서브밴드갭 광기전력 응답을 갖는 c-Si 태양전지를 개발하기 위해 후면에 흑색 Si(b-Si) 층이 있는 결정질-Si(c-Si) 태양전지를 연구하였다. b-Si는 화학적 에칭으로 만들어졌습니다. 후면에 b-Si가 있는 c-Si 태양전지는 유사한 구조이지만 후면에 b-Si가 없는 구조보다 성능이 훨씬 우수하여 효율이 상대적으로 27.7% 증가하는 것으로 나타났습니다. 이 발견은 b-Si가 큰 비표면적을 가지므로 높은 표면 재결합과 태양 전지 성능 저하를 유발할 수 있다는 점에서 흥미로웠습니다. b-Si 층이 후면에 있는 c-Si 태양전지 후면에 점진적인 밴드 갭이 형성되는 것으로 나타났습니다. 이 등급화된 밴드 갭은 자유 전자를 후면에서 방출하는 경향이 있어 b-Si에서 전자-정공 재결합 가능성을 줄이고 c-Si 태양 전지의 성능을 향상시킵니다.
<섹션 데이터-제목="배경">금속 또는 비금속 이온으로 로딩되거나 도핑된 고도로 표면 에칭된 Si는 강력하고 광대역 흡수성을 나타낼 수 있습니다[1,2,3,4,5,6]. 이러한 유형의 Si 또는 흑색 Si(b-Si)는 광대역 응답 광전지[7,8,9]에 잠재적으로 응용할 수 있다는 점에서 많은 주목을 받았습니다. 지금까지 b-Si 태양전지에 대한 연구는 b-Si 층이 태양전지의 전면에 위치하는 구성에 집중되어 왔다[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]. 이 경우, b-Si 층에서 서브밴드갭 근적외선(NIR) 흡수에 의해 유도된 전자-정공 쌍은 PN 접합 영역에서 멀리 떨어져 있으며 내장 필드에 의해 분해되어 전하 캐리어가 될 수 없으며, 서브 밴드 갭 NIR 광전지 응답을 불가능하게 만듭니다. 그런 다음 b-Si 층이 후면에 배치되면 NIR 흡수 유도 전자-정공 쌍이 후면의 Si/산화물 계면장에 의해 분해되거나 [20] 내장된 자기장에 의해 분해될 수 있다고 생각됩니다. IBC(Interdigitated Back Contact) 구성이 채택되면[21], 그러한 결정질 (c)-Si 태양 전지의 PV(photovoltaic) 응답이 서브밴드 갭 NIR 범위까지 확장됩니다. 불행히도, b-Si의 큰 비표면적은 일반적으로 높은 표면 재결합을 일으켜 태양 전지 성능을 심각하게 저하시킵니다[10, 15, 22]. 따라서 c-Si 태양 전지의 서브 밴드 갭 NIR 응답을 연구하기 전에 b-Si의 표면 재결합이 얼마나 클 수 있고 그 영향을 최소화하거나 피하는 방법을 아는 것이 필요합니다[23]. 이 작업에서 우리는 후면에 b-Si가 있는 c-Si 태양 전지의 PV 응답을 연구하고 관찰의 기초가 되는 물리학을 탐구했습니다.
