Reduzindo armadilhas de interface com tratamento de hidrogênio de alta densidade para aumentar a eficiência da célula de contato traseira do emissor passivado

Resumo

Neste trabalho, um tratamento com hidrogênio de alta densidade (HDH) é proposto para reduzir armadilhas de interface e aumentar a eficiência do dispositivo de contato traseiro do emissor passivado (PERC). O gás hidrogênio é comprimido a pressão (~ 70 atm) e temperatura relativamente baixa (~ 200 ° C) para reduzir armadilhas de interface sem alterar qualquer outra parte do processo de fabricação original do dispositivo. A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) confirmou o aprimoramento da ligação Si-H e a espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) confirmou as armadilhas de interface SiN / Si após o tratamento HDH. Além disso, medições elétricas de condutância-voltagem são medidas e extraídas para verificar a densidade de interceptação de interface (Dit). Além disso, a densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), a resistência em série (Rs) e o fator de preenchimento (F.F.) são analisados com uma fonte de luz simulada de 1 kW M ⁻² espectro AM1.5 global para confirmar o aumento na eficiência da célula. A eficiência quântica externa (EQE) também é medida para confirmar o aprimoramento na eficiência de conversão entre diferentes comprimentos de onda. Por fim, é proposto um modelo para explicar o resultado experimental antes e depois do tratamento.

Introdução

As células solares são uma das muitas energias renováveis do mundo e são consideradas as mais capazes de substituir a energia petroquímica de transição. Existem vários tipos de células solares baseadas em diferentes sistemas de materiais, como silício [1,2,3], perovskita [4, 5] ou compostos III-V [6, 7]. Dentre eles, a célula solar à base de silício é comumente utilizada por seu baixo custo, alta estabilidade e excelente eficiência de até 26% [8,9,10]. O dispositivo de contato traseiro do emissor passivado (PERC) é considerado um dos dispositivos potenciais para substituir células solares de campo de superfície posterior (BSF) [11, 12]. Em 1983, o Prof. Martin Green propôs pela primeira vez uma célula PERC na University of New South Wales (UNSW), cujo conceito era combinar o emissor e a camada de passivação traseira para reduzir os defeitos de interface e aumentar a eficiência da célula. Embora o emissor PERC e a camada de passivação traseira possam passivar os defeitos da interface, a qualidade do filme do emissor ou da camada de revestimento anti-reflexo (ARC) afeta a interface [13,14,15].

De acordo com trabalhos anteriores, além de melhorar a qualidade do filme fino para reduzir armadilhas de interface, o tratamento pós-recozimento é outro método para diminuir defeitos [16,17,18]. Um pós-tratamento de formação de recozimento de gás em nitrogênio (95%) e hidrogênio (5%) a 400 ° C é usado para reduzir armadilhas de interface com hidrogênio e aumentar a eficiência da célula. Infelizmente, tal tratamento requer reação a aproximadamente 400 ° C, uma temperatura muito alta para células solares, como heterojunção com camada fina intrínseca (HIT), que são fabricadas em temperaturas abaixo de 200 ° C.

Neste trabalho, propomos um tratamento adequado de hidrogênio de alta densidade (HDH) para reduzir as armadilhas de interface entre a camada de passivação do emissor e a camada de Si tipo n sem a necessidade de alterar qualquer elemento adicional de fabricação do dispositivo. Semelhante à pesquisa anterior, o tratamento HDH é usado para passivar os defeitos usando íons de hidrogênio. O resultado experimental sugere um aumento da ligação Si – H após o tratamento HDH, de acordo com a espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e espectrometria de massa de íons secundários (SIMS). Além disso, as medições elétricas incluindo condutância, densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), resistência em série (Rs) e fator de preenchimento (F.F.) são extraídas para confirmar a redução da densidade de estado (Dit) e o aumento da eficiência da célula. Finalmente, também propusemos um modelo para ilustrar melhor os efeitos do tratamento com HDH na célula solar PERC.

Métodos Experimentais

Fabricação de célula solar PERC

O processo de fabricação do PERC é ilustrado abaixo. O silício Czochralski tipo p é usado como substrato com uma espessura de aproximadamente 150 μm. A solução de KOH é usada para gravar a superfície do substrato de Si e formar a morfologia da textura da pirâmide da superfície. Para formar a junção p-n, POCl ₃ é usado para se difundir na superfície do substrato de Si e formar a camada do tipo n. Em seguida, a camada de passivação de SiN do emissor é depositada por meio de deposição química de vapor (CVD) como uma camada de revestimento anti-reflexo (ARC). Depois que a camada ARC é depositada, a solução de HF é usada para remover a camada posterior do tipo n. Então, o Al ₂ O ₃ camada é depositada como a camada de passivação traseira com uma espessura de 25 nm por deposição de camada atômica (ALD). A camada de SiN com 95 nm de espessura é então depositada por CVD. Após a finalização do processo de passivação traseira, a ablação a laser é aplicada nas ranhuras de corte para a preparação do processo de serigrafia do eletrodo superior de prata (Ag) usado na camada ARC, enquanto o alumínio (Al) é usado no eletrodo inferior. Finalmente, o dispositivo é aquecido em um processo de queima para garantir o contato adequado entre o metal e o semicondutor. A estrutura do dispositivo PERC é mostrada na Fig. 1.

