Celdas de silicio de ultra-alta eficiencia con pasivación pirámide invertida: avance fotovoltaico

Resumen

El texturizado superficial es una de las técnicas más importantes para mejorar el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos (FV). Como textura frontal atractiva, la pirámide invertida (PI) ha atraído gran interés investigador por su superior efecto antirreflejo y características estructurales. En este trabajo, preparamos estructuras de pirámides invertidas (PI) de silicio (Si) de alta uniformidad sobre oblea monocristalina comercial de tamaño estándar 156 × 156 mm² empleando grabado químico asistido por metal (MACE) y grabado anisotrópico alcalino. Combinando texturas PI frontales con pasivación trasera Al₂O₃/SiN_x, fabricamos una novedosa celda PERC (emisor pasivado y celda trasera) basada en PI de Si. Beneficiándose de la superioridad óptica de las PI optimizadas y la mejora del rendimiento eléctrico, logramos alta eficiencia 21,4 % en celda PERC PI-Si, comparable a eficiencia promedio celdas PERC comerciales. La optimización de morfología PI es clave para mejora corriente cortocircuito I_sc de 9,51 A a 9,63 A; simultáneamente, pasivación apilada SiO₂/SiN_x para emisor n⁺ PI-Si y apilada Al₂O₃/SiN_x para superficie trasera garantizan alto voltaje circuito abierto V_oc 0,677 V. Este logro demuestra técnica texturizado competitiva y perspectiva prometedora para producción en masa celdas PERC PI-Si.

Introducción

Mejorar eficiencia es tema eterno industria celda solar, enfocándose en rendimiento óptico y eléctrico. Técnica texturizado frontal es clave para impulsar rendimiento óptico. Pirámide invertida (PI) como estructura atrapa-luz atractiva ha atraído considerable atención por su superior efecto antirreflejo y características estructurales [1-7]. Específicamente, luz entrante onda corta en PI Si sufre triple o más rebotes antes de reflejarse, teniendo uno o más rebotes que pirámides verticales tradicionales [7-9]. Mientras, PI estructurada Si evita pérdidas severas recombinación del Si negro nanoestructurado [10-16] por su característica estructural grande y abierta.

Empleando texturas PI litográficas en frontal y pasivación SiO₂ trasera, grupo Green [17] fabricó celda PERL (emisor pasivado trasero local-difundido) 25,0 % eficiente área 4 cm². Sin embargo, litografía no apta producción masiva por coste, baja capacidad, incompatibilidad. Recientemente, interés investigador gira a pirámides invertidas gran área MACE por ser simple, bajo coste, gran área, compatible línea producción actual [14, 18-21]. Jiang et al. [7] reportaron nanoestructuras PI por MACE seguido reconstrucción nanoestructura post-tratamiento; eficiencia conversión celdas mc-Si PI gran área 156 × 156 mm² alcanzó 18,62 %. Yang et al. [8] usando nanopartículas Cu catalizando grabado químico Si lograron 18,87 % celdas Si PI gran área. Zhang et al. [9] fabricaron celda sc-Si PI microestructura por texturizado alcalino modulado combinado MACE optimizado, alcanzando 20,19 % dispositivo PI texturizado 1 μm gran área. Hasta ahora, rendimientos celdas Si PI gran área no satisfacen por uniformidad gran área morfología PI, control tamaño característica PI, y pasivación dispositivo. Por tanto, texturas PI frontales optimizadas junto pasivación trasera esperan mejorar rendimiento celda.

En este trabajo, fabricamos exitosamente celdas PERC basadas en PI Si con 21,4 % eficiencia, oblea estándar 156 × 156 mm², combinando texturas MACE PI frontales optimizadas con pasivación apilada simultánea SiO₂/SiN_x para emisor n⁺ PI-Si y apilada Al₂O₃/SiN_x para superficie trasera. Clave alto rendimiento: superioridad óptica texturas PI y pérdidas eléctricas reducidas por pasivación simultánea emisor n⁺ PI-Si y superficie trasera. Esta novedosa estructura y técnica celda PERC PI-Si muestra gran potencial producción masiva celdas solares silicio alta eficiencia.

Métodos

Estructura dispositivo PERC PI-Si diseñada: (i) Emisor n⁺ PERC PI-Si pasivado capas apiladas SiO₂/SiN_x (PECVD) Fig. 1a. Estructuras PI buen efecto antirreflejo onda corta por más oportunidades 3+ rebotes; capa apilada SiO₂/SiN_x provee reflectancia más reducida y excelente pasivación emisor n⁺ PI. (ii) Reflector trasero compuesto capas apiladas Al₂O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) y Al serigrafiado Fig. 1a. Capas dieléctricas apiladas optimizan propiedades ópticas onda larga aumentando reflectancia interna trasera manteniendo buena pasivación eléctrica, atribuida a pasivación efecto campo cargas negativas fijas Al₂O₃ y pasivación química átomos H en película SiN_x. En suma, propiedades ópticas y eléctricas consideradas simultáneamente para alto rendimiento PERC PI-Si.