P형 Si<100> 웨이퍼(CZ, 양면 연마, 10 × 10 × 0.2mm 3 크기가 1–10Ω cm)가 기판으로 사용되었습니다. Si 웨이퍼를 초음파로 세척한 다음 묽은 HF(1%)에 담근 다음 NaOH/alcohol/H2에 에칭했습니다. O(0.5g/200ml/200ml) 용액을 90°C에서 15분 동안 반사 방지를 위해 표면에 약간 질감을 부여한 다음 탈이온수로 헹굽니다. 후면에서 b-Si를 제조하기 위해, 5 × 10 - 미만의 기본 압력을 갖는 집에서 만든 진공 챔버에서 저항 가열에 의해 촉매인 Si 기판의 한 표면에 3 nm의 겉보기 두께의 Ag 층을 증발시켰다. 4 Pa. Si 웨이퍼를 HF(40%):H2에 담근 후 O2 (30%):H2 O =1:5:10 용액에서 실온에서 120초 동안, b-Si 층이 해당 Si 표면 또는 태양 전지 후면에 형성되었습니다. 그런 다음 인 페이스트를 다른 Si 표면 또는 태양 전지 전면에 증착한 다음 질소에서 900°C에서 20분 동안 어닐링하여 PN 접합을 형성합니다. 20nm 두께의 SiO2 층은 표면 패시베이션을 위해 태양 전지의 전면에 증발되었습니다. 후면 패시베이션을 위해 10nm 두께의 Al2 O3 ALD(Atomic Layer Deposition) 기술(Beneq TFS 200)을 사용하여 층을 증착했습니다. 80nm 두께의 ITO 층이 전면 전극으로 전면에 증착되었습니다. 2μm 두께의 Al 층이 후면 전극으로 저항 가열에 의해 증발되었다. c-Si 태양전지의 준비를 마무리하기 위해 425°C에서 5분 동안 질소에서 열처리를 수행했습니다. 이 작업에서 우리는 후면의 b-Si가 PV 응답에 미치는 영향에 초점을 맞추었다는 점을 지적해야 합니다. 따라서 전면 표면은 약간만 질감이 있고 b-Si를 형성하기 위해 심하게 에칭되지 않았습니다.
반사 스펙트럼은 UV-vis-NIR 분광광도계(Shimadzu, UV-3101PC)를 사용하여 측정하였다. 표면 형태는 주사전자현미경(SEM)(Philips, XL 30)으로 측정하였다. 태양 전지의 PV 매개변수는 1-Sun AM1.5G 조건에서 태양광 시뮬레이터(Oriel/Newport, 모델 94023A)를 사용하여 획득했습니다. 태양전지의 외부양자효율(EQE)은 오리엘/뉴포트의 QE 시스템에서 획득하였다. 투과 전자 현미경(TEM) 측정은 JEOL EM-3000 시스템에서 수행되었습니다. 표면 발광 광발광(PL) 스펙트럼은 여기 소스로 325nm He-Cd 레이저(Melles Griot, 모델 시리즈 74)를 사용하여 분광 광도계(Ocean Optics USB2000)에 의해 기록되었습니다. p형 Si 및 b-Si의 표면 전위는 Kelvin 프로브 시스템(KP Technology SKP5050), 소위 접촉 전위차 또는 CPD 식별에 의해 측정되었습니다.
그림 1a는 전면 및 후면 패시베이션 후 약간 표면 질감이 있는 c-Si 태양 전지의 개략도를 보여줍니다. 그림 1b는 유사한 구조의 태양 전지의 개략도를 보여주지만 후면에 b-Si가 있습니다. 태양전지의 두께는 약 200μm입니다.
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(a가 없는 약간 표면 질감이 있는 c-Si 태양 전지의 개략도 ) 및 (b 포함 ) 후면의 b-Si
그림 2a는 질감이 있는 전면의 평면도 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 2b는 b-Si 표면의 측면 SEM 이미지를 제공합니다. 텍스처링된 Si의 나노구조의 평균 높이는 10~20nm인 반면 b-Si의 평균 높이는 ~ 110nm입니다. 그림 2c는 b-Si의 고해상도(HR) TEM 이미지를 보여줍니다. 여기서 나노결정질 Si는 회절 무늬에 의해 반사되어 식별할 수 있습니다. b-Si의 이러한 결정성은 그림 2d와 같이 SAED(selected area electron diffraction) 패턴으로도 표시됩니다.
