Emissor passivado com base em pirâmide invertida de silício de alta eficiência e células traseiras

Resumo

A texturização de superfície é uma das técnicas mais importantes para melhorar o desempenho de dispositivos fotovoltaicos (PV). Como uma textura frontal atraente, a pirâmide invertida (IP) atraiu muitos interesses de pesquisa devido ao seu efeito anti-reflexo superior e características estruturais. Neste artigo, preparamos estruturas IPs de silício (Si) de alta uniformidade em um wafer de silício monocristalino comercial com um tamanho padrão de 156 × 156 mm ² empregando a gravação química assistida por metal (MACE) e a técnica de gravação anisotrópica alcalina. Combinando as texturas dos IPs frontais com a passivação da superfície traseira de Al ₂ O ₃ / SiN _x , fabricamos um novo emissor passivado com base em Si IP e célula traseira (PERC). Beneficiando-se da superioridade ótica dos IPs otimizados e da melhoria do desempenho elétrico do dispositivo, alcançamos uma alta eficiência de 21,4% do PERC baseado em Si IP, que é comparável com a eficiência média das células solares PERC comerciais. A otimização da morfologia das texturas IP é a chave para a melhoria da corrente de curto-circuito I _sc de 9,51 A a 9,63 A; enquanto isso, pilha simultânea SiO ₂ / SiN _x passivação para o n ⁺ baseado em IP Si emissor e pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x a passivação da superfície traseira garante uma alta tensão de circuito aberto V _oc de 0,677 V. A realização deste dispositivo PV de alto desempenho demonstra uma técnica de texturização competitiva e uma perspectiva promissora para a produção em massa do PERC baseado em Si IP.

Introdução

Melhorar a eficiência é o eterno tema da indústria de células solares, que se concentra principalmente em dois aspectos:o desempenho óptico e o desempenho elétrico. A técnica de texturização frontal é importante para estimular o desempenho óptico do dispositivo. A pirâmide invertida (IP) como uma atraente estrutura de captura de luz atraiu considerável atenção devido ao seu efeito anti-reflexo superior e características estruturais [1,2,3,4,5,6,7]. Para ser específico, a luz de comprimento de onda curta de entrada em silício (Si) IP sofre tripla ou mais rebatidas antes de ser refletida, possuindo um ou mais rebatidas do que nas pirâmides verticais tradicionais [7,8,9]. Enquanto isso, este Si com estrutura de pirâmide invertida evitará perdas severas de recombinação enfrentadas pelo Si preto nanoestruturado [10,11,12,13,14,15,16] devido à sua característica estrutural grande e aberta.

Empregando texturas de pirâmide invertida de litografia na superfície frontal e SiO ₂ passivação da superfície traseira, o grupo de Green [17] fabricou com sucesso um emissor passivado eficiente de 25,0% e uma célula solar difusa local traseira (PERL) com uma área de 4 cm ² . No entanto, a técnica de litografia não é adequada para produção em massa por causa de seu custo, baixa capacidade de produção e incompatibilidade. Recentemente, muitos interesses de pesquisa se voltam para as pirâmides invertidas de grande área de corrosão química assistida por metal (MACE), uma vez que a técnica MACE é simples, de baixo custo, de grande área e compatível com a linha de produção atual [14, 18,19, 20,21]. Por exemplo, Jiang et al. [7] relataram nanoestrutura de pirâmides invertidas preparada pelo processo MACE seguido por um tratamento de solução de reconstrução pós-nanoestrutura e a eficiência de conversão de células solares de silício multicristalino (mc-Si) à base de IPs em tamanho grande de 156 × 156 mm ² wafers atingiu até 18,62%. Ao utilizar nanopartículas de Cu para catalisar a corrosão química de Si, Yang et al. [8] alcançaram 18,87% de células solares de Si estruturadas por IP eficientes com uma grande área. Zhang et al. [9] fabricaram célula solar sc-Si com microestrutura IP por texturização alcalina modulada combinada com um método MACE otimizado e alcançaram um dispositivo texturizado IP de tamanho 1 μm 20,19% eficiente com uma grande área. Até agora, o desempenho da célula solar Si IP com uma grande área ainda não está satisfeito com a uniformidade de grande área da morfologia IP, o controle do tamanho do recurso IP e a passivação do dispositivo. Como resultado, as texturas Si IP otimizadas para frente, juntamente com a passivação traseira, devem melhorar ainda mais o desempenho da célula.

