Uma investigação em uma célula solar de silício cristalino com camada de silício preta na parte traseira

Resumo

Célula solar de Si cristalino (c-Si) com camada preta de Si (b-Si) na parte traseira foi estudada a fim de desenvolver células solares de c-Si com resposta fotovoltaica de sub-band gap. O b-Si foi feito por corrosão química. A célula solar c-Si com b-Si na parte traseira teve um desempenho muito melhor do que aquela de estrutura semelhante, mas sem b-Si na parte traseira, com a eficiência sendo aumentada relativamente em 27,7%. Este achado foi interessante porque o b-Si tinha uma grande área de superfície específica, o que poderia causar alta recombinação da superfície e degradação do desempenho da célula solar. Uma lacuna de banda graduada foi encontrada se formando na parte traseira da célula solar c-Si com a camada b-Si na parte traseira. Este intervalo de banda graduado tendia a expelir elétrons livres para longe da parte traseira, reduzindo assim a probabilidade de recombinação elétron-buraco em b-Si e melhorando o desempenho da célula solar c-Si.

Histórico

O Si altamente gravado na superfície que foi carregado ou dopado com íons metálicos ou não metálicos pode exibir uma absortividade forte e de banda larga [1,2,3,4,5,6]. Este tipo de Si, ou Si preto (b-Si), tem atraído muita atenção por seu potencial de aplicação em fotovoltaicos de resposta de banda larga [7,8,9]. Até o momento, as investigações da célula solar b-Si têm se concentrado em uma configuração de tal forma que a camada b-Si está na frente da célula solar [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ] Neste caso, os pares de elétron-buraco induzidos pela absorção de sub-banda próximo ao infravermelho (NIR) na camada b-Si estão longe da zona de junção PN e não podem ser decompostos pelo campo embutido para se tornarem portadores de carga, tornando impossível a resposta fotovoltaica NIR de intervalo de sub-banda. É então concebido que se a camada de b-Si for colocada na parte traseira, os pares de elétron-buraco induzidos por absorção NIR poderiam ser decompostos pelo campo interfacial Si / óxido na parte traseira [20] ou por um campo embutido lá se uma configuração de contato traseiro interdigitado (IBC) for adotada [21], fazendo com que a resposta fotovoltaica (PV) de tal célula solar cristalina (c) -Si se estenda para a faixa de intervalo de sub-banda NIR. Infelizmente, a grande área de superfície específica de b-Si geralmente causaria alta recombinação de superfície, o que degradaria gravemente o desempenho da célula solar [10, 15, 22]. Portanto, antes de começarmos a estudar a resposta NIR do gap de sub-banda da célula solar c-Si, é necessário saber o quão grande poderia ser a recombinação da superfície de b-Si e como minimizar ou evitar sua influência [23]. Neste trabalho, estudamos a resposta PV da célula solar c-Si com b-Si na parte traseira e exploramos a física subjacente às nossas observações.

