo que dificulta el mantenimiento de la reflectancia adecuada a través de la textura ácida tradicional. Algunos investigadores utilizan una textura ácida con aditivos adicionales [20]. Además, el método de texturizado RIE se ha estudiado para células solares de campo de superficie posterior de aluminio (Al-BSF) para reducir la reflectancia [21].

Al utilizar el método de grabado químico asistido por metal para fabricar nanoestructuras de silicio, podemos controlar la concentración de oxidante de la solución para determinar la dirección de grabado de las nanoestructuras de silicio y controlar el patrón depositado de metal para lograr la relación de aspecto requerida por las nanoestructuras [14, 15]. Las orientaciones de la superficie y los niveles de dopaje también afectarán la formación de SiNW [22].

Por lo tanto, el empleo de grabado químico asistido por metal procesado en solución para fabricar nanoestructuras de silicio es ventajoso debido a su bajo costo, proceso simple y estructura controlable. Es decir, es muy adecuado para aplicaciones prácticas comerciales. Sin embargo, en la literatura, el grabado químico asistido por metal procesado en solución para formar nanoestructuras de silicio solo se puede utilizar en un área pequeña (p. Ej., ≤ 4 × 4 cm ² ) [9, 22, 23]. Por lo tanto, esta investigación se centra en la cuestión de la uniformidad en las obleas de 6 pulgadas. Exploramos un nuevo enfoque e investigamos los mecanismos para fabricar con éxito nanoestructuras de silicio en obleas comerciales monocristalinas y multicristalinas de tipo P de 6 pulgadas con muy alta uniformidad y baja reflexión a través de una metodología mejorada de grabado químico asistido por metales. También examinamos las morfologías y las características ópticas de las nanoestructuras para demostrar aún más su potencial y viabilidad para futuras aplicaciones comerciales orientadas a la industria.

Finalmente, obleas de Si nanoestructuradas de tipo p multicristalino DWS de 6 pulgadas se someten a células solares sintetizadas de campo de superficie posterior de aluminio de unión p-n (Al-BSF). Además, comparamos el rendimiento de la célula solar con la oblea de referencia de textura ácida.

Para la medición de la característica de voltaje-densidad de corriente de la celda solar, los dispositivos se iluminaron bajo 1 sol AM1.5G 100 mW cm ⁻² utilizando el simulador solar SUN 2000, Abet Technologies, Inc. y medido con el medidor de fuente Keithley 2400. Se observaron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de texturas de matriz de SiNW usando LEO 1530 emisión de campo-SEM. La reflectancia óptica de las matrices de SiNW se midió usando un espectrofotómetro JASCO V-670 UV-V con una esfera integradora. El mapeo de la vida útil de las portadoras minoritarias de las matrices de SiNW se midió con Semilab μ-PCD WT-2000.

Métodos experimentales

Mecanismo para la formación de matrices de nanocables de silicio (SiNW) por MacEtch

El método y flujo de proceso de MacEtch se muestra en la Fig. 1a. La solución de grabado contiene nitrato de plata (AgNO ₃ ) y ácido fluorhídrico (HF); el Ag ⁺ toma el electrón del Si y luego lo oxida en SiO ₂ porque la negatividad electrónica de Ag ⁺ es más grande que el de Si. Además, Peng et al. [24] comparó cualitativamente los potenciales electroquímicos de cinco metales y descubrió que el potencial electroquímico de Ag ⁺ es más grande que la banda de valencia de Si. Por lo tanto, Ag ⁺ tenderá a transferir agujeros a Si y reducir a Ag. En otras palabras, Ag ⁺ tomará electrones del Si y se reducirá [24]. Por lo tanto, el Ag reducido se deposita en la superficie de Si y la superficie se oxida en SiO ₂ . Posteriormente, el HF diluido se utiliza para eliminar el óxido. En consecuencia, el área con Ag depositado se somete a un grabado anisotrópico y luego se forman matrices de SiNW [22].