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표면 질감 Si의 SEM 이미지(a ) 및 표면 에칭 b-Si(b ), HRTEM(c ) 및 SAED(d ) b-Si
그림 3a는 웨이퍼 Si("Si"라고 함), 입사광을 마주하는 b-Si("b-Si 위쪽"이라고 함), 입사광을 등지고 있는 b-Si("b라고 함)에 대한 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. - 아래로”). "Si"의 경우 광자 에너지가 c-Si 밴드 갭 폭(1.1eV) 이하 또는 동등하게 작을 때 파장이 1100nm보다 크고 예상대로 흡수가 거의 일어나지 않음을 알 수 있습니다. 그러나 "b-Si 위쪽"의 경우 b-Si의 나노구조에 의한 강한 빛 포획으로 인해 300-1100nm 범위에서 흡수가 크게 향상될 뿐만 아니라 [1,2,3,4,5, 6,7,8,9, 24,25,26,27,28,29,30,31]에서 하위 밴드 갭 NIR 흡수가 나타납니다. 이 하위 밴드 갭 흡수는 밴드 갭 내 불순물 수준의 형성에 기인할 수 있으며, 이는 더 낮은 에너지 광자의 흡수를 허용합니다[25,26,27,28, 32]. 하위 밴드 갭 흡수는 빛 트래핑의 도움으로 효율적일 수 있습니다[25,26,27,28, 32]. "b-Si 아래쪽"의 경우 "Si"에 비해 300~1100nm 범위의 흡수가 증가합니다. 이 전면에는 Ag가 증착되지 않았지만 후면에서 b-Si가 형성되는 동안 여전히 약간 질감이 있는 것으로 나타났습니다. 이 표면 텍스처링은 라이트 트래핑을 강화했습니다. 서브밴드갭 근적외선의 일부는 전면에서 반사되지만 근적외선 흡광도의 대부분은 여전히 남아 있음을 알 수 있다. 이것은 미래에 서브 밴드 갭 NIR 응답 c-Si 태양 전지를 개발하기 위해 필요한 것입니다. 그림 3b는 측정된 b-Si의 PL 스펙트럼을 제공하며 삽입된 그림은 325nm 레이저 조명 하에서 b-Si의 사진입니다. Si 웨이퍼에서는 PL 방출이 발견되지 않습니다. b-Si의 PL 방출은 그림 2c와 같이 Si 나노결정이 존재한다는 또 다른 표시입니다[10, 33].
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웨이퍼 Si의 흡수 스펙트럼, 입사광을 향하는 b-Si, 입사광을 향하는 후면의 b-Si(a ). 325nm 여기 레이저(b ). 삽입된 그림은 325nm 레이저 조명 아래에서 b-Si를 보여줍니다.
이제 우리는 c-Si 태양 전지 후면의 b-Si가 성능에 어떤 영향을 미치는지 조사합니다. 이하에서 b-Si 태양전지는 후면에 b-Si 층이 있는 c-Si 태양전지를 의미한다. 비교를 위해 우리는 4개의 c-Si 태양 전지, 즉 웨이퍼 Si 태양 전지("웨이퍼"라고 함), Al2가 포함된 웨이퍼 Si 태양 전지를 만들었습니다. O3 후면의 패시베이션("웨이퍼 + Al2 O3 "), b-Si 태양 전지("b-Si"라고 함) 및 Al2가 포함된 b-Si 태양 전지 O3 후면 패시베이션("b-Si + Al2이라고 함) O3 "). 4개의 태양 전지는 모두 전면에 질감이 있습니다. 전류 밀도-전압(J -V ) 4개의 태양 전지의 곡선은 그림 4a에 표시되고 EQE 곡선은 그림 4b에 표시됩니다. 개방 회로 전압(V OC ), 단락 전류 밀도(J SC ), 필 팩터(FF) 및 광전 변환 효율(η )은 표 1에 나와 있습니다. Al2에 의한 후면 패시베이션 후 "웨이퍼 Si" 태양 전지와 비교하여 O3 , "wafer + Al2의 셀 O3 "는 훨씬 더 나은 성능을 보여줍니다. J SC , V OC , FF 및 η 증가하고 전체 측정 파장 범위에서 EQE의 상당한 향상을 볼 수 있습니다. 이 결과는 표면 재결합이 Al2에 의해 잘 억제되었기 때문에 이전 보고서와 일치합니다. O3 패시베이션 [34,35,36]. b-Si 층이 후면에 존재하는 경우 J의 현저한 감소 SC , V OC , 및 η "b-Si" 전지의 경우 "웨이퍼" 전지에 비해 b-Si의 큰 비표면적 때문에 높은 표면 재결합으로 인해 예상됩니다[15, 22]. 그러나 반대로 "b-Si"의 성능은 훨씬 향상되어 "wafer + Al2에 가까운 효율을 보입니다. O3 ," 상대적으로 27.7% 증가했습니다. EQE 곡선은 또한 상당한 광대역 향상을 보여줍니다. 큰 표면적에 의한 높은 표면 재결합은 여기에서 일어나지 않는 것 같습니다. 그런 다음 "b-Si + Al2의 셀을 확인합니다. O3 " 그리고 Al2 다음에 찾으십시오. O3 후면 패시베이션, J SC , V OC , FF 및 η 더 증가하고 EQE도 증가합니다. 이것은 Al2 O3 "wafer + Al2의 경우와 같이 여전히 효율적으로 후면을 보호합니다. O3 .” 후방에서 b-Si가 수행하는 역할은 예상외로 흥미롭고 더 탐구해야 합니다.