Neste artigo, fabricamos com sucesso um emissor passivado baseado em Si IP com eficiência de 21,4% e células traseiras (PERC) com um tamanho de wafer solar padrão de 156 × 156 mm ² combinando as texturas MACE IP otimizadas para a frente com a pilha simultânea SiO ₂ / SiN _x passivação para o n ⁺ baseado em IP Si emissor e pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x passivação para a superfície traseira. A chave para o alto desempenho reside na superioridade óptica das texturas IP e nas perdas elétricas reduzidas pela passivação simultânea de n ⁺ baseado em IP de Si emissor e superfície traseira. Esta nova estrutura e técnica de dispositivo PERC baseada em Si IP mostra um grande potencial na produção em massa de células solares baseadas em silício de alta eficiência.

Métodos

A estrutura do dispositivo do PERC baseado em Si IP é projetada da seguinte forma:(i) O PERC baseado em Si IP n ⁺ emissor é passivado pela pilha SiO ₂ / SiN _x (PECVD) camadas como mostrado na Fig. 1a. As estruturas Si IP têm um bom efeito anti-reflexo de comprimento de onda curto devido a mais oportunidades de três ou mais saltos; enquanto isso, a pilha SiO ₂ / SiN _x camada fornece uma refletância ainda mais reduzida e um excelente efeito de passivação para os Si IPs n ⁺ emissor. (ii) O refletor traseiro é composto de pilha Al ₂ O ₃ (ALD) / SiN _x (PECVD) camadas e impressão em tela de Al como mostrado na Fig. 1a. Camadas dielétricas de pilha são projetadas para otimizar as propriedades ópticas de comprimento de onda longo, aumentando a refletância traseira interna, enquanto mantém um bom efeito de passivação elétrica, que é atribuído à passivação do efeito de campo das cargas negativas fixas em Al ₂ O ₃ camada e a passivação química de átomos de hidrogênio em SiN _x filme. Em uma palavra, as propriedades óticas e elétricas neste projeto são consideradas simultaneamente para garantir um alto desempenho do PERC baseado em Si IP.

Desenho e processo do PERC baseado em Si IP. a Diagrama tridimensional do PERC baseado em Si IP. b Fluxo do processo do PERC baseado em Si IP

Foram usados ​​como substratos silício cristalino (c-Si) orientado para silício cristalino (c-Si), dopado com boro (1-3 Ω · cm) de 156 mm × 156 mm (100) de espessura comercial (1-3 Ω · cm) como substratos. Após o processo de limpeza padrão, texturas de pirâmide invertida foram preparadas na superfície das bolachas de Si da seguinte forma:(1) As bolachas de Si limpas foram imersas nas soluções misturadas de AgNO ₃ (0,0001 M) / HF (4 M) / H ₂ O ₂ (1 M) por 300 s, resultando em Si poroso. (2) Bolachas de Si com Si poroso foram gravadas em um NH ₄ OH:H ₂ O ₂ :H ₂ O =soluções 1:1:6 (volume) por 200 s para remover as nanopartículas de Ag residuais. (3) Os wafers com Si poroso foram modificados em um HNO ₃ :H ₂ O:HF =solução 4:2:1 (volume) para preparar nanofuros. (4) Texturas de pirâmides invertidas foram fabricadas na superfície da pastilha de Si por ataque anisotrópico de soluções de NaOH a 60 ° C por 30, 60 e 90 s, respectivamente.

POCl ₃ difunde-se por 40 min a 800 ° C no forno de tubo de quartzo e depois n ⁺ formulários do emissor na frente do wafer (M5111-4WL / UM, CETC 48th Research Institute). A resistência da folha de n ⁺ baseada em Si IP o emissor é 105-110 Ω · sq ⁻¹ . O emissor seletivo foi fabricado na superfície frontal do wafer por dopagem a laser (DR-SE-DY70, DR Laser). Após o polimento da superfície traseira, SiO ₂ filmes de passivação foram preparados por oxidação térmica na frente de wafers de silício. O Al ₂ O ₃ camadas de passivação foram depositadas na superfície posterior do wafer por ALD (PEALD-156, HUGUANG Scientific Instruments of Beijing) por ≈ 30 min a 150 ° C. O PECVD-SiN _x camadas foram formadas pela reação de NH ₄ / SiH ₄ (SC-TD-450C). Posteriormente, as camadas de passivação da pilha traseira de wafer baseado em IP de Si foram localmente ablacionadas por um comprimento de onda de 532 nm e um laser de comprimento de pulso de 10 ps (DR-AL-Y60, DR Laser), a fim de formar a largura de 50 μm e Aberturas de linha local com passo de 1 mm. Finalmente, o PERC baseado em Si IP passou pelo processo comercial de serigrafia (PV1200, DEK) e co-firing (Série CF, Despatch), para formar contatos ôhmicos de poços e BSFs locais.