Ilustración esquemática del principio del método MacEtch ( a ). Flujo de proceso del método MacEtch ( b )

Fabricación de SiNW

En el experimento, el de 6 pulgadas con un tamaño de 156 × 156 mm ² mm Se utilizaron obleas de textura piramidal monocristalina de tipo P (100) y obleas de corte multicristalino de tipo p con un rango de resistividad de 0,5–3 Ω-cm (espesor 180 + 20 / –10 µm). Los tamaños de las pirámides oscilan entre 1 y 10 μm. Para la fabricación de nanoestructuras de silicio en obleas de 6 pulgadas, se utilizó el proceso de solución de MacEtch. El flujo del proceso se muestra en la Fig. 1b. Primero, las obleas se sumergieron respectivamente en acetona, alcohol isopropanol y agua desionizada (DIW) y se limpiaron en un baño ultrasónico durante 3 min y luego se secaron con un golpe de nitrógeno. Posteriormente, las obleas se remojaron en una solución acuosa de AgNO ₃ , HF y H ₂ O en una proporción de 0,6 g:36 ml:120 ml durante 3 min y 19 sa temperatura ambiente para grabar la matriz SiNW [13]. La concentración de la solución acuosa de AgNO ₃ y HF es 23 mM y 6,4 M, respectivamente, según la condición de grabado.

La influencia física adicional debe tenerse en cuenta cuando se utiliza el método MacEtch para formar SiNW en obleas de silicio de 6 pulgadas, para garantizar matrices de SiNW uniformes a gran escala. Posteriormente, se comparan dos métodos de fabricación. Para el método 1, la solución cuantitativa de grabado MacEtch se vierte primero en el recipiente de grabado grande y luego, la oblea se coloca en el recipiente de grabado grande con la solución MacEtch, que también es un método tradicional para el grabado de obleas en áreas pequeñas (<4 × 4 cm ² ) [9, 22, 25] como se muestra en la Fig. 2. Para el método 2, se utiliza un método de grabado modificado con un soporte especialmente diseñado para obleas a gran escala para lograr nanoestructuras de silicio uniformes a gran escala y reducir la falta de uniformidad del grabado. a medida que aumenta el tamaño de la oblea y el soporte puede colocar 4 piezas de obleas de 6 pulgadas, el flujo del proceso se muestra en la Fig. 3. Los números 1 y 2 anotados en la figura representan la secuencia de poner la solución de grabado y la oblea de silicio, respectivamente. , en recipientes grandes. Posteriormente, las obleas se sumergieron en una solución de ácido nítrico diluido (HNO3) durante 1 minuto para eliminar el resto de las dendritas de plata. Finalmente, todas las muestras se remojaron en una solución diluida de HF durante 1 min para eliminar los óxidos de la superficie y luego se secaron con un golpe de nitrógeno.

Diagramas esquemáticos de los pasos de MacEtch para el método 1 ( a - d )

Diagramas esquemáticos de los pasos de MacEtch para el método 2 ( a - c ). Fotos con el soporte especial ( d , e )

Fabricación de celda solar Al-BSF de 6 pulgadas

En cuanto a la fabricación de células solares de Al-BSF, elegimos obleas de silicio multicristalino (mc-Si). La resistividad de la oblea es de 2 Ω-cm, su espesor es de 180 μm y su área es de 156 × 156 mm ² de tamaño. La Figura 4 muestra el flujo de proceso de la celda de Al-BSF como referencia y SiNW [26].

Flujo de proceso para la fabricación de campo de superficie posterior de aluminio de área completa serigrafiado industrial convencional (Al-BSF) para células solares de referencia y SiNW

Las obleas se limpian con agua desionizada (agua desionizada), acetona (ACE), solución de piraña (H ₂ SO ₄ :H ₂ O ₂ ) e isopropanol (IPA) durante 5 a 10 min cada uno, grabado de daños por sierra (SDE) con una solución de KOH al 20% en peso a 60 ° C durante 7 min, y una solución estándar de HF / ácido nítrico / ácido acético (HNA) mezclada en la relación de volumen 1:3:5 para texturización de 5 minutos como grupo de referencia.