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태양광 J -V (아 ) 및 EQE 곡선(b ) "웨이퍼", "웨이퍼 + Al2의 태양 전지용 O3 ," "b-Si" 및 "b-Si+Al2 O3 "
그림 5는 후면에 b-Si가 있는 PN 접합의 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. b-Si의 전도대 최소값이 p형 Si의 전도대보다 0.4eV 높다는 것은 CPD 측정 결과입니다. b-Si는 바로 p형 Si에서 직접 성장하기 때문에 Fermi 에너지 준위와 가전자대 최대값 사이의 거리는 기본적으로 도핑 농도가 동일하므로 동일하게 유지되어야 합니다[37]. 따라서 b-Si의 밴드갭 폭은 웨이퍼 Si의 밴드갭 폭보다 크다. 이것은 나노결정질 Si의 형성과 일치하며, 도 1 및 도 5에 도시된 PL 방출이다. 각각 2c와 3b와 양자 구속 효과[38]. 후면에 이러한 등급화된 밴드 갭이 있으면 자유 전자가 b-Si와 후면 전극에서 멀리 방출될 것입니다[39]. 한편, 후면 전극을 향한 정공의 표류는 그림 5에 표시된 것처럼 영향을 받지 않습니다. 이러한 방식으로 b-Si에서 전자-정공 재결합의 확률이 크게 감소될 수 있고 높은 표면 재결합 문제를 효율적으로 피할 수 있습니다. . 형성된 등급 밴드 갭은 비표면적이 훨씬 더 큰 "b-Si" 셀이 "웨이퍼" 셀보다 성능이 훨씬 우수한 이유를 설명합니다.
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후면에 b-Si가 있는 PN 접합의 에너지 밴드 다이어그램
광전지 후면에서 b-Si의 긍정적인 역할은 그림 6a, b에 표시된 것처럼 이종접합 구조의 PV 장치에서 더욱 분명해졌습니다. 그림 6c에서 볼 수 있듯이 후면에 b-Si가 있는 이 PV 장치의 경우 후면에 b-Si가 없는 경우에 비해 EQE가 분명히 향상되었습니다. P-Si와 b-Si의 경계면에서 등급화된 밴드 갭은 EQE의 향상을 책임져야 합니다[39, 40]. 이 결과는 그림 4b의 결과와 질적으로 일치합니다. 그림 4b와 그림 6c의 PV 구성은 다르지만 후면에서 b-Si가 하는 역할은 기본적으로 동일합니다.
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(a가 없는 이종접합 구조 PV 장치의 개략도 ) 및 (b 포함 ) 후면의 b-Si 및 EQE 곡선(c )
우리는 후면에 b-Si 층이 있는 c-Si 태양전지를 연구했습니다. 이러한 구성의 c-Si 태양 전지는 유사한 구조의 c-Si 태양 전지보다 훨씬 더 나은 성능을 보여주지만 후면에 b-Si가 없습니다. 이러한 결과는 후면에 점진적인 밴드갭이 형성되어 후면에서 표면 재결합 가능성을 크게 줄여 c-Si 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있기 때문이다. 이 연구의 발견은 향후 서브밴드갭 NIR 응답을 포함하여 광대역 PV 응답을 갖는 c-Si 태양전지 개발에 적용될 수 있을 것이다.
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