As morfologias e estruturas das amostras foram caracterizadas com um microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-6390LA. O tempo de vida das operadoras minoritárias foi medido usando um Sinton WCT-120. Os espectros de absorção foram determinados por FTIR (Tensor 27, BRUKER). A curva C-V é medida por um analisador de impedância (E4900A, KEYSIGHT). As fotos de fotoluminescência e eletroluminescência foram obtidas pelo sistema de análise de imagem PL / EL (LIS-R2, BTimaging). Os espectros de refletância, bem como os IQEs e EQEs, foram medidos na plataforma de medição de eficiência quântica (QEX10, Medições PV). Os parâmetros elétricos das células solares foram investigados por medição de corrente-tensão (I – V) sob a iluminação de AM1.5 (Crown Tech IVTest Station 2000). A eficiência da célula foi medida usando um BERGER Lichttechnik Single Cell Tester.

Resultados e discussão

A Figura 2a-e mostra as imagens SEM de vista superior das diferentes etapas do processo para a texturização da superfície de silício. A Figura 2a mostra o Si poroso de 50-80 nm na superfície do wafer de Si gravado pelo método MACE nas soluções misturadas de AgNO ₃ / HF / H ₂ O ₂ . Posteriormente, o Si poroso é modificado pela gravação isotrópica nas soluções aquosas misturadas contendo HF / HNO ₃ e passa a ser estruturas de nanohole com um diâmetro de 800 nm, como mostrado na Fig. 2b. Finalmente, as pirâmides invertidas em mícron (IPs) com tamanhos diferentes (Fig. 2c-e) são obtidas por hidróxido de sódio em solução aquosa a 60 ° C por 30, 60 e 90 s, respectivamente. Na Fig. 2c-e, podemos ver que após o tratamento alcalino, os tamanhos de estrutura IPs para três tempos de condicionamento de 30, 60 e 90 s são ~ 1, 1,3 e 1,8 μm, respectivamente, significando um tamanho crescente de IP com o aumento do tempo de tratamento alcalino. Além disso, notamos que os IPs tendem a entrar em colapso e transitar para serem as pirâmides verticais com o aumento do tempo de corrosão. Como se sabe, as pirâmides invertidas têm a vantagem de capturar a luz sobre as verticais porque a luz sofrerá um ou dois saltos extras nas pirâmides invertidas do que nas pirâmides verticais. Portanto, as estruturas com menor tempo de corrosão são adequadas para as texturas de captura de luz de dispositivos fotovoltaicos por causa da vantagem do anti-reflexo de comprimento de onda curto. A Figura 2f são as fotos comparadas para diferentes estruturas de superfície correspondentes à Fig. 2a-e.

Morfologia das estruturas de pirâmide invertida de Si preparadas (Si IPs-strus). a Imagem SEM de silício poroso obtido por MACE. b Imagem SEM de nanoholes pelas seguintes modificações no HF / HNO ₃ soluções mistas. c - e Imagens de SEM de pirâmides invertidas (seção transversal na inserção) pelo ataque em solução aquosa de NaOH a 60 ° C por 30, 60 e 90 s, respectivamente. f Fotos comparadas para diferentes estruturas de superfície correspondentes a a - e