Diseño y proceso PERC PI-Si. a Diagrama tridimensional PERC PI-Si. b Flujo proceso PERC PI-Si.

Obleas c-Si 180 μm 156 mm × 156 mm (100) dopadas boro (1-3 Ω·cm) tipo p usadas sustratos. Tras limpieza estándar, texturas PI preparadas superficie obleas Si: (1) Obleas limpias sumergidas soluciones mixtas AgNO₃ (0,0001 M)/HF (4 M)/H₂O₂ (1 M) 300 s, resultando Si poroso. (2) Obleas Si poroso grabadas NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:6 (volumen) 200 s eliminar NP Ag residuales. (3) Obleas Si poroso modificadas HNO₃:H₂O:HF = 4:2:1 (volumen) preparar nanoagujeros. (4) Texturas pirámides invertidas fabricadas superficie oblea Si grabado anisotrópico NaOH 60 °C 30, 60, 90 s respectivamente.

POCl₃ difunde 40 min 800 °C horno tubo cuarzo y luego emisor n⁺ forma frontal oblea (M5111-4WL/UM, CETC 48º Instituto Investigación). Resistencia hoja emisor n⁺ PI-Si 105-110 Ω·sq⁻¹. Emisor selectivo fabricado frontal oblea por dopaje láser (DR-SE-DY70, DR Laser). Tras pulido superficie trasera, películas pasivación SiO₂ preparadas oxidación térmica frontal obleas Si. Capas pasivación Al₂O₃ depositadas superficie trasera oblea por ALD (PEALD-156, HUGUANG Instrumentos Científicos Pekín) ≈ 30 min 150 °C. Capas PECVD-SiN_x formadas reacción NH₄/SiH₄ (SC-TD-450C). Posteriormente, capas apiladas pasivación trasera oblea PI-Si ablacionadas localmente láser longitud onda 532 nm pulso 10 ps (DR-AL-Y60, DR Laser) formar aperturas línea local 50 μm ancho 1 mm paso. Finalmente, PERC PI-Si proceso serigrafiado comercial (PV1200, DEK) y co-firing (CF-Series, Despatch) formar contactos óhmicos buenos y BSF locales.

Morfologías y estructuras muestras caracterizadas microscopio electrónico barrido JEOL JSM-6390LA. Vida portadores minoritarios medida Sinton WCT-120. Espectros absorción determinados FTIR (Tensor 27, BRUKER). Curva C-V medida analizador impedancia (E4900A, KEYSIGHT). Fotos fotoluminiscencia y electroluminiscencia sistema análisis PL/EL (LIS-R2, BTimaging). Espectros reflectancia, IQE, EQE medidos plataforma medida eficiencia cuántica (QEX10, PV Measurements). Parámetros eléctricos celdas solares investigados medición corriente-tensión (I-V) bajo iluminación AM1.5 (Crown Tech IVTest Station 2000). Eficiencia celda medida tester celda individual BERGER Lichttechnik.

Resultados y Discusión

Figura 2a-e imágenes SEM vista superior diferentes pasos proceso texturizado superficie silicio. Fig. 2a: Si poroso 50-80 nm superficie oblea Si grabado MACE soluciones mixtas AgNO₃/HF/H₂O₂. Posteriormente, Si poroso modificado grabado isótropo soluciones acuosas HF/HNO₃ torna nanoagujeros diámetro 800 nm Fig. 2b. Finalmente, pirámides invertidas micron (PI) diferentes tamaños (Fig. 2c-e) obtenidas hidróxido sodio acuoso 60 °C 30, 60, 90 s. Fig. 2c-e: tamaños PI tres tiempos grabado 30, 60, 90 s ~ 1, 1,3, 1,8 μm, tamaño PI aumenta con tiempo tratamiento alcalino. También notamos PI tienden colapsar y transitar pirámides verticales con aumento tiempo grabado. Conocido: PI ventaja atrapa-luz sobre verticales porque luz sufre 1-2 rebotes extra PI vs. verticales. Por tanto, estructuras menor tiempo grabado aptas texturas atrapa-luz dispositivos FV por ventaja antirreflejo onda corta. Fig. 2f fotos comparadas diferentes estructuras superficie correspondientes Fig. 2a-e.

