Aumento da Eficiência de Células PERC pela Minimização de Armadilhas de Interface com Tratamento de Hidrogênio de Alta Densidade

Resumo

Neste trabalho, propõe-se um tratamento com hidrogênio de alta densidade (HDH) para reduzir armadilhas de interface e aumentar a eficiência do dispositivo de contato traseiro passivado do emissor (PERC). O gás hidrogênio é comprimido a uma pressão de ~70 atm e temperatura relativamente baixa (~200 °C) para reduzir armadilhas de interface sem alterar nenhuma outra parte do processo original de fabricação do dispositivo. A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) confirmou o aumento 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-tensão foram realizadas e analisadas para verificar a densidade de armadilhas de interface (Dit). Ademais, a densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), resistência série (Rs) e fator de preenchimento (F.F.) foram analisados com uma fonte de luz simulada de 1 kW m⁻² espectro global AM1.5 para confirmar o aumento da eficiência da célula. A eficiência quântica externa (EQE) também foi medida para confirmar a melhoria na eficiência de conversão entre diferentes comprimentos de onda. Por fim, propõe-se um modelo para explicar os resultados experimentais antes e depois do tratamento.

Introdução

As células solares são uma das muitas energias renováveis no mundo e são consideradas as mais capazes de substituir a energia petroquímica tradicional. Existem vários tipos de células solares baseados em diferentes sistemas de materiais, como silício [1,2,3], perovskita [4, 5] ou compostos III–V [6, 7]. Entre eles, a célula solar baseada em silício é comumente usada por seu baixo custo, alta estabilidade e excelente eficiência de até 26% [8,9,10]. O dispositivo de contato traseiro passivado do emissor (PERC) é considerado um dos dispositivos potenciais para substituir células solares de campo de superfície traseira (BSF) [11, 12]. Em 1983, o Prof. Martin Green propôs pela primeira vez uma célula PERC na Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW), cujo conceito era combinar o emissor e a camada de passivação traseira para reduzir defeitos de interface e aumentar a eficiência da célula. Embora as camadas de passivação do emissor e traseira do PERC possam passivar defeitos de interface, a qualidade do filme do emissor ou da camada de revestimento antirreflexo (ARC) afeta a interface [13,14,15].

Segundo trabalhos anteriores, além de melhorar a qualidade de filmes finos para reduzir armadilhas de interface, o tratamento de recozimento pós-deposição é outro método para diminuir defeitos [16,17,18]. Um tratamento pós-deposição com gás formador 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, temperatura muito alta para células solares como heterojunção com camada intrínseca fina (HIT), fabricadas a temperaturas abaixo de 200 °C.

Neste trabalho, propõe-se um tratamento adequado de hidrogênio de alta densidade (HDH) para reduzir 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 da fabricação do dispositivo. Semelhante a pesquisas anteriores, o tratamento HDH é usado para passivar defeitos usando íons de hidrogênio. O resultado experimental sugere um aumento da ligação Si–H após o tratamento HDH, segundo medições de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e espectrometria de massa de íons secundários (SIMS). Além disso, medições elétricas incluindo condutância, densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), resistência série (Rs) e fator de preenchimento (F.F.) são extraídas para confirmar a redução da densidade de estados (Dit) e o aumento da eficiência da célula. Por fim, também propomos um modelo para ilustrar melhor os efeitos do tratamento HDH na célula solar PERC.

Métodos Experimentais

Fabricação de Célula Solar PERC

O processo de fabricação do PERC é ilustrado a seguir. Silício do tipo-p Czochralski é usado como substrato com espessura de aproximadamente 150 µm. A solução de KOH é usada para gravar a superfície do substrato de Si e formar a morfologia de textura de pirâmide da superfície. Para formar a junção p-n, POCl₃ é usado para difundir na superfície do substrato de Si e formar a camada tipo-n. Em seguida, a camada de passivação SiN do emissor é depositada via deposição química de vapor (CVD) como camada de revestimento antirreflexo (ARC). Após a deposição da camada ARC, solução de HF é usada para remover a camada tipo-n do lado traseiro. Então, a camada de Al₂O₃ é depositada como camada de passivação traseira com espessura de 25 nm por deposição atômica (ALD). A camada de SiN de 95 nm de espessura é então depositada por CVD. Após o processo de passivação traseira, a ablação a laser é aplicada para cortar ranhuras para preparação do processo de serigrafia do eletrodo superior de prata (Ag) usado na camada ARC, enquanto alumínio (Al) é usado para o eletrodo inferior. Finalmente, o dispositivo é aquecido em um processo de queima (firing) para garantir contato adequado entre metal e semicondutor. A estrutura do dispositivo PERC é mostrada na Fig. 1.

Tratamento HDH

O tratamento HDH é então aplicado ao dispositivo PERC. O processo de tratamento HDH é como mostrado na Fig. 2. O gás hidrogênio é usado como fonte de tratamento e bombeado para a câmara de reação contendo o dispositivo PERC. Em seguida, o gás é comprimido a 70 atm e a temperatura de reação é definida em 200 °C por 1 h. O gás é então bombeado para fora para finalizar o tratamento HDH.