Otro grupo de prueba formó SiNW a través de MacEtch descrito en la sección "Mecanismo para la formación de matrices de nanocables de silicio (SiNW) por MacEtch", una difusión de POCl3 a 850 ° C durante 30 min para formar una capa emisora ​​de N + y la profundidad fue de 0,3 mm en el superficie frontal. Una resistencia de hoja de 75 Ω / sq. Después del proceso de difusión, sumergimos la oblea de silicio en un HF diluido durante 5 minutos para eliminar el vidrio de silicato de fósforo (PSG). Una capa de espesor de película de ~ 70 nm SiNx:H formada a partir de la deposición de vapor químico mejorada con plasma (PECVD) para recubrimiento antirreflectante y pasivación, la metalización utiliza el método de serigrafía estándar Ag-paste y Al-paste, frontal plateado y posterior de aluminio electrodo y co-disparo sucesivamente. En total, se están procediendo a dos grupos.

Resultados y discusión

El método para lograr matrices SiNW uniformes en sustratos de Si de 6 pulgadas

Para el método 1, el ión de plata cuantitativo se distribuye uniformemente primero en el recipiente grande cuando se vierte la solución de grabado cuantitativo en él y se coloca la oblea en la solución. Fig. 2b. Sin embargo, cuando la oblea grande se coloca en la solución de grabado, la solución de grabado responderá a una fuerza de resistencia. Esta fuerza hará que la solución de grabado no se distribuya inmediatamente de manera uniforme sobre la superficie de la oblea, sino que se difunda lentamente desde los bordes y esquinas de la oblea hasta su centro, como se muestra en la Fig. 2c. En este momento, Ag ⁺ en la solución comienza a reaccionar con la esquina de la oblea y las regiones del borde, lo que provoca que la solución Ag ⁺ concentración disminuya y luego provoque un grabado no uniforme de la oblea. Más tarde, a pesar de la concentración restante de Ag ⁺ en la solución, se distribuye uniformemente sobre la oblea de silicio para grabar, como se muestra en la Fig. 2d, y no se pueden obtener las matrices de SiNW uniformes. El resultado se muestra en la Fig. 5a para las matrices de SiNW fabricadas a partir del método 1 que muestra que el SiNW no es uniforme. El centro y las esquinas de la oblea son investigados por SEM, como se muestra en la Fig. 5b, c. Las imágenes SEM tienen el mismo aumento. La oblea ya contenía una estructura piramidal con alturas que iban de 1 a 10 μm, por lo que se investiga la estructura SiNW formada por el método MacEtch en pirámides. Las matrices de SiNW alrededor del centro de la oblea se muestran en la Fig. 5b. Sólo se formaron unas pocas matrices SiNW. Por otro lado, las matrices de SiNW cerca de las esquinas de la oblea se muestran en la Fig. 5c. La profundidad de la estructura SiNW aumenta. Por lo tanto, la inspección y el análisis a simple vista o imágenes SEM revelan que las matrices SiNW formadas por el método 1 tienen baja uniformidad.

Forma de estructura SiNW por método 1. a Vista superior de una oblea de 6 pulgadas con estructura SiNW. b Vista en sección transversal SEM de la estructura SiNW en el centro de la oblea. c Vista en sección transversal SEM de la estructura SiNW en la esquina de la oblea

En el método 1, el Ag + comienza a reaccionar primero con la esquina y el borde de la oblea, lo que resulta en la reducción de la concentración de Ag + en la solución y luego causa un grabado no uniforme de la oblea.

Para el método 2, mejoramos el efecto modificando los pasos de MacEtch con un soporte para aumentar la uniformidad de SiNW de la superficie. Posteriormente, en este método, la oblea con un soporte se coloca primero en un recipiente grande, como se muestra en la figura 3b, y luego, la solución de grabado se vierte rápida y uniformemente sobre la oblea y el recipiente. De esta manera, la superficie de la oblea de silicio a gran escala puede tocar la misma concentración de Ag + al mismo tiempo, haciendo que la estructura de SiNW grabada sea uniforme. A continuación, la oblea se empapa en HNO3 para eliminar las dendritas de plata restantes y luego se sumerge en HF diluido para eliminar el óxido de la superficie. Las estructuras de SiNW formadas por el método 2 se muestran en la Fig. 6a. De la figura, la estructura de SiNW tiene buena uniformidad. El SEM también se usa para inspeccionar la estructura de la superficie, como se muestra en la Fig. 6b; la longitud de SiNW es 470 nm ¹¹ y la densidad es 3,02 × 1011 cm ⁻² .