Fluxo do processo de fabricação de PERC e estrutura de célula de contato traseiro do emissor passivado (PERC)

Tratamento HDH

O tratamento HDH é então aplicado ao dispositivo PERC. O processo de tratamento de HDH é mostrado na Fig. 2. O gás hidrogênio é usado como fonte de tratamento e é bombeado para a câmara de reação que contém o dispositivo PERC. Em seguida, o gás é comprimido a 70 atm e a temperatura de reação é ajustada para 200 ° C durante 1 h. O gás é então bombeado para terminar o tratamento HDH.

Fluxo do processo de tratamento de hidrogênio de alta densidade (HDH)

Caracterização do material

Bruker VERTEX 70v FTIR é usado para analisar a ligação Si – H antes e depois do tratamento e ION-TOF, TOF-SIMS V é usado para analisar a razão de hidrogênio na interface SiN / Si.

Caracterização elétrica

As características I-V e G-V são medidas com um analisador de semicondutor Agilent B1500 e estação de sonda Cascade M150 em uma caixa escura para condições de luz e escuridão. Os parâmetros de eficiência (Jsc, Rs e fator de preenchimento) são extraídos em uma fonte de luz simulada de 1 kW M ⁻² espectro AM1.5 global a 25 ° C. A eficiência quântica externa da célula solar QEX10 (EQE) é usada para analisar a eficiência de 300 a 1200 nm.

Resultado e discussão

A camada de passivação de SiN do emissor com e sem o tratamento HDH é examinada usando uma análise FTIR. Conforme mostrado na Fig. 3, o SiN com e com tratamento HDH exibe 3350 cm ⁻¹ da ligação de alongamento N – H e 2165 cm ⁻¹ da ligação de alongamento Si – H [19,20,21]. No entanto, as taxas de intensidade de pico de absorção das ligações N – H e Si – H são aumentadas após o tratamento, o que implica que o hidrogênio é injetado na camada de SiN.

Filme fino da camada de passivação de SiN do emissor medido com o espectro FTIR

A fim de confirmar que o tratamento com HDH reduz as armadilhas da interface SiN / Si, a espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) é usada para confirmar a distribuição de hidrogênio [22, 23]. Na Fig. 4, como a camada de SiN é depositada usando CVD, a intensidade do hidrogênio nesta camada de SiN é maior do que no Si. Após o tratamento, embora a intensidade do hidrogênio não seja obviamente aumentada em massa, a intensidade é claramente aumentada na interface SiN e Si, e este resultado indica que o tratamento HDH reage na interface SiN / Si.

Filme fino da camada de passivação de SiN do emissor medido com SIMS

Para confirmar ainda mais a diferença em Dit entre a camada emissora de SiN e o substrato de p-Si após o tratamento de HDH na Fig. 5, a estrutura Al / SiN / p-Si / Al metal-isolador-semicondutor (MIS) é fabricada. Como a interface SiN e p-Si possui uma grande quantidade de defeitos, o resultado G-V pode ser aplicado para extrair a densidade de armadilha da interface (Dit) [24]. A equação da condutância é dada como:
$$ \ frac {Gp} {\ omega} =\ frac {D_ {it} \ omega {\ tau} _ {it}} {1 + {\ omega} ^ 2 {\ tau} _ {it} ^ 2} $$ (1)

O dispositivo Al / SiN / p-Si / Al é analisado pela característica de condutância-tensão com armadilhas de interface

onde ω é a frequência angular, τ é o tempo de vida da operadora e Gp é a condutância dependente da frequência. Para simplificar a Eq. 1, o Dit está relacionado à condutância, e o pico de condutância é reduzido após o tratamento, o que sugere que o tratamento com HDH pode reduzir as armadilhas da interface PERC.

Em seguida, as medições elétricas são realizadas no dispositivo de célula PERC em condições de luz e escuridão. A polarização do dispositivo é aplicada ao eletrodo inferior de Al, enquanto o eletrodo superior é aterrado. A faixa de varredura da tensão é de -1 a 0,75 V. A Figura 6 mostra a característica I-V em condições de escuridão. O vazamento atual é reduzido significativamente após o tratamento com HDH, com a proporção da diminuição sendo de cerca de 0,5 pedidos. Além disso, no lado direito da característica I-V, a curvatura da corrente ligada está reduzida após o tratamento. Também extraímos a curva I-V e a convertemos como o fator ideal seguindo a equação da corrente do diodo:
$$ I ={I} _s \ left [\ mathit {\ exp} \ left (\ frac {qV} {nkT} \ right) -1 \ right] $$ (2)