Agora nos voltamos para as propriedades ópticas do Si IP-strus. A partir da refletância em toda a faixa de comprimento de onda de 300-1100 nm (Fig. 3a), observamos que o Si poroso tem uma reflexão baixa devido ao excelente desempenho de captura de luz das nanoestruturas [22,23,24]. Para estruturas de nanofuros, a refletância em toda a faixa de comprimento de onda tem um aumento óbvio, que é atribuído à diminuição da densidade e ao aumento do tamanho do recurso dos nanofuros. Após o tratamento de NaOH por 30 s, beneficiando-se de 3-4 saltos entre os (111) planos do IP, as estruturas de IPs exibem menor reflexão na faixa de comprimento de onda de 300-1100 nm, especialmente na faixa de comprimento de onda curta de 300-500 nm . Com o aumento do tempo de corrosão alcalina, os IPs tornam-se maiores e tendem a ser as pirâmides verticais, resultando em um aumento da refletância. Quando todas as amostras foram cobertas com a mesma pilha SiO ₂ / SiN _x revestimento, a refletância cai drasticamente em mais de 10%, o que é atribuído à refletância combinada da interferência óptica da pilha SiO ₂ / SiN _x filmes finos e as estruturas de superfície. Neste caso, os espectros de reflexão de amostras de diferentes processos são principalmente diferentes na faixa de comprimento de onda de 300–600 nm, que é causada pela diferença de tamanho de recurso de IPs. Em particular, Si IP-strus coberto pela pilha SiO ₂ / SiN _x camadas exibe melhor capacidade anti-reflexo de comprimento de onda curto do que as outras, indicando as excelentes eficiências quânticas externas (EQEs) na faixa de comprimento de onda curto.

Propriedades ópticas do Si IP-strus preparado. a A refletância medida de diferentes morfologias de superfície e b a refletância média solar R _ave na faixa de comprimento de onda de 300-1100 nm

Além disso, calculamos a refletividade solar média R _ave (veja a Fig. 3b) ao longo da faixa de comprimento de onda de 300-1100 nm e compare a refletividade do Si IP-strus com outras estruturas correspondentes a diferentes processos intermediários mostrados na Fig. 2a-c. R _ave pode ser calculado pela expressão de
$$ R \ mathrm {ave} =\ frac {\ int_ {300 \ \ mathrm {nm}} ^ {1100 \ \ mathrm {nm}} \ mathrm {R} \ left (\ uplambda \ right) \ ast \ mathrm {S} \ left (\ uplambda \ right) \ ast \ mathrm {d} \ uplambda} {\ int_ {300 \ \ mathrm {nm}} ^ {1100 \ \ mathrm {nm}} \ mathrm {S} \ left (\ uplambda \ right) \ ast \ mathrm {d} \ uplambda} $$ (1)
onde R ( λ ) e S ( λ ) denotam a refletância medida e a distribuição espectral do fóton solar AM1.5, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 3b, o R _ave s de Si poroso, nanoholes, IPs e IPs com SiO ₂ / SiN _x revestimento são 8,22, 17,96, 15,18 (grupo 1-30 s) / 17,35% (grupo 2-60 s) / 20,3% (grupo 3-90 s) e 3,91% (grupo 1-30 s) / 4,48% (grupo 2—60 s) / 5,60% (grupo 3—90 s), respectivamente. O R _ave s mostram que os IP-strus têm uma capacidade anti-reflexo melhor do que os nanoholes e mostram uma tendência decrescente com o aumento do tamanho do recurso. Quando IP-Strus são revestidos pela pilha SiO ₂ / SiN _x camadas, o menor R _ave é de 3,91%, revelando uma estrutura de captura de luz ideal para o dispositivo fotovoltaico.

A pilha SiO ₂ (~ 2 nm) / SiN _x (~ 75 nm) passivação para o n ⁺ baseado em IP de Si emissor é uma maneira eficaz de alcançar um bom desempenho elétrico de PERC baseado em IP e seu efeito de passivação [1] e mecanismo foram sistematicamente estudados em nosso trabalho anterior [14]. Para mostrar a superioridade elétrica da pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas de passivação na parte traseira de nosso dispositivo, investigamos a influência das diferentes condições de recozimento e embebição de luz na vida útil efetiva do portador minoritário ( τ _eff ) com relação ao nível de injeção ( Δn ), como mostrado na Fig. 4a. Observe que as bolachas de Si polidas têm a vida útil do portador minoritário em massa de ~ 350 μs e a pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x as camadas são depositadas simetricamente em ambos os lados das bolachas de Si polidas. A espessura do Al interno ₂ O ₃ e o SiN externo _x camada é estimada em ~ 3 e ~ 125 nm, respectivamente. Duas condições de recozimento são realizadas na atmosfera de ar:300 ° C e 800 ° C por 15 min. Em seguida, as bolachas são iluminadas a 25 ° C sob a lâmpada de halogênio de onda completa com uma intensidade de energia de 50 mW cm ⁻² por 100 s. Como pode ser visto na Fig. 4a, o 48 μs τ _eff (300 ° C) e 126 μs τ _eff (800 ° C) após o recozimento são muito maiores do que os 22 μs τ _eff do Al ₂ depositado O ₃ / SiN _x amostras passivadas no nível de injeção de 1,2 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ .

