Mejora de la eficiencia de celdas PERC mediante la minimización de trampas de interfaz con tratamiento de hidrógeno de alta densidad

Resumen

En este trabajo se propone un tratamiento con hidrógeno de alta densidad (HDH) para reducir las trampas de interfaz y mejorar la eficiencia del dispositivo de contacto posterior con emisor pasivado (PERC). El gas de hidrógeno se comprime a una presión de ~70 atm y a una temperatura relativamente baja (~200 °C) para reducir las trampas de interfaz sin alterar ninguna otra parte del proceso de fabricación original del dispositivo. La espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) confirmó la mejora del enlace Si–H, y la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) confirmó las trampas de interfaz SiN/Si tras el tratamiento HDH. Además, se midieron y extrajeron características eléctricas de conductancia-tensión para verificar la densidad de trampas de interfaz (Dit). Por otro lado, se analizaron la densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), la resistencia serie (Rs) y el factor de forma (F.F.) con una fuente de luz simulada de 1 kW m⁻² con espectro global AM1.5 para confirmar el aumento de la eficiencia de la celda. También se midió la eficiencia cuántica externa (EQE) para confirmar la mejora en la eficiencia de conversión entre diferentes longitudes de onda. Finalmente, se propone un modelo para explicar los resultados experimentales antes y después del tratamiento.

Introducción

Las celdas solares son una de las muchas energías renovables en el mundo y se consideran las más capaces de reemplazar la energía petroquímica tradicional. Existen varios tipos de celdas solares basados en diferentes sistemas de materiales, como silicio [1,2,3], perovskita [4,5] o compuestos III-V [6,7]. Entre ellas, la celda solar basada en silicio es la más utilizada por su bajo costo, alta estabilidad y excelente eficiencia, que alcanza hasta el 26 % [8,9,10]. El dispositivo de contacto posterior con emisor pasivado (PERC) se considera uno de los dispositivos potenciales para reemplazar a las celdas 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 consistía en combinar el emisor y la capa de pasivación posterior para reducir los defectos de interfaz y aumentar la eficiencia de la celda. Aunque la capa de pasivación del emisor y la posterior en PERC pueden pasivar los defectos de interfaz, la calidad de la película del emisor o de la capa antirreflectante (ARC) afecta a la interfaz [13,14,15].

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

En este trabajo proponemos un tratamiento adecuado de hidrógeno de alta densidad (HDH) para reducir las trampas de interfaz entre la capa de pasivación del emisor y la capa de Si tipo n sin necesidad de alterar ningún elemento adicional de la fabricación del dispositivo. Al igual que en investigaciones previas, el tratamiento HDH se utiliza para pasivar los defectos usando iones de hidrógeno. Los resultados experimentales sugieren una mejora del enlace Si–H tras el tratamiento HDH, según mediciones de espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR) y espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). Además, se extraen mediciones eléctricas que incluyen conductancia, densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), resistencia serie (Rs) y factor de forma (F.F.) para confirmar la reducción de la densidad de estados (Dit) y el aumento de la eficiencia de la celda. Finalmente, también proponemos un modelo para ilustrar mejor los efectos del tratamiento HDH en la celda solar PERC.

Métodos experimentales

Fabricación de celdas solares PERC

El proceso de fabricación PERC se ilustra a continuación. Se utiliza silicio tipo p Czochralski como sustrato con un espesor de aproximadamente 150 µm. La solución de KOH se usa para grabar la superficie del sustrato de Si y formar la morfología de textura piramidal. Para formar la unión p-n, se utiliza POCl₃ para difundirse en la superficie del sustrato de Si y formar la capa tipo n. Luego, la capa de pasivación SiN del emisor se deposita mediante deposición química de vapor (CVD) como capa antirreflectante (ARC). Tras depositar la capa ARC, se usa solución de HF para eliminar la capa tipo n del lado posterior. A continuación, se deposita la capa de Al₂O₃ como capa de pasivación posterior con un espesor de 25 nm por deposición de capas atómicas (ALD). Luego se deposita una capa de SiN de 95 nm de espesor mediante CVD. Finalizado el proceso de pasivación posterior, se aplica ablación láser para cortar ranuras en preparación para el proceso de serigrafía del electrodo superior de plata (Ag) sobre la capa ARC, mientras que el aluminio (Al) se usa para el electrodo inferior. Finalmente, el dispositivo se calienta en un proceso de disparo (firing) para asegurar un contacto adecuado entre metal y semiconductor. La estructura del dispositivo PERC se muestra en la Fig. 1.

Tratamiento HDH

El tratamiento HDH se aplica luego al dispositivo PERC. El proceso de tratamiento HDH se muestra en la Fig. 2. El gas de 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 hora. Finalmente, el gas se bombea al exterior para finalizar el tratamiento HDH.

Caracterización de materiales

Se utiliza un Bruker VERTEX 70v FTIR para analizar el enlace Si–H antes y después del tratamiento, y un ION-TOF, TOF-SIMS V para analizar la proporción 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 sondas Cascade M150 en una caja oscura, tanto en condiciones de luz como de oscuridad. Los parámetros de eficiencia (Jsc, Rs y factor de forma) se extraen con una fuente de luz simulada de 1 kW m⁻² con espectro global AM1.5 a 25 °C. Se utiliza un QEX10 Solar Cell para analizar la eficiencia cuántica externa (EQE) de 300 a 1200 nm.