Forma de estructura SiNW por el método 2. a Vista superior de una oblea de 6 pulgadas con estructura SiNW. b Vista en sección transversal SEM de la estructura SiNW

Análisis de la estructura de SiNW grabada y su uniformidad de superficie

Morfología de la superficie de obleas de Si de 6 pulgadas

Modificamos los pasos de MacEtch para obtener estructuras de SiNW uniformes a gran escala de 6 pulgadas, a fin de reducir el efecto del tiempo y la diferencia de concentración de Ag ⁺ contacto con la superficie de la oblea. Aquí, el método MacEtch mejorado se aplica en obleas monocristalinas y multicristalinas a gran escala de 6 pulgadas para fabricar estructuras de SiNW, como se muestra en la Fig. 7. Después de que las matrices de SiNW se hayan formado con éxito en obleas de 6 pulgadas, Se investiga la morfología de la superficie antes y después de que se formaran las matrices de SiNW. Las Figuras 7 ayc son obleas monocristalinas y multicristalinas de tipo P de 6 pulgadas antes de convertirse en matrices de SiNW grabadas, respectivamente. Las figuras 7 byd son matrices de SiNW formadas en las mismas condiciones de fabricación que se describen en el experimento. Se forman utilizando el método MacEtch mejorado y las matrices SiNW se graban al mismo tiempo. Por lo tanto, las estructuras de matriz de SiNW uniformes se fabrican con éxito en obleas de 6 pulgadas mediante la adopción de un método MacEtch mejorado. Además, este método demuestra que se puede aplicar a diferentes sustratos de orientación de cristal, como obleas monocristalinas y multicristal.

Antes y después de la estructura de SiNW grabada en obleas de Si monocristalino y multicristalino de 6 pulgadas. un , b Antes y después del grabado de obleas monocristalinas. c , d Antes y después del grabado de obleas multicristalinas

Imágenes SEM de matrices SiNW

Las imágenes SEM se utilizan para observar la morfología de SiNW en superficies de obleas. La figura 8a es la vista superior de la estructura de matriz piramidal / SiNW formada en una oblea monocristalina de tipo P, y la estructura de matriz piramidal / SiNW ampliada se muestra en la figura 8b. Se puede observar claramente que la densidad de SiNW en la parte superior de la pirámide es menor que en la parte inferior. Esto se debe a que la parte superior de la pirámide entra en contacto con mucha más solución de grabado y luego se deposita más metal Ag en la superficie. Por lo tanto, el SiNW grabado tiene menor densidad.

Vista superior de imágenes SEM. un , b Estructura de matriz piramidal / SiNW en una oblea monocristalina de tipo P. c , d Estructura de matriz SiNW en oblea multicristalina tipo P

Por el contrario, las Fig. 8 cyd son matrices de SiNW en una oblea multicristalina de tipo P. De hecho, la figura 8d es la imagen ampliada de la figura 8c. Para el sustrato multicristalino, las diferentes orientaciones de SiNW se pueden observar claramente, y la dimensión de un SiNW y su grupo son de 1 a 10 micrones. El SiNW está inclinado en ángulo con el sustrato en el lado izquierdo de la figura 8d, pero los SiNW están alineados verticalmente con el sustrato en el lado derecho de la figura 8d. La teoría de la rotura del enlace inverso se puede utilizar para explicar por qué la orientación de grabado de MacEtch no está alineada verticalmente con el sustrato [15, 20, 22, 25]. Un átomo de Si tiene dos enlaces posteriores en la superficie de un sustrato (100), pero tiene tres enlaces posteriores en la superficie de los sustratos (110) o (111). Además, si hay más uniones posteriores, es más difícil de grabar o eliminar. Por lo tanto, el átomo de Si en un sustrato (100) es más fácil de eliminar, y la solución de grabado tenderá a elegir la dirección <100> para el grabado, lo que dará como resultado diferentes orientaciones de las matrices de SiNW.