Métodos

Materiais

Wafer de Si tipo P <100> (CZ, polimento de dupla face, 10 × 10 × 0,2 mm ³ no tamanho, 1–10 Ω cm) foi usado como o substrato. O wafer de Si foi limpo por ultrassom e, em seguida, mergulhado em HF diluído (1%), seguido de condicionamento em NaOH / álcool / H ₂ Solução O (0,5 g / 200 ml / 200 ml) a 90 ° C por 15 min para texturizar levemente a superfície para anti-reflexo e, em seguida, enxaguar em água desionizada. Para preparar b-Si na parte traseira, uma camada de Ag com espessura aparente de 3 nm foi evaporada sobre uma superfície do substrato de Si como catalisador por aquecimento por resistência em uma câmara de vácuo feita em casa com pressão de base inferior a 5 × 10 ^{- 4} Pa. Depois de imergir o wafer de Si em um HF (40%):H ₂ O ₂ (30%):H ₂ O =solução 1:5:10 por 120 s em temperatura ambiente, uma camada de b-Si foi formada naquela superfície de Si ou na parte traseira da célula solar. Uma pasta de fósforo foi então depositada na outra superfície de Si ou na frente da célula solar, seguida de recozimento a 900 ° C por 20 min em nitrogênio para formar uma junção PN. Um SiO ₂ de 20 nm de espessura camada foi evaporada na frente da célula solar para passivação de superfície. Para a passivação da superfície traseira, um Al ₂ de 10 nm de espessura O ₃ camada foi depositada usando a técnica de deposição de camada atômica (ALD) (Beneq TFS 200). Uma camada de ITO de 80 nm de espessura foi depositada na superfície frontal como o eletrodo frontal. Uma camada de Al de 2 μm de espessura foi evaporada por aquecimento por resistência como o eletrodo traseiro. Um recozimento térmico em nitrogênio a 425 ° C por 5 min foi conduzido para finalizar a preparação da célula solar c-Si. Deve-se ressaltar que neste trabalho nos concentramos no efeito do b-Si na retaguarda na resposta do PV; portanto, a superfície frontal foi apenas ligeiramente texturizada e não altamente gravada para formar b-Si.

Medições

Os espectros de refletância foram medidos usando um espectrofotômetro UV-vis-NIR (Shimadzu, UV-3101PC). A morfologia da superfície foi medida com um microscópio eletrônico de varredura (MEV) (Philips, XL 30). Os parâmetros fotovoltaicos da célula solar foram obtidos com um simulador solar (Oriel / Newport, modelo 94023A) na condição 1-Sun AM1.5G. A eficiência quântica externa (EQE) da célula solar foi adquirida em um sistema QE de Oriel / Newport. As medições de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram realizadas em um sistema JEOL EM-3000. Os espectros de fotoluminescência emissora de superfície (PL) foram registrados por um espectrofotômetro (Ocean Optics USB2000), com um laser He-Cd de 325 nm (Melles Griot, modelo série 74) como fonte de excitação. Os potenciais de superfície de Si tipo p e b-Si foram medidos por um sistema de sonda Kelvin (KP Technology SKP5050), a chamada diferença de potencial de contato ou identificação CPD.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra um esquema de uma célula solar c-Si com textura ligeiramente superficial após as passivações frontal e traseira. A Figura 1b fornece um esquema de uma célula solar de estrutura semelhante, mas com b-Si na parte traseira. A espessura da célula solar é de aproximadamente 200 μm.

Esquemas de células solares c-Si com textura ligeiramente superficial sem ( a ) e com ( b ) b-Si na parte traseira

A Figura 2a mostra uma imagem SEM de vista superior da superfície frontal texturizada. A Figura 2b fornece uma imagem SEM em vista lateral da superfície de b-Si. A altura média da nanoestrutura do Si texturizado é de 10 ~ 20 nm, enquanto a do b-Si é de ~ 110 nm. A Figura 2c mostra uma imagem TEM de alta resolução (HR) de b-Si, onde o Si nanocristalino é discernível conforme refletido pelas franjas de difração. Esta cristalinidade de b-Si também é indicada pelo padrão SAED (difração de elétrons de área selecionada), como mostrado na Fig. 2d.

Imagens SEM de Si de superfície texturizada ( a ) e b-Si gravado na superfície ( b ), HRTEM ( c ), e SAED ( d ) de b-Si

