Células Solares de Si Cristalino com Camada Traseira de Silício Negro: Eficiência Aumentada via Engenharia de Bandgap Graduado

Resumo

Investigamos células solares de silício cristalino (c-Si) que incorporam camada de silício negro (b-Si) na superfície traseira. Gravação química produziu b-Si nanoestruturado, e sua presença na parte traseira do dispositivo levou a notável aumento relativo de 27,7% na eficiência de conversão de potência comparado a célula equivalente sem camada b-Si. A melhoria é atribuída a bandgap graduado que se forma na traseira, afastando elétrons livres da b-Si de alta área superficial e assim suprimindo recombinação superficial. Este estudo demonstra que camada traseira de b-Si pode ser aproveitada para estender resposta espectral de células solares c-Si para região do infravermelho próximo sub-bandgap.

Introdução

Silício altamente texturizado que foi carregado ou dopado com íons metálicos ou não-metálicos exibe absortividade de banda larga, dando origem ao chamado efeito silício negro (b-Si). Tal Si atraiu atenção para aplicações fotovoltaicas de banda larga. Trabalhos existentes tipicamente colocam camada b-Si na frente da célula, o que impede fótons de infravermelho próximo (NIR) sub-bandgap de gerar portadores de carga utilizáveis porque pares elétron-buraco gerados estão muito distantes da junção PN. Hipotetizamos que posicionar camada b-Si na traseira permitiria que campo embutido na interface Si/óxido, ou campo de contato traseiro interdigitado, separasse portadores gerados por NIR e permitisse fototensão sub-bandgap. No entanto, a grande área superficial específica de b-Si poderia introduzir recombinação superficial severa. Este trabalho explora resposta fotovoltaica de células c-Si com camada traseira b-Si e elucida física subjacente.

Métodos

Materiais

Usamos wafer Si tipo p <100> (CZ, dupla face polida, 10 × 10 × 0,2 mm³, 1–10 Ω·cm). Wafer foi limpo ultrassonicamente, mergulhado em 1% HF, e então gravado em solução NaOH/álcool/H₂O (0,5 g / 200 mL / 200 mL) a 90 °C por 15 min para criar leve textura anti-reflexiva. Para formação de b-Si traseiro, camada de 3 nm de catalisador Ag foi evaporada em uma superfície. Wafer foi então imerso em solução 1:5:10 HF(40%):H₂O₂(30%):H₂O por 120 s a temperatura ambiente, resultando em b-Si nanoestruturado. Pasta fosforosa foi depositada na superfície oposta, seguida por recozimento a 900 °C/20 min em nitrogênio para formar junção PN. Passivação de superfície foi alcançada com 20 nm SiO₂ na frente e 10 nm Al₂O₃ na traseira (esta última por ALD). Eletrodo frontal de 80 nm ITO e eletrodo traseiro de 2 µm Al foram depositados, e célula foi finalmente recozida a 425 °C/5 min em nitrogênio.

Medidas

Espectros de reflectância foram registrados com espectrofotômetro Shimadzu UV-3101PC. Morfologia de superfície foi examinada por SEM Philips XL 30. Parâmetros fotovoltaicos foram medidos usando simulador solar Oriel/Newport 94023A sob AM 1.5G 1 Sun. Eficiência quântica externa (EQE) foi obtida em sistema Oriel/Newport QE. Microscopia eletrônica de transmissão (TEM) empregou JEOL EM-3000. Fotoluminescência (PL) usou Ocean Optics USB2000 com laser He-Cd 325 nm. Medidas de diferença de potencial de contato (CPD) foram realizadas com sonda Kelvin KP Technology SKP5050.

Resultados e Discussão

Figura 1 mostra seções transversais esquemáticas de célula c-Si levemente texturizada com e sem b-Si traseiro. Espessura da célula é ≈ 200 µm.

Imagens SEM (Figura 2) revelam que superfície frontal tem nanoestruturas de 10–20 nm, enquanto b-Si traseiro exibe altura média de ≈ 110 nm. HRTEM confirma Si nanocristalino no b-Si, suportado por padrão SAED.

Espectros de absorção (Figura 3a) demonstram que b-Si voltado para luz incidente aumenta significativamente absorção em 300–1100 nm e introduz absorção NIR sub-bandgap, atribuível a formação de níveis de impureza dentro do bandgap. Quando b-Si volta para longe da luz (b-Si para baixo), absorção permanece alta na faixa 300–1100 nm, indicando que b-Si traseiro ainda pode capturar fótons NIR.

Quatro variantes de dispositivo foram fabricadas: (1) wafer Si; (2) wafer Si + passivação traseira Al₂O₃; (3) b-Si traseiro; (4) b-Si traseiro + Al₂O₃. Dados de corrente-tensão e EQE (Figura 4) revelam que dispositivo wafer + Al₂O₃ supera wafer sem passivação, confirmando supressão efetiva de recombinação superficial. Surpreendentemente, dispositivo b-Si traseiro mostra aumento relativo de 27,7% em eficiência sobre wafer plano, apesar da grande área superficial que normalmente elevaria recombinação. Adicionar Al₂O₃ ao b-Si traseiro further impulsiona desempenho, ressaltando que passivação traseira permanece efetiva. Chave para esta melhoria é bandgap graduado na traseira: mínimo da banda de condução do b-Si está ≈ 0,4 eV acima do Si tipo p (medição CPD), criando barreira que afasta elétrons da b-Si de alta área superficial enquanto permite buracos alcançarem eletrodo traseiro, suprimindo assim recombinação.

Dispositivos PV de hetero junção adicionais (Figura 6) confirmam papel benéfico de b-Si traseiro. EQE do dispositivo b-Si é marcadamente maior que dispositivo sem b-Si, consistente com mecanismo de bandgap graduado.

Conclusões

Incorporar camada de silício negro na traseira de célula solar de silício cristalino melhora dramaticamente desempenho do dispositivo formando bandgap graduado que mitiga recombinação superficial. Ganho de eficiência resultante de 27,7% demonstra viabilidade de b-Si traseiro para estender resposta espectral de células c-Si para região NIR sub-bandgap, pavimentando caminho para tecnologias fotovoltaicas de banda larga.