Análise das características I-V sob condições escuras com vazamento de corrente e fator ideal.

onde eu _s é a corrente de saturação, q é a cobrança eletrônica, V é a tensão aplicada, n é o fator ideal, k é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura absoluta. A Equação 2 pode ser ainda mais simplificada em \ (I ={I} _s \ left [\ mathit {\ exp} \ left (\ frac {qV} {nkT} \ right) -1 \ right] \); quando o n valor é próximo a 1, a corrente ligada está perto da corrente de difusão. Quando o n valor próximo a 2, isso significa que a corrente ligada está próxima da corrente combinada [25]. Após o tratamento, a inclinação da corrente ligada é reduzida de 1,5 para 1,42, o que significa que a corrente ligada fica próxima da corrente de difusão após o tratamento devido à diminuição do número de defeitos.

Para examinar melhor as características elétricas, os parâmetros de eficiência (Jsc, Rs e fator de preenchimento) são extraídos em uma fonte de luz simulada de 1 kW M ⁻² espectro AM1.5 global a 25 ° C. Após o tratamento com HDH, a eficiência média é aumentada de 17,3 para 18,2%, conforme mostrado na Fig. 7a. O Jsc também aumenta de 37,6 para 38,2 mA, conforme mostrado na Fig. 7b. Além disso, o Rs foi reduzido de 0,712 para 0,487 após o tratamento, como na Fig. 7c. Já o fator de preenchimento aumenta de 70,5 para 73,3, conforme mostrado na Fig. 7d.

Características PERC I-V para a eficiência, b densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), c resistência em série (Rs) e d fator de preenchimento (F.F.)

A fim de confirmar a eficiência de conversão em diferentes faixas de comprimento de onda, a eficiência quântica externa (EQE) é usada para analisar o comprimento de onda de 300 a 1200 nm [26, 27]. Conforme mostrado na Fig. 8, a eficiência quântica antes do tratamento com HDH tem um EQE médio de 94% entre 400 e 600 nm. No entanto, após o tratamento com HDH, podemos obter um resultado de EQE ainda maior. Os resultados mostram um aumento de 97% entre 400 e 600 nm, que é induzido pela supressão das armadilhas da interface SiN / Si do emissor.

A eficiência quântica externa (EQE) é medida de 300 a 1200 nm

Finalmente, propomos um modelo para explicar os efeitos do HDH no dispositivo PERC. O emissor PERC da estrutura de Si do tipo Ag / SiN / n e a relação com a estrutura de armadilha da interface SiN / Si são demonstrados na Fig. 9. Quando o par elétron-buraco é gerado na junção pn, induzido pela luz, o elétron se move ao eletrodo superior Ag. Se houver armadilhas de interface na interface SiN / Si, elas ajudarão na recombinação de elétrons com lacunas. Para reduzir as armadilhas de interface, o tratamento HDH é aplicado ao dispositivo PERC, com gás de alta pressão sendo usado para injetar hidrogênio no dispositivo e reagir com a interface. Após o tratamento, as ligações de hidrogênio com a ligação oscilante na interface SiN / Si e as armadilhas de interface são reduzidas. Portanto, a recombinação diminui, o que reduz o vazamento de corrente e aumenta o Jsc e a eficiência da célula.

Emissor PERC de estrutura de Si tipo Ag / SiN / n e estrutura de armadilha de interface SiN / Si no início e após o tratamento

Conclusão

Neste estudo, o tratamento com HDH é proposto com sucesso para reduzir armadilhas de interface e aumentar a eficiência do dispositivo. O espectro FTIR mostra que a ligação Si – H é aprimorada e o pico de voltagem de condutância diminui após o tratamento. Portanto, o número reduzido de interceptações de interface leva a uma redução na fuga de corrente e o valor do fator ideal também é diminuído. Além disso, a eficiência é aprimorada após o tratamento, e Jsc, Rs e fator de preenchimento são aumentados. Finalmente, o resultado do EQE demonstra um aprimoramento do comprimento de onda curto, que é uma evidência de uma redução nas interceptações da interface do emissor.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão disponíveis com os autores por meio de uma solicitação razoável.

Abreviações

HDH:: Tratamento de hidrogênio de alta densidade
PERC:: Célula de contato traseiro do emissor passivado
FTIR:: Espectroscopia infravermelha com transformada de Fourier
SIMS:: Espectrometria de massa de íon secundário
Dit:: Densidade de trap de interface
Jsc:: Densidade de corrente do circuito
Rs:: Resistência em série
F.F .:: Fator de preenchimento
EQE:: Eficiência quântica externa
BSF:: Campo de superfície posterior
UNSW:: Universidade de New South Wales
ARC:: Revestimento anti-reflexo
CVD:: Deposição de vapor químico
ALD:: Deposição de camada atômica
MIS:: Estrutura de metal-isolante-semicondutor

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