A Figura 3a fornece os espectros de absorção para um wafer Si (denominado "Si"), b-Si que está voltado para a luz incidente (denominado "b-Si para cima") e b-Si com suas costas voltadas para a luz incidente (denominado "b -Si para baixo ”). Para “Si,” é visto que quando a energia do fóton é menor que a largura do gap de c-Si (1,1 eV), ou equivalentemente, o comprimento de onda é maior que 1100 nm e quase nenhuma absorção ocorre como esperado. No entanto, para "b-Si para cima", além do grande aumento de absorção na faixa de 300-1100 nm devido à forte captura de luz pelas nanoestruturas de b-Si [1,2,3,4,5, 6,7,8,9,24,25,26,27,28,29,30,31], aparece a absorção do sub-band gap NIR. Esta absorção de sub-band gap pode ser atribuída à formação de níveis de impureza dentro do band gap, o que permite a absorção de fótons de menor energia [25,26,27,28, 32]. A absorção de gap de sub-banda pode ser eficiente com o auxílio de captura de luz [25,26,27,28, 32]. Para "b-Si para baixo", a absorção na faixa de 300-1100 nm aumenta em comparação com "Si". Percebeu-se que embora não houvesse Ag depositado neste lado frontal, ele ainda seria ligeiramente texturizado durante a formação de b-Si na parte traseira. Essa texturização de superfície reforçou o aprisionamento de luz. É visto que embora parte da lacuna de sub-banda NIR seja refletida na superfície frontal, a maior parte da absorvância de NIR ainda permaneceu. Isso é o que é necessário para desenvolver uma célula solar c-Si de resposta NIR de intervalo de sub-banda no futuro. A Figura 3b fornece um espectro de PL medido de b-Si, e a figura inserida é uma fotografia do b-Si sob a iluminação do laser de 325 nm. Nenhuma emissão PL é encontrada para o wafer de Si. A emissão de PL de b-Si é outra indicação de que existem nanocristais de Si, conforme mostrado na Fig. 2c [10, 33].

Os espectros de absorção de um wafer Si, b-Si que fica de frente para a luz incidente e b-Si de costas para a luz incidente ( a ) PL de Si e b-Si sob iluminação de um laser de excitação de 325 nm ( b ) A inserção mostra o b-Si sob iluminação do laser de 325 nm

Agora investigamos como o b-Si na parte traseira da célula solar c-Si afetaria seu desempenho. A seguir, a célula solar b-Si significa a célula solar c-Si com uma camada de b-Si na parte traseira. Para comparação, fizemos quatro células solares c-Si, ou seja, uma célula solar wafer Si (denominada "wafer"), célula solar wafer Si com Al ₂ O ₃ passivação na parte traseira (denominado “wafer + Al ₂ O ₃ ”), Célula solar b-Si (denominada“ b-Si ”) e célula solar b-Si com Al ₂ O ₃ passivação na retaguarda (denominado “b-Si + Al ₂ O ₃ ”). Todas as quatro células solares foram texturizadas na superfície frontal. A tensão-densidade de corrente ( J - V ) curvas das quatro células solares são mostradas na Fig. 4a, e suas curvas EQE são mostradas na Fig. 4b. Os parâmetros PV correspondentes, incluindo tensão de circuito aberto ( V _OC ), densidade de corrente de curto-circuito ( J _SC ), fator de preenchimento (FF) e eficiência de conversão fotoelétrica ( η ) são dados na Tabela 1. Em comparação com a célula solar "wafer Si", após a passivação traseira por Al ₂ O ₃ , a célula de “wafer + Al ₂ O ₃ ”Mostra um desempenho muito melhor. O J _SC , V _OC , FF e η são aumentados, e um aprimoramento considerável de EQE é visto em toda a faixa de comprimento de onda medida. Este resultado é consistente com os relatórios anteriores, pois a recombinação da superfície foi bem suprimida por Al ₂ O ₃ passivação [34,35,36]. Quando a camada b-Si existe na parte traseira, diminuições significativas em J _SC , V _OC , e η da célula "b-Si" seria esperado por causa da alta recombinação de superfície devido à grande área de superfície específica de b-Si, em comparação com a célula "wafer" [15, 22]. No entanto, ao contrário, o desempenho de “b-Si” acabou sendo muito melhor, com sua eficiência até próxima da de “wafer + Al ₂ O ₃ , ”E tendo um aumento relativo de 27,7%. A curva EQE também mostra um aprimoramento considerável da banda larga. A recombinação de alta superfície induzida por grandes áreas de superfície parece não acontecer aqui. Em seguida, verificamos a célula de “b-Si + Al ₂ O ₃ ”E descobrir que depois de Al ₂ O ₃ passivação na parte traseira, J _SC , V _OC , FF e η aumentar ainda mais e o mesmo acontece com os EQEs. Isso indica que Al ₂ O ₃ ainda passiva de forma eficiente a superfície traseira como no caso de “wafer + Al ₂ O ₃ . ” O papel desempenhado por b-Si na parte traseira é inesperadamente interessante e precisa ser mais explorado.