Morfología estructuras pirámide invertida Si preparadas (Si PI-estru). a SEM Si poroso MACE. b SEM nanoagujeros modificaciones HF/HNO₃. c-e SEM pirámides invertidas (sección transversal inset) grabado NaOH acuoso 60 °C 30, 60, 90 s. f Fotos comparadas diferentes estructuras superficie correspondientes a-e.

Propiedades ópticas Si PI-estru. Reflectancia rango 300-1100 nm (Fig. 3a): Si poroso baja reflexión por excelente atrapa-luz nanoestructuras [22-24]. Nanoagujeros: reflectancia todo rango aumento obvio, atribuido disminución densidad y aumento tamaño nanoagujeros. Tras NaOH 30 s: beneficiando 3-4 rebotes entre planos (111) PI, estructuras PI muestran menor reflexión 300-1100 nm, especialmente 300-500 nm. Aumentando tiempo grabado alcalino, PI mayores tienden pirámides verticales, resultando reflectancia creciente. Cubriendo todas muestras misma capa apilada SiO₂/SiN_x, reflectancia cae drásticamente >10 %, por reflectancia combinada interferencia óptica capas finas apiladas SiO₂/SiN_x y estructuras superficie. En este caso, espectros reflectancia muestras diferentes procesos difieren principalmente 300-600 nm, por diferencia tamaño característica PI. En particular, Si PI-estru cubiertas capas apiladas SiO₂/SiN_x muestran mejor capacidad antirreflejo onda corta que otras, indicando excelentes eficiencias cuánticas externas (EQE) rango onda corta.

Propiedades ópticas Si PI-estru preparadas. a Reflectancia medida diferentes morfologías superficie. b Reflectancia solar promedio R_ave rango 300-1100 nm.

Calculamos reflectividad solar promedio R_ave (Fig. 3b) rango 300-1100 nm y comparamos reflectividad Si PI-estru otras estructuras procesos intermedios Fig. 2a-c. R_ave expresión:

R_ave = ∫_{300 nm}^{1100 nm} R(λ) S(λ) dλ / ∫_{300 nm}^{1100 nm} S(λ) dλ

R(λ) y S(λ) reflectancia medida y distribución espectral fotones solar AM1.5. Fig. 3b: R_ave Si poroso, nanoagujeros, PI, PI con recubrimiento SiO₂/SiN_x: 8,22; 17,96; 15,18 (grupo 1-30 s)/17,35 % (grupo 2-60 s)/20,3 % (grupo 3-90 s); 3,91 % (grupo 1-30 s)/4,48 % (grupo 2-60 s)/5,60 % (grupo 3-90 s). R_ave muestran PI-estru mejor capacidad antirreflejo nanoagujeros y tendencia decreciente con aumento tamaño característica. PI-Estru recubiertas capas apiladas SiO₂/SiN_x: R_ave mínima 3,91 %, revelando estructura atrapa-luz ideal dispositivo FV.

Pasivación apilada SiO₂ (~2 nm)/SiN_x (~75 nm) emisor n⁺ PI-Si efectiva para buen rendimiento eléctrico PERC PI y su efecto/mecanismo pasivación estudiados sistemáticamente trabajo previo [14]. Mostrar superioridad eléctrica capas apiladas Al₂O₃/SiN_x trasera dispositivo, investigamos influencia diferentes recocido y remojo luz en vida efectiva portadores minoritarios (τ_eff) respecto nivel inyección (Δn), Fig. 4a. Obleas Si pulidas vida portadores minoritarios bulk ~350 μs; capas apiladas Al₂O₃/SiN_x depositadas simétricamente ambos lados obleas pulidas. Espesor Al₂O₃ interno ~3 nm, SiN_x externo ~125 nm. Dos recocidos atmósfera aire: 300 °C y 800 °C 15 min. Luego obleas iluminadas 25 °C lámpara halógena rango onda completa intensidad 50 mW cm⁻² 100 s. Fig. 4a: τ_eff 48 μs (300 °C) y 126 μs (800 °C) tras recocido mucho mayores 22 μs τ_eff muestras Al₂O₃/SiN_x depositadas nivel inyección 1,2 × 10¹⁵ cm⁻³.

a τ_eff respecto nivel inyección Δn distintas temperaturas recocido obleas Al₂O₃/SiN_x pasivadas. Línea discontinua nivel inyección un sol. b Espectros FTIR muestras. c Curvas C-V estructura Au/Al₂O₃-SiN_x/Si. d Fotos fotoluminiscencia y electroluminiscencia dispositivos.