Caracterização de Materiais

O FTIR Bruker VERTEX 70v é usado para analisar a ligação Si–H antes e depois do tratamento, e o 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 semicondutores Agilent B1500 e estação de pontas 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 global AM1.5 a 25 °C. O QEX10 Solar Cell de eficiência quântica externa (EQE) é usado para analisar a eficiência de 300 a 1200 nm.

Resultados e Discussão

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

Para confirmar que o tratamento HDH reduz as armadilhas de 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 SiN é depositada usando CVD, a intensidade de hidrogênio nesta camada SiN é maior que no Si. Após o tratamento, embora a intensidade de hidrogênio não aumente obviamente no volume, a intensidade é claramente aumentada na interface SiN e Si, e este resultado indica que o tratamento HDH reage na interface SiN/Si.

Para confirmar ainda mais a diferença em Dit entre a camada SiN do emissor e o substrato p-Si após o tratamento HDH na Fig. 5, a estrutura metal-isolador-semicondutor (MIS) Al/SiN/p-Si/Al é fabricada. Como a interface SiN e p-Si tem grande quantidade de defeitos, o resultado G-V pode ser aplicado para extrair a densidade de armadilhas de interface (Dit) [24]. A equação de condutância é dada como:

$$ \frac{Gp}{\omega }=\frac{D_{it}\omega {\tau}_{it}}{1+{\omega}^2{\tau}_{it}^2} $$ (1)

onde ω é a frequência angular, τ é o tempo de vida do portador, 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 HDH pode reduzir as armadilhas de interface do PERC.

Em seguida, medições elétricas são realizadas no dispositivo de célula PERC em condições de luz e escuridão. O viés do dispositivo é aplicado 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 sob condições de escuridão. A corrente de vazamento é reduzida significativamente após o tratamento HDH, com a razão de diminuição sendo de cerca de 0,5 ordens. Além disso, no lado direito da característica I-V, o pico da corrente direta é reduzido após o tratamento. Também extraímos a curva I-V e a convertemos como fator ideal seguindo a equação da corrente do diodo:

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

onde I_s é a corrente de saturação, q é a carga 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 simplificada; quando o valor de n está próximo de 1, a corrente direta está próxima da corrente de difusão. Quando o valor de n está próximo de 2, isso significa que a corrente direta está próxima da corrente de recombinação [25]. Após o tratamento, a inclinação da corrente direta é reduzida de 1,5 para 1,42, o que significa que a corrente direta está mais próxima da corrente de difusão após o tratamento devido à diminuição no número de defeitos.

Para examinar ainda mais 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 global AM1.5 a 25 °C. Após o tratamento HDH, a eficiência média aumenta de 17,3% para 18,2%, como mostrado na Fig. 7a. O Jsc também aumenta de 37,6 para 38,2 mA, como mostrado na Fig. 7b. Além disso, o Rs foi reduzido de 0,712 para 0,487 após o tratamento, como na Fig. 7c. Quanto ao fator de preenchimento, ele aumenta de 70,5 para 73,3, como mostrado na Fig. 7d.

Para 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]. Como mostrado na Fig. 8, a eficiência quântica antes do tratamento HDH tem um EQE médio de 94% entre 400 e 600 nm. No entanto, após o tratamento HDH, obtemos um resultado de EQE ainda maior. Os resultados mostram um aumento para 97% entre 400 e 600 nm, induzido pela supressão das armadilhas de interface do emissor SiN/Si.

Por fim, propomos um modelo para explicar os efeitos do HDH no dispositivo PERC. O emissor PERC de estrutura Ag/SiN/n-tipo Si e a relação com a estrutura de armadilha de interface SiN/Si são demonstrados na Fig. 9. Quando o par elétron-buraco é gerado na junção p-n, induzido pela luz, o elétron se move para o eletrodo superior de Ag. Se houver armadilhas de interface na interface SiN/Si, elas auxiliarão a recombinação do elétron com buracos. 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, o hidrogênio se liga à ligação pendente na interface SiN/Si e as armadilhas de interface são reduzidas. Portanto, a recombinação diminui, o que reduz a corrente de vazamento e aumenta o Jsc e a eficiência da célula.

Conclusão

Neste estudo, o tratamento 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 aumentada e o pico de condutância-tensão diminui após o tratamento. Portanto, a redução no número de armadilhas de interface leva a uma redução na corrente de vazamento, e o valor do fator ideal também diminui. Além disso, a eficiência é aumentada após o tratamento, e Jsc, Rs e fator de preenchimento são aumentados. Finalmente, o resultado de EQE demonstra uma melhoria no comprimento de onda curto, que é evidência de uma redução nas armadilhas de interface do emissor.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados estão disponíveis dos autores mediante solicitação razoável.

Abreviações

HDH:

Tratamento de hidrogênio de alta densidade

PERC:

Célula de contato traseiro passivado do emissor

FTIR:

Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier

SIMS:

Espectrometria de massa de íons secundários

Dit:

Densidade de armadilhas de interface

Jsc:

Densidade de corrente de curto-circuito

Rs:

Resistência série

F.F.:

Fator de preenchimento

EQE:

Eficiência quântica externa

BSF:

Campo de superfície traseira

UNSW:

Universidade de Nova Gales do Sul

ARC:

Revestimento antirreflexo

CVD:

Deposição química de vapor

ALD:

Deposição atômica

MIS:

Estrutura metal-isolador-semicondutor