Resultados y discusión

La capa de pasivación SiN del emisor con y sin tratamiento HDH se examina mediante análisis FTIR. Como se muestra en la Fig. 3, tanto el SiN con como sin tratamiento HDH presentan un estiramiento del enlace N–H a 3350 cm⁻¹ y un estiramiento del enlace Si–H a 2165 cm⁻¹ [19,20,21]. Sin embargo, las relaciones de intensidad de los picos de absorción de los enlaces N–H y Si–H se incrementan tras el tratamiento, lo que implica que el hidrógeno se inyecta en la capa SiN.

Para confirmar que el tratamiento HDH reduce las trampas de interfaz SiN/Si, se utiliza espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) para confirmar la distribución del hidrógeno [22,23]. En la Fig. 4, como la capa SiN se deposita mediante CVD, la intensidad de hidrógeno en esta capa es mayor que en el Si. Tras el tratamiento, aunque la intensidad de hidrógeno no aumenta notablemente en el volumen, se incrementa claramente en la interfaz SiN/Si, lo que indica que el tratamiento HDH reacciona en dicha interfaz.

Para confirmar además la diferencia en Dit entre la capa SiN del emisor y el sustrato p-Si tras el tratamiento HDH en la Fig. 5, se fabrica una estructura metal-aislador-semiconductor (MIS) Al/SiN/p-Si/Al. Dado que la interfaz SiN/p-Si tiene gran cantidad de defectos, el resultado G-V puede aplicarse para extraer la densidad de trampas de interfaz (Dit) [24]. La ecuación de conductancia es:

$$ \frac{G_p}{\omega} = \frac{D_{it} \omega \tau_{it}}{1 + \omega^2 \tau_{it}^2} $$ (1)

donde ω es la frecuencia angular, τ es la vida media del portador y Gp es la conductancia dependiente de la frecuencia. Para simplificar la Ec. 1, Dit está relacionada con la conductancia, y el pico de conductancia se reduce tras el tratamiento, lo que sugiere que el tratamiento HDH puede reducir las trampas de interfaz del PERC.

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

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

donde Iₛ es la corriente de saturación, q la carga electrónica, V el voltaje aplicado, n el factor ideal, k la constante de Boltzmann y T la temperatura absoluta. La Ec. 2 puede simplificarse aún más; cuando el valor n se acerca a 1, la corriente de encendido se aproxima a la corriente de difusión. Cuando n se acerca a 2, significa que la corriente de encendido se aproxima a la corriente de recombinación [25]. Tras el tratamiento, la pendiente de la corriente de encendido disminuye de 1,5 a 1,42, lo que indica que la corriente de encendido se acerca a la corriente de difusión tras el tratamiento debido a la disminución del número de defectos.

Para examinar más a fondo las características eléctricas, se extraen los parámetros de eficiencia (Jsc, Rs y factor de forma) con una fuente de luz simulada de 1 kW m⁻² con espectro global AM1.5 a 25 °C. Tras el tratamiento HDH, la eficiencia media aumenta del 17,3 % al 18,2 %, como se muestra en la Fig. 7a. La Jsc también aumenta de 37,6 a 38,2 mA/cm², como en la Fig. 7b. Además, la Rs se reduce de 0,712 a 0,487 Ω·cm² tras el tratamiento, como en la Fig. 7c. En cuanto al factor de forma, aumenta de 70,5 a 73,3 %, como se muestra en la Fig. 7d.

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

Finalmente, proponemos un modelo para explicar los efectos del HDH en el dispositivo PERC. La estructura del emisor PERC Ag/SiN/n-Si y su relación con la estructura de trampas de interfaz SiN/Si se demuestran en la Fig. 9. Cuando se genera un par electrón-hueco en la unión p-n inducido por la luz, el electrón se mueve hacia el electrodo superior de Ag. Si existen trampas de interfaz en la interfaz SiN/Si, estas asistirán la recombinación de electrones con huecos. Para reducir las trampas de interfaz, se aplica el tratamiento HDH al dispositivo PERC, inyectando hidrógeno en el dispositivo con gas a alta presión para que reaccione con la interfaz. Tras el tratamiento, el hidrógeno se une a los enlaces colgantes en la interfaz SiN/Si y se reducen las trampas de interfaz. Por tanto, la recombinación disminuye, lo que reduce la corriente de fuga y mejora la Jsc y la eficiencia de la celda.

Conclusiones

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

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están disponibles a petición razonable a los autores.

Abreviaturas

HDH:

Tratamiento de hidrógeno de alta densidad (High-density hydrogen treatment)

PERC:

Celda de contacto posterior con emisor pasivado (Passivated emitter rear contact cell)

FTIR:

Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (Fourier-transform infrared spectroscopy)

SIMS:

Espectrometría de masas de iones secundarios (Secondary-ion mass spectrometry)

Dit:

Densidad de trampas de interfaz (Interface trap density)

Jsc:

Densidad de corriente de cortocircuito (Short-circuit current density)

Rs:

Resistencia serie (Series resistance)

F.F.:

Factor de forma (Fill factor)

EQE:

Eficiencia cuántica externa (External quantum efficiency)

BSF:

Campo de superficie posterior (Back surface field)

UNSW:

Universidad de Nueva Gales del Sur (University of New South Wales)

ARC:

Capa antirreflectante (Anti-reflection coating)

CVD:

Deposición química de vapor (Chemical vapor deposition)

ALD:

Deposición de capas atómicas (Atomic layer deposition)

MIS:

Estructura metal-aislador-semiconductor (Metal-insulator-semiconductor structure)