Importante: vida minoritaria efectiva muestras recocidas tras 100 s iluminación 230 μs y 150 μs, mucho mayores 126 μs y 48 μs antes iluminación, demostrando clara pasivación superficie c-Si mejorada luz capas Al₂O₃/SiN_x. Efecto atrapamiento carga durante remojo luz [25-28] podría ser mecanismo principal pasivación superficie c-Si mejorada luz Al₂O₃/SiN_x. Al₂O₃ reportado densidad carga fija negativa [29-32]; algunos electrones exceso generados luz probablemente inyectados/tunelados estados trampa película Al₂O₃ interna, resultando mayor pasivación efecto campo. Interesante: efecto pasivación mejorado luz 300 °C recocido mejor que 800 °C, significando remojo luz temperatura recocido baja más efectivo aplicación dispositivo FV.

Estudiar efecto recocido modificación superficie, comparamos espectros absorción FTIR muestras recocidas con muestra depósito. Fig. 4b: enlaces Si-N, Si-O, Si-H, N-H corresponden picos absorción estiramiento números onda ~840, 1070, 2200, 3340 cm⁻¹. Densidades Si-N y Si-O muestran aumento obvio tras recocido; densidad Si-H aumenta ligeramente. Aumentos Si-O y Si-H implican disminución enlaces colgantes interfaz Si/SiO₂, resultando mejor pasivación [33]. Recocido promueve densidad Si-N, indicando estructura más densa que previene difusión H hacia entorno en lugar bulk Si. Temperatura recocido excesiva: H en grupos Si-H y N-H escapa bulk Si y capas dieléctricas a entorno, causando declive efecto pasivación. Resultado FTIR consistente vida minoritaria efectiva.

Entender diferencia mecanismo pasivación recocido térmico vs. remojo luz, analizamos densidad cargas fijas (N_f) y densidad trampas interfaz (N_it) interfaz Si y Al₂O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) apiladas medición capacitancia-tensión (C-V) modelo riguroso metal-óxido-semiconductor (MOS).

N_f obtenida ecuación:

N_f = Q_f / (S × e) = C_OX × (V_MS - V_FB) / (S × e)

V_FB calculada:

V_FB = V_MS - Q_f / C_OX

S área electrodo metal, e carga electrónica, C_OX capacitancia capa dieléctrica, V_MS diferencia función trabajo electrodo metal y Si tipo p, V_FB voltaje banda plana.

Método Lehovec [34] para N_it de curva C-V:

N_it = (C_OX - C_FB) C_FB / (3 (δC/δV)_FB e k T S) - C_OX² / ((C_OX - C_FB) S e²)

(δC/δV)_FB pendiente cerca banda plana valor absoluto. C_FB, e, k capacitancia estructura MOS banda plana, carga electrónica, constante Boltzmann.

Fig. 4c: curva C-V medida capas apiladas Al₂O₃/SiN_x muestra región acumulación, agotamiento, inversión obvias. Según curvas C-V y Ec. (2-4), obtenemos propiedades interfaz estructuras MOS preparadas, Tabla 1.

Tabla 1: Propiedades interfaz estructuras MOS.

Densidades carga fija negativa aumentan orden magnitud tras recocido térmico; densidades estados interfaciales disminuyen significativamente, indicando recocido mejora pasivación química y efecto campo películas dieléctricas. Tras remojo luz, densidades estados interfaciales mismo nivel, mientras densidades cargas fijas negativas aumentan más. Como mencioné, algunos electrones exceso generados luz probablemente inyectados/tunelados estados trampa película Al₂O₃ interna, significando remojo luz mejora pasivación efecto campo película dieléctrica. Aunque N_it alto, muestra 300 °C recocido 100 s remojo luz τ_eff máxima 230 μs por N_f máxima -2,87 × 10¹² cm⁻², indicando pasivación efecto campo ventaja sobre química en este caso.

Fig. 4d fotos fotoluminiscencia y electroluminiscencia celdas PI 1, 1,3, 1,8 μm mismo proceso pasivación. Brillo tres grupos fotos tanto fotoluminiscencia como electroluminiscencia mismo nivel, significando tres grupos dispositivos funcionan igual bien pasivación defectos. Proceso pasivación determina rendimiento eléctrico celda solar en lugar tamaño característica PI, confirmado parámetros salida celdas fabricadas.

Basado excelente rendimiento óptico y eléctrico capas apiladas SiO₂/SiN_x pasivadas frontal emisor n⁺ PI-Si y Al₂O₃/SiN_x pasivadas reflector trasero, fabricamos PERC PI-Si.