Las diferentes orientaciones de las matrices de SiNW exhiben diferentes colores de superficie bajo la observación a simple vista, como se muestra en la Fig. 7d. Esto se debe a que un sustrato de Si multicristalino contiene varias orientaciones de cristales, como se muestra en la Fig. 7c, lo que da como resultado diferentes orientaciones de grabado de SiNW y diferentes efectos antirreflectantes. Además, después de que las matrices de SiNW se forman en una oblea multicristal, los límites de las diferentes direcciones de los cristales se pueden distinguir por diferentes orientaciones de SiNW, como se representa con la línea discontinua en la Fig. 8d.

Espectros de reflectancia

Aquí se examina la propiedad óptica de las matrices de SiNW fabricadas. La reflectancia de diferentes puntos de una oblea de estructura de matriz de pirámide monocristalina / SiNW de tipo P de 6 pulgadas se muestra en la Fig. 9. Los puntos medidos están en el centro ya 6 cm del centro de la oblea de 6 pulgadas. La reflectancia óptica de todos los puntos medidos es inferior al 6% para el rango de longitud de onda de 400 a 1000 nm, la reflectancia más baja es del 3% a una longitud de onda de 500 nm y el SiNW en la pirámide tiene un diámetro constante de 1 micra. Esto muestra que esta estructura tiene una excelente propiedad antirreflectante. Además, el mapeo de reflectancia para diferentes puntos en la Fig.9 se muestra en la Fig.10, en la que diferentes puntos medidos tienen casi la misma reflectancia:el promedio para el centro es 4.358%, la posición 1 es 4.266%, la posición 2 es 4.328% , la posición 3 es 4.263% y la posición 4 es 4.265%. El delta está dentro del 22%. Esto demuestra que los diferentes puntos de las matrices de pirámides monocristalinas / SiNW de tipo P de 6 pulgadas tienen una propiedad óptica coherente y, al mismo tiempo, también demuestra que tienen una uniformidad muy alta mediante el uso de la técnica MacEtch mejorada para formar matrices de SiNW .

Reflectancia total de diferentes puntos de oblea de estructura de matriz de pirámide monocristalina / SiNW de tipo P de 6 pulgadas. El recuadro marca el área medida en el centro y a 6 cm del centro

Mapeo de reflectancia de diferentes puntos de pirámide monocristalina tipo P de 6 pulgadas / oblea de estructura de matrices SiNW

De manera similar, se mide la reflectancia de diferentes puntos de una oblea de estructura de matriz multicristalina de corte / SiNW de tipo P de 6 pulgadas, como se muestra en la Fig.11, y corresponde a los puntos negro oscuro y negro claro en la Fig. 7d. La reflectancia del área negra oscura es menor que la del área negra clara. Además, las estructuras del lado derecho e izquierdo de la Fig. 8d pueden corresponder a puntos negros oscuros y negros claros, respectivamente. La reflectancia de las matrices de SiNW alineadas verticalmente es menor que la de las matrices de SiNW que están ligeramente inclinadas hacia el sustrato. Esto se debe a que las matrices de SiNW alineadas verticalmente pueden reflejar la luz de manera eficaz varias veces entre SiNW para disminuir la reflexión y aumentar la absorción. Por lo tanto, las matrices de SiNW alineadas verticalmente pueden mantener una buena propiedad de captura de luz. En general, la reflexión es inferior al 10% de 400 a 1000 nm de longitud de onda, y la reflexión más baja es del 4% a 400 nm. Además, la diferencia de reflectancia de diferentes colores de superficie es inferior al 5%, como el 1% a 400 nm y el 5% a 1000 nm para el negro oscuro con un diámetro de SiNW de 1 a 2 μm; para el negro claro con un grupo de SiNW de 7 a 10 μm, y la reflectancia promedio es de aproximadamente el 10%. Esto muestra que las diferentes orientaciones de la estructura y el grupo de SiNW influyen en la diferencia en el efecto de captura de luz. Además, la diferencia máxima de reflectancia para la estructura de matriz de pirámide monocristalina / SiNW de tipo P en la Fig. 9 y la estructura de matriz de SiNW de corte / SiNW de tipo P multicristalino en la Fig. 11 es de aproximadamente 5%. Esto verifica que la técnica MacEtch mejorada es muy adecuada para fabricar estructuras de matriz de SiNW en obleas a gran escala, independientemente de si son silicio monocristalino o multicristalino.