a τ _eff em relação ao nível de injeção Δn em diferentes temperaturas de recozimento para Al ₂ O ₃ / SiN _x wafers passivados. A linha tracejada indica um nível de injeção solar. b Os espectros FTIR das amostras. c C – V curvas para Au / Al ₂ O ₃ -SiN _x Estrutura / Si. d Fotos de fotoluminescência e eletroluminescência de dispositivos

É importante ressaltar que a vida útil minoritária efetiva de amostras recozidas após 100 s de iluminação é de 230 μs e 150 μs, respectivamente, muito maior do que 126 μs e 48 μs antes da iluminação, demonstrando uma passivação de superfície c-Si muito clara e intensificada por luz de Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas. O efeito de captura de carga durante a imersão em luz [25,26,27,28] pode ser um dos principais mecanismos para a passivação de superfície c-Si intensificada por luz de Al ₂ O ₃ / SiN _x filmes. Como Al ₂ O ₃ filmes são relatados como tendo uma densidade de carga fixa negativa [29,30,31,32], alguns dos elétrons em excesso gerados pela luz provavelmente seriam injetados ou tunelados em estados de armadilha no Al ₂ interno O ₃ filme, resultando em um nível aumentado de passivação de efeito de campo. Curiosamente, o efeito de passivação intensificado por luz no recozimento de 300 ° C é melhor do que em 800 ° C, o que significa que o recozimento de imersão em luz em uma temperatura mais baixa é uma forma mais eficaz de aplicação de dispositivo fotovoltaico.

Para estudar o efeito do processo de recozimento na modificação da superfície, comparamos o espectro de absorção espectroscópico de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) das amostras recozidas com o da amostra como deposição. A Figura 4b manifesta que as ligações Si – N, Si – O, Si – H e N – H correspondem aos picos de absorção de alongamento nos números de onda de ~ 840, 1070, 2200 e 3340 cm ⁻¹ , respectivamente. Vemos que as densidades de ambas as ligações Si – N e Si – O mostram um aumento óbvio após o recozimento; enquanto isso, a densidade das ligações Si – H aumenta ligeiramente. Os aumentos da densidade da ligação Si – O e Si – H implicam na diminuição das ligações pendentes na interface de Si / SiO ₂ , resultando em um melhor efeito de passivação [33]. Além disso, o processo de recozimento promove a densidade das ligações Si – N, indicando uma estrutura mais densa que pode impedir efetivamente a difusão de H de entrar no ambiente em vez de no volume de Si. No entanto, para temperatura de recozimento excessivamente alta, o H em grupos Si – H e N – H podem escapar do Si em massa e das camadas dielétricas para o ambiente, o que causa o declínio do efeito de passivação. O resultado do FTIR é consistente com o tempo de vida efetivo da minoria.

Para entender melhor a diferença do mecanismo de passivação entre o tratamento térmico e o tratamento por imersão em luz, analisamos a densidade das cargas fixas ( N _f ) e a densidade de interceptações de interface ( N _it ) na interface de Si e Al ₂ O ₃ (ALD) / SiN _x (PECVD) empilhar camadas usando capacitância-tensão ( C-V ) medições de um modelo rigoroso de óxido de metal - semicondutor (MOS).

N _f pode ser obtido a partir da seguinte equação:
$$ {\ mathrm {N}} _ {\ mathrm {f}} =\ frac {{\ mathrm {Q}} _ {\ mathrm {f}}} {\ mathrm {S} \ times \ mathrm {e} } =\ frac {{\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {OX}} \ times \ left ({\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {MS}} - {\ mathrm {V}} _ { \ mathrm {FB}} \ right)} {\ mathrm {S} \ times \ mathrm {e}} $$ (2)
onde a seguinte expressão pode calcular V _FB
$$ {V} _ {\ mathrm {FB}} ={V} _ {\ mathrm {MS}} - \ frac {Q_f} {C _ {\ mathrm {OX}}} $$ (3)
Observe que S é a área do eletrodo de metal, e é cobrança eletrônica, C _OX é a capacitância da camada de filme dielétrico, V _MS é a diferença da função de trabalho entre o eletrodo de metal e o tipo p Si, e V _FB é a tensão de banda plana.