Fig. 5a eficiencias cuánticas internas (IQE) y reflexiones frontales PERC PI-Si fabricadas. Grupo 1-30 s (PI grabado alcalino 30 s) muestra menor reflectancia onda corta 300-600 nm por menor tamaño característica PI. Importante: grupo 1-30 s mayor IQE este rango, rindiendo mayor EQE Fig. 5b. Dispositivos muestran casi mismos EQE rango onda larga por mismo nivel reflectancia e IQE. Por tanto, grupo 1-30 s menor tamaño característica mejor rendimiento salida, confirmado curvas I-V y P-V dispositivos (Fig. 5c). Fig. 5d η dispositivo campeón 21,41 %, V_oc 0,677 V, I_sc 9,63 A, FF 80,30 %. Por nuestro conocimiento, mayor η entre celdas solares MACE-PI. Inset Fig. 5d fotografía frontal/trasera dispositivo campeón.

Alto rendimiento PERC PI-Si. a IQE y reflectancia PERC PI-Si diferentes tiempos grabado alcalino. b EQE PERC PI-Si diferentes tiempos grabado alcalino. c Curvas I-V y P-V PERC PI-Si diferentes tiempos grabado alcalino. d Curvas I-V y P-V dispositivo campeón.

Tabla 2 parámetros detallados dispositivos fabricados. Promedio I_sc (9,63 A) grupo 30 s mayor otros dos, por mejor capacidad antirreflejo frontal. Diferencia I_sc determina principalmente rendimientos salida. Además, mayor FF y menor resistencia serie R_s garantizan mayor η grupo 30 s. Cabe notar todos promedio V_oc PERC PI-Si rango 674-676 mV, demostrando misma excelente pasivación frontal/trasera todos grupos. Finalmente, beneficiándose ganancia rendimiento óptico y eléctrico, logramos mayor η 21,4 % celda solar PERC PI-Si.

Tabla 2: Parámetros detallados dispositivos fabricados.

Conclusiones

En conclusión, optimizamos morfologías estructuras PI MACE Si y fabricamos novedosa celda PERC PI-Si tamaño estándar 156 × 156 mm² combinando texturas PI recubiertas capas apiladas SiO₂/SiN_x con pasivación apilada Al₂O₃/SiN_x superficie trasera. Propiedades ópticas: R_ave solar texturas PI recubiertas capas apiladas SiO₂/SiN_x hasta 3,91 %, revelando PI estructura atrapa-luz ideal dispositivo FV. Análisis eléctrico: superficie trasera pulida pasivada capas apiladas Al₂O₃/SiN_x posee τ_eff muy alta 230 μs por tratamiento térmico y remojo luz, demostrando buena pasivación superficie c-Si mejorada luz capas Al₂O₃/SiN_x. FTIR da explicación adicional altas τ_eff superficie trasera pasivada capas apiladas Al₂O₃/SiN_x. Importante: alta densidad carga fija N_f -2,87 × 10¹² cm⁻² obtenida mediciones C-V, revelando fuerte pasivación efecto campo Al₂O₃/SiN_x. Finalmente, beneficiándose excelente rendimiento óptico y eléctrico frontal emisor n⁺ PI-Si y reflector trasero, logramos mayor η 21,4 %, V_oc 0,677 V, I_sc 9,63 A, FF 80,30 %. Logro celda PERC PI-Si alta eficiencia proporciona PI vía efectiva producción masiva celdas solares Si alta eficiencia.

Disponibilidad datos y materiales

Conjuntos datos apoyan conclusiones incluidos en artículo.

Abreviaturas

FV:

Fotovoltaico

PI:

Pirámide invertida

Si:

Silicio

MACE:

Grabado químico asistido por metal

PERC:

Emisor pasivado y celda trasera

PERL:

Emisor pasivado y celda trasera local-difundida

c-Si:

Silicio cristalino

mc-Si:

Silicio multicristalino

PECVD:

Deposición química vapor mejorada plasma

ALD:

Deposición atómica capas

Si PI-estru:

Estructuras pirámide invertida silicio

R_ave:

Reflectancia promedio

EQE:

Eficiencia cuántica externa

τ_eff:

Vida efectiva portadores minoritarios

Δn:

Nivel inyección

FTIR:

Espectroscopía infrarroja transformada Fourier

N_f:

Densidad cargas fijas

N_it:

Densidad trampas interfaz

C-V:

Capacitancia-tensión

IQE:

Eficiencia cuántica interna

V_oc:

Voltaje circuito abierto

I_sc:

Corriente cortocircuito

FF:

Factor llenado

R_s:

Resistencia serie