Fotovoltaico J - V ( a ) e curvas EQE ( b ) para as células solares de “wafer”, “wafer + Al ₂ O ₃ , ”“ B-Si, ”e“ b-Si + Al ₂ O ₃ ”

A Figura 5 mostra um diagrama de banda de energia da junção PN com b-Si na parte traseira. Que a banda de condução mínima de b-Si é 0,4 eV acima daquela de Si tipo p resulta da medição de CPD. Uma vez que o b-Si é diretamente cultivado no próprio p-tipo Si, a distância entre o nível de energia de Fermi e o máximo da banda de valência deve ser mantida basicamente a mesma, pois a concentração de dopagem é a mesma [37]. Portanto, a largura do gap de b-Si é maior do que a do wafer Si. Isso é consistente com a formação de Si nanocristalino, sua emissão de PL, conforme mostrado nas Figs. 2c e 3b, respectivamente, e o efeito de confinamento quântico [38]. Com tal diferença de banda graduada na parte traseira, os elétrons livres seriam expelidos para longe do b-Si e do eletrodo traseiro [39]; entretanto, a deriva dos orifícios em direção ao eletrodo traseiro não é afetada, conforme indicado na Fig. 5. Dessa forma, a probabilidade de recombinação elétron-orifício em b-Si pode ser amplamente reduzida e o problema de alta recombinação de superfície pode ser evitado de forma eficiente . O gap graduado formado explica porque a célula “b-Si” tem um desempenho muito melhor do que a célula “wafer”, embora sua área de superfície específica seja muito maior.

Diagrama de banda de energia da junção PN com b-Si na parte traseira

O papel positivo de b-Si na parte traseira em fotovoltaicos foi ainda manifestado em dispositivos fotovoltaicos estruturados de heterojunção como indicado na Fig. 6a, b. Conforme mostrado na Fig. 6c, para este dispositivo PV com b-Si na parte traseira, o EQE foi obviamente aprimorado em comparação com aquele sem b-Si na parte traseira. O gap graduado na interface de P-Si e b-Si deve ser responsável pelo aprimoramento do EQE [39, 40]. Este resultado é consistente qualitativamente com o da Fig. 4b. Embora as configurações PV para a Fig. 4b e a Fig. 6c sejam diferentes, o papel desempenhado pelo b-Si na parte traseira é basicamente o mesmo.

Esquemas de um dispositivo fotovoltaico estruturado de heterojunção sem ( a ) e com ( b ) b-Si na parte traseira e suas curvas EQE ( c )

Conclusões

Estudamos a célula solar c-Si com uma camada de b-Si na parte traseira. A célula solar c-Si com tal configuração mostrou um desempenho muito melhor do que uma célula solar c-Si de estrutura semelhante, mas sem b-Si na parte traseira. Este resultado foi atribuído à formação de um gap gradativo na parte traseira, o que pode reduzir em grande parte a probabilidade de recombinação da superfície na parte traseira, melhorando assim o desempenho da célula solar c-Si. A descoberta deste trabalho pode ser aplicada ao desenvolvimento de uma célula solar c-Si com resposta PV de banda larga, incluindo a resposta NIR de intervalo de sub-banda, no futuro.

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