Usando o método Lehovec [34], podemos obter N _it do C-V curva:
$$ {\ mathrm {N}} _ {\ mathrm {it}} =\ frac {\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {OX}} - {\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {FB}} \ right) {\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {FB}}} {3 {\ left (\ updelta \ mathrm {C} / \ updelta \ mathrm {V} \ right)} _ {\ mathrm {FB}} \ mathrm {ekTS}} - \ frac {{\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {OX}} ^ 2} {\ left ({\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {OX}} - {\ mathrm {C}} _ ​​{\ mathrm {FB}} \ right) \ mathrm {S} {\ mathrm {e}} ^ 2} $$ (4)
onde ( δC / δV ) _FB é a banda quase plana da inclinação e é considerada o valor absoluto. C _FB , e e k são a capacitância da estrutura MOS em uma banda plana, carga eletrônica e constante de Boltzmann, respectivamente.

Pode-se ver na Fig. 4c que o C-V medido curva do Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas de pilha mostram região de acumulação óbvia, região de depleção e região de inversão. De acordo com o C-V curvas e Eq. (2–4), obtemos as propriedades de interface das estruturas MOS preparadas, conforme mostrado na Tabela 1.

As densidades de carga negativa fixas mostram um aumento significativo em uma ordem de magnitude após o recozimento térmico, enquanto as densidades dos estados interfaciais diminuem significativamente, indicando que o recozimento aumentou a passivação química e a passivação por efeito de campo de filmes dielétricos. Por meio de um tratamento adicional de imersão em luz, as densidades dos estados interfaciais mantêm o mesmo nível, enquanto as densidades das cargas negativas fixas aumentam ainda mais. Como mencionado acima, alguns dos elétrons em excesso gerados pela luz eram provavelmente injetados ou tunelados em estados de armadilha no Al ₂ interno O ₃ filme, o que significa que a imersão de luz pode aumentar a passivação do efeito de campo do filme dielétrico. Embora o valor de N _it é alto, a amostra por recozimento de 300 ° C e 100 s de imersão em luz tem o maior τ _eff de 230 μs devido ao maior N _f de - 2,87 × 10 ¹² cm ⁻² , o que significa que a passivação por efeito de campo tem uma vantagem sobre a passivação química neste caso.

A Figura 4d mostra as fotos de fotoluminescência e eletroluminescência de células solares IP de 1, 1,3 e 1,8 μm com o mesmo processo de passivação. O brilho dos três grupos de fotos para fotoluminescência e eletroluminescência mantém-se basicamente no mesmo nível, o que significa que os três grupos de células solares funcionam igualmente bem na passivação de defeitos. Ou seja, o processo de passivação determina o desempenho elétrico da célula solar em vez do tamanho do recurso dos IPs, que será confirmado pelos seguintes parâmetros de saída das células solares fabricadas.

Com base no excelente desempenho óptico e elétrico do SiO ₂ simultâneo / SiN _x camadas de pilha passivadas frontais Si baseadas em IP n ⁺ emissor e Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas de empilhamento refletor traseiro passivado, nós fabricamos o PERC baseado em Si IPs.

A Figura 5a mostra as eficiências quânticas internas (IQEs) e as reflexões da superfície frontal dos PERCs fabricados com base em Si IP. Podemos observar que o dispositivo baseado em IP de ataque alcalino de 30 s (grupo 1–30 s) mostra a refletância mais baixa no comprimento de onda curto de 300–600 nm devido ao seu menor tamanho de recurso de IPs. É importante ressaltar que o grupo 1–30 s tem os IQEs mais altos nesta faixa de comprimento de onda e, portanto, produz as mais altas eficiências quânticas externas (EQEs), conforme mostrado na Fig. 5b. Além disso, os dispositivos fabricados exibem quase os mesmos EQEs na faixa de comprimento de onda longa devido ao mesmo nível de refletância e IQEs nesta faixa. Portanto, o grupo de 1 a 30 s com tamanho de recurso menor possui melhor desempenho de saída do que os outros dois grupos, o que é ainda confirmado pelo I-V e P-V curvas de dispositivos (ver Fig. 5c). A Figura 5d mostra o η do nosso dispositivo campeão atingiu 21,41%, assim como o V _oc de 0,677 V, I _sc de 9,63 A, e FF de 80,30%. Pelo que sabemos, é o mais alto η entre células solares baseadas em MACE-IP. A inserção da Fig. 5d é uma fotografia da superfície frontal e traseira do dispositivo campeão.