Reflectancia total de diferentes puntos de la oblea de estructura de matriz multicristalina cortada / SiNW tipo P de 6 pulgadas

Además, los pasos MacEtch mejorados propuestos en este documento se utilizan para crear matrices SiNW en diferentes tamaños de obleas. Bajo las mismas condiciones de fabricación, se forma la estructura de matriz de pirámide monocristalina / SiNW de tipo P. El tamaño de las obleas es de 1,5 cm x 1,5 cm y 6 pulgadas, y luego, se mide y compara la reflectancia, como se muestra en la Fig. 12, en la que la diferencia de reflexión es inferior al 1%. Esto muestra que podemos fabricar con éxito casi las mismas matrices de SiNW en obleas a gran y pequeña escala y mantener propiedades ópticas idénticas al mismo tiempo. Además, de la Fig. 9, el reflejo de diferentes puntos de las obleas de 6 pulgadas demuestra que pueden mantener una alta uniformidad de las matrices de SiNW incluso cuando se aumenta el tamaño de la oblea de Si.

Reflectancia total de la estructura de matriz de pirámide / SiNW monocristalina de tipo P formada en 1,5 × 1,5 cm ² y obleas de 6 pulgadas

La influencia de la estructura de SiNW en la vida útil de las compañías minoritarias

A continuación, inspeccionamos el efecto causado por las matrices de SiNW a medida que el área de superficie cambia de una pirámide o superficie cortada a matrices de nanoestructura. El método μ-PCD se adopta para medir la vida útil del portador minoritario efectivo no pasivado de obleas cortadas en forma de pirámide monocristalina tipo P y multicristalina tipo P de 6 pulgadas. Los datos de mapeo de antes y después de la fabricación de las matrices de SiNW se muestran en la Fig. 13, y la vida útil media efectiva de la portadora minoritaria está marcada en las figuras. La vida útil de P-mono disminuye ligeramente de 2,55 a 2,11 μs, y la vida útil de P-multi también disminuye ligeramente de 1,51 a 1,37 μs. Con un tipo P mono o múltiple, después de usar el método MacEtch mejorado para formar la estructura SiNW, la vida útil efectiva del portador disminuye. Esto se debe a que el área superficial efectiva aumenta debido al SiNW grabado sobre un sustrato de silicio. Luego, la probabilidad de recombinación de la superficie aumenta, lo que da como resultado una disminución de la vida útil de los portadores minoritarios, como se muestra en la Tabla 1.

Medición de μ-PCD para mapear la vida útil de las portadoras minoritarias en obleas de 6 pulgadas

A partir de la ecuación de vida útil efectiva del portador minoritario. 1, conduce a

$$ \ frac {1} {\ tau _ {\ mathrm {eff}}} =\ frac {1} {\ uptau _ {\ mathrm {bulk}}} + \ frac {2 {S} _ {\ mathrm {eff} }} {W} $$ (1) $$ {S} _ {\ mathrm {eff}} \ le \ frac {W} {2 {\ uptau} _ {\ mathrm {eff}}} $$ (2)

donde τ _ef es la vida útil efectiva de la portadora, τ _masivo es la vida útil del granelero, S _ef es la velocidad de recombinación superficial efectiva (SRV), y W es el grosor de la oblea.

Porque el τ _masivo es el mismo para antes y después de ser grabadas matrices de SiNW en monocristales de tipo N o multicristales de tipo P, Eq. (1) se puede simplificar a la ecuación. (2) y luego la influencia de τ _masivo se puede quitar. Además, los sustratos de las obleas tienen cada uno un grosor de 180 µm; por lo tanto, de la ecuación. (2), S _ef tiene una correlación negativa con τ _ef . Posteriormente, para diferentes estructuras, el promedio τ _ef y calculado S _ef se muestran en la Tabla 1 utilizando la ecuación simplificada. (2). Se puede observar que el τ _ef tiene una correlación negativa con la S simplificada _ef . En conclusión, las matrices de SiNW grabadas pueden aumentar en gran medida el área de superficie del efecto antirreflectante para aumentar la captación de luz. Sin embargo, las matrices SiNW reducirán τ _ef y aumentar S _ef de la oblea, lo que reducirá el rendimiento de la célula solar. Por lo tanto, el efecto causado por las matrices de SiNW debe considerarse para aplicaciones de células solares.