PERC baseado em Si IP de alto desempenho. a O IQE e a refletância do PREC à base de Si IP com diferentes tempos de condicionamento alcalino. b O EQE do PERC baseado em Si IP com diferentes tempos de corrosão alcalina. c O I – V e P-V curva do PERC baseado em Si IP com diferentes tempos de condicionamento alcalino. d I – V e P-V curva do dispositivo campeão

Além disso, a Tabela 2 mostra os parâmetros detalhados dos dispositivos fabricados. Obviamente, a média eu _sc (9.63 A) do dispositivo do grupo 30 s é maior do que a dos outros dois grupos, o que reside em sua melhor capacidade anti-reflexo da superfície frontal como mencionado acima. A diferença de eu _sc s principalmente determina o desempenho de saída dos dispositivos. Além disso, quanto maior o FF e a resistência da série inferior R _s garante o maior η do grupo 30 s. É importante notar que todos os V médios _oc s dos PERCs baseados em Si IP estão na faixa de 674–676 mV, demonstrando que a mesma passivação excelente para as superfícies frontal e traseira de todos os grupos. Finalmente, nos beneficiando do ganho de desempenho óptico e elétrico, alcançamos com sucesso o mais alto η de 21,4% de célula solar PERC baseada em Si IP.

Conclusões

Em conclusão, otimizamos as morfologias das estruturas MACE Si IPs e fabricamos a nova célula solar PERC baseada em Si IPs com um tamanho padrão de 156 × 156 mm ² combinando a pilha SiO ₂ / SiN _x camadas revestidas de texturas IPs com pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x passivação da superfície traseira. As propriedades ópticas mostram que a média solar foi R _ave de texturas IPs revestidas pela pilha SiO ₂ / SiN _x camadas podem ser de até 3,91%, revelando IPs uma estrutura de captura de luz ideal para dispositivos fotovoltaicos. Além disso, a análise elétrica mostra que a superfície traseira polida passivada pela pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas possuem τ muito alto _eff de 230 μs devido ao tratamento térmico e de imersão em luz, demonstrando a passivação de superfície de c-Si bem aprimorada por luz de Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas. As medições FTIR fornecem uma explicação adicional para o alto τ _eff s da superfície traseira passivada pela pilha Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas. É importante ressaltar que uma alta densidade de carga fixa N _f de - 2,87 × 10 ¹² cm ⁻² é obtido por meio de medições C-V, que revelam forte passivação por efeito de campo de Al ₂ O ₃ / SiN _x camadas. Finalmente, beneficiando-se do excelente desempenho óptico e elétrico no n ⁺ baseado em Si IP frontal emissor e refletor traseiro, alcançamos o maior η de 21,4%, bem como V _oc de 0,677 V, I _sc de 9,63 A, e FF de 80,30%. A obtenção de PERC com base em Si de alta eficiência fornece aos IPs uma maneira eficaz de produção em massa de células solares de alta eficiência com base em Si.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados que suportam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

PV:

Fotovoltaico

IP:

Pirâmide invertida

Si:

Silício

MACE:

Gravura química assistida por metal

PERC:

Emissor passivado e célula traseira

PERL:

Emissor passivado e célula solar difusa local traseira

c-Si:

Silício cristalino

mc-Si:

Silício multicristalino

PECVD:

Deposição de vapor químico intensificada por plasma

ALD:

Deposição de camada atômica

Si IP-strus:

Estruturas de pirâmide invertida de silício

R _ave :

Refletância média

EQE:

eficiência quântica externa

τ _eff :

O tempo de vida efetivo da operadora minoritária

Δn :

O nível de injeção

FTIR:

Espectroscópico infravermelho com transformada de Fourier

N _f :

Densidade de encargos fixos

N _it :

Densidade de interceptações de interface

C-V :

Capacitância-tensão

IQE:

Eficiência quântica interna

V _oc :

Voltagem de circuito aberto

I _sc :

Corrente de curto-circuito

FF:

Fator de preenchimento

R _s :

Resistência em série

Sistema de monitoramento da decomposição térmica in situ da fase gasosa Ciclopentadienil Tris (dimetilamino) Zircônio (CpZr (NMe2) 3) Com base em FT-IR e QMS para Deposição de Camada Atômica Nano-argilas como Pseudo-anticorpos potenciais para COVID-19