Rendimiento de la celda solar multicristalina de Al-BSF SiNW

En cuanto al rendimiento del dispositivo de células solares, esas células se miden con iluminación AM 1,5G con una potencia de 100 mW cm ² derivado de un simulador solar y los parámetros de la celda se resumen en la Tabla 2. Se fabricaron celdas solares de SiNW de gran área y de referencia con textura ácida con estructura basada en Al-BSF con un proceso de celda estándar industrial, y el grupo de prueba promedio de celdas de SiNW logró Eficiencia de celda del 17,83%. En comparación con el dispositivo de referencia, la celda solar con SiNWs obtuvo una ganancia de aproximadamente 0,6% en eficiencia, lo que es una ganancia significativa para una celda industrial. La propiedad eléctrica de la densidad de corriente de cortocircuito ( J _sc ), voltaje de circuito abierto ( V _oc ) y el factor de relleno (FF) también se mejoran. La diferencia de rendimiento se atribuye a la menor reflectancia proporcionada por los SiNW y conduce a una ganancia del 1,2% de J _sc y 1,35% de ganancia V _oc , que mejora la captura y absorción de la luz en un rango de longitud de onda corta de 300 a 400 nm. La ganancia de FF podría atribuirse al área de contacto más alta de los SiNW con electrodos de Al en comparación con las superficies normales de textura ácida. La ganancia de eficiencia se puede mejorar aún más con un mejor método de pasivación para las células SiNW.

Conclusiones

Podemos utilizar con éxito los pasos mejorados de MacEtch para fabricar matrices SiNW a gran escala en obleas de 6 pulgadas. Para la oblea de silicio monocristalino tipo P de 6 pulgadas, se pueden formar estructuras de matriz de pirámide / SiNW uniformes y de baja reflexión a gran escala, porque la reflexión es inferior al 6% en longitudes de onda de 400 a 1000 nm y la reflexión más baja es aproximadamente el 3% a una longitud de onda de 500 nm. Además, los experimentos han demostrado que el tamaño del sustrato tiene muy poca influencia en la reflexión de SiNW, que es menor al 1%. Para la oblea de silicio multicristalino de tipo P de 6 pulgadas, las diferentes orientaciones de los cristales de la superficie provocan diferentes orientaciones de grabado de las matrices de SiNW e influyen en la reflexión y los diversos colores de la superficie. La reflexión es inferior al 10% en longitudes de onda de 400 a 1000 nm, y la reflexión más baja es de alrededor del 4% a una longitud de onda de 400 nm. In addition, the μ-PCD method is adapted to measure the effective minority carrier lifetime of 6-inch P-type mono-crystalline pyramided and P-type multi-crystalline as-cut wafers. We found that the increased surface area of SiNW structures decreases the effective carrier lifetime (τ _ef ) of wafers. Here, we use the improved solution-processed MacEtch to form large-scale, uniform SiNW arrays on commercial 6-inch wafers. Regarding cell performance, the device with SiNW arrays has reach averaged of 17.83%, and better J _sc , V _oc , and FF were observed. The improvement is attributed to the SiNW structure’s low reflectance. This process has the advantages of low cost, high compatibility, simplicity, and high throughput. As such, it is very suitable for commercially practical applications in the industry.

Disponibilidad de datos y materiales

No aplica

Abreviaturas

FESEM:

Microscopio electrónico de barrido por emisión de campo

MacEth:

Grabado químico asistido por metales

SiNW:

Silicon nanowire

μ-PCD FESEM:

Microwave photoconductive decay

Matrices de nanohojas de CoMoSe4 3D convertidas directamente a partir de matrices de nanohojas de CoMoO4 procesadas hidrotermalmente mediante un proceso de selenización asistido por plasma hacia un e… Nanohojas de disulfuro de titanio de función dual cargadas con resveratrol y dirigidas a mitocondrias para quimioterapia de tumores activada por fototermia