역피라미드 미세구조를 가진 20.19% 효율의 단결정 실리콘 태양전지 제작

결과 및 토론

이전에 보고된 바와 같이, HF를 포함하는 수용액에서 Si에 증착된 무전해 금속 나노입자는 이전에 잘 조사되었다[35]. MACE에 사용된 무전해 Ag 나노입자 증착은 갈바닉 변위 반응을 기반으로 하는 반면 sc-Si 표면 주위에서 두 가지 전기화학적 프로세스가 동시에 발생했습니다[36]. 그림 1a-f의 SEM 이미지는 AgNO₃를 포함하는 HF 용액에 침지하여 p형 (100) 방향 sc-Si 표면에 증착된 Ag 나노입자를 보여줍니다. . 그림 1a–c에서 볼 수 있듯이 Ag 나노입자는 5~15ppm AgNO₃를 포함하는 HF 수용액에서 sc-Si 표면으로 제작되었습니다. 25°C에서 2분

sc-Si와 EDS 삽입물에 증착된 Ag 나노 입자의 SEM 이미지. sc-Si에 증착된 Ag 나노입자의 SEM 이미지:a –ㄷ Ag 이온 농도가 각각 5, 10, 15ppm인 25°C에서 2분 동안 증착; 그리고 d –f 각각 2, 4, 6분 동안 5ppm 농도의 Ag 이온으로 25°C에서 증착 EDS 결과 a 삽입

그림 1a는 흰색 침전물이 sc-Si 기판에 퇴적되었음을 명확하게 보여줍니다. 이는 에너지 분산 분광계(EDS:그림 1a의 삽입)로 Ag 나노 입자임을 확인했습니다. 환원된 Ag 나노 입자는 산화 반응이 일어난 실리콘을 대체하여 실리콘 기판에 증착되었습니다. 직경 15nm의 Ag 나노입자는 5ppm의 AgNO₃의 존재와 함께 균일하고 조밀하게 분포되었습니다. (그림 1a). 그러나 10ppm AgNO₃의 경우 농도가 높을수록 Ag 나노 입자의 직경이 고르지 않게 증가했습니다(그림 1b, c). 도 1b의 국부적 Ag 나노입자의 직경은 80nm로 증가하였고, 도 1c의 직경은 100nm까지 증가하였다. 그림 1d–f의 SEM 이미지는 5ppm AgNO₃에서 각각 2, 4, 6분 동안 증착된 Ag 나노입자를 보여줍니다. 25°C. 이는 Ag 침전물의 형태가 퇴적 시간이 길어짐에 따라 많이 변하고 불규칙(1차원에서 2차원으로 다양)하게 됨을 보여준다. 또한, 이러한 막대 모양의 Ag 나노 입자(길이 약 130nm)는 시간 지연에 의해 sc-Si 표면에 불규칙하게 증착되어 Ag 나노 입자 분포의 균일성을 파괴했습니다. 요약하면 실온에서 5ppm의 Ag 이온 농도와 2분의 증착 시간을 제안합니다.

균일한 Ag 나노입자가 코팅된 sc-Si 웨이퍼를 나노다공성 실리콘 구조를 제조하기 위해 상용 첨가제가 포함된 혼합산 용액에 담그었다. 히드록실과 카르복실을 함유한 폴리올의 혼합물일 수 있는 이 상업적 첨가제는 H₂ 이러한 낮은 Ag 농도의 경우 반응에서 생성된 물질이 기질 표면에서 자동으로 벗어날 수 없습니다(추가 파일 1). 그림 2a-f의 SEM 이미지는 MACE 전후의 나노다공성 실리콘의 형태와 단면을 보여줍니다. 그림 2b에서 볼 수 있듯이 1분 동안 MACE 처리를 통해 sc-Si에서 나노다공성 실리콘 구조가 생성되었습니다. 나노다공성 실리콘의 직경은 20nm, 깊이는 약 1.3μm에 이르렀습니다. 그 다음, 나노다공성 실리콘의 직경과 깊이는 모두 MACE 시간이 길어짐에 따라 증가했으며, 직경도 더 명확하게 변했습니다. 2분 동안 MACE 처리한 나노다공성 실리콘의 직경은 40nm, 3분 처리에 50nm, 4분 처리에 80nm, 5분 처리에 110nm로 증가했습니다. 그림 2b–f의 단면 삽입은 MACE 시간이 1분에서 5분으로 증가할 때 나노다공성 실리콘의 깊이가 1.3~3μm로 다양함을 보여줍니다. 그러나 MACE 시간이 길어지면 단면에 상당히 많은 나노홀이 생성됩니다. Chartier의 보고서에 따르면 MACE에서 생성된 나노다공성 실리콘은 직선 및 곡선 원통형 기공 구조를 포함하며 직선형 나노홀은 에칭 용액의 몰비가 ρ일 때 지배적입니다. =[HF]/([HF] + [H₂ O₂ ]) 약 45%[36]입니다. ρ에도 불구하고 =45% 우리 작업에서 MACE가 4분 이상 처리될 때 시간 경과에 따른 에칭으로 생성된 다량의 곡선 원통형 기공(그림 2e, f의 두 삽입된 단면 모두). 일련의 실험을 통해 우리는 나노다공성 실리콘의 광포집 능력이 시간이 지남에 따라 MACE 처리에 따라 감소함을 관찰했습니다. 다양한 온도에서 MACE 처리 시간에 대한 나노다공성 실리콘의 평균 반사율은 그림 3에 나와 있습니다. 평균 반사율은 35°C에서 3분 MACE 처리에 대해 최소화된 다음 시간 지연에 따라 증가합니다. 한편, 나노다공성 실리콘의 평균 반사율은 온도가 35°C 이상일 때 거의 변하지 않았습니다. 구부러진 원통형 나노홀의 생성으로 인해 나노다공성 실리콘 구조가 수직이 아닌 속이 비어 있고 지저분해져서 입사광이 구부러진 나노홀을 통해 공기로 다시 반사될 수 있다는 사실로 설명될 수 있습니다. 한편, 나노다공성 실리콘 자체는 ​​HF와 H₂의 혼합 용액에서 천천히 산화되어 용해되었다. O₂ 이는 기판 표면을 매끄럽게 만들고 평균 반사율을 증가시켰습니다. 온도가 30°C 이상일 때 반사율이 변화하는 유사한 경향은 편리한 MACE 온도가 35°C임을 보여줍니다. 결론적으로, 나노다공성 실리콘 구조는 이전에 보고된 적이 없는 초저 농도의 Ag 이온으로 MACE 공정으로 제작되었다. 수직 나노다공성 실리콘 구조를 제조하기 위한 MACE의 최적화 조건(온도 35°C 및 시간 3분)을 제안합니다.

처리 시간이 다른 나노다공성 실리콘(인서트의 단면)의 SEM 이미지. 나노다공성 실리콘의 SEM 이미지:a 가공 및 b –f 35°C에서 1, 2, 3, 4, 5분 처리를 위한 삽입된 나노다공성 실리콘 및 단면

특정 온도에서 시간의 평균 반사율 나노다공성 실리콘 의존성. 나노다공성 실리콘 구조의 평균 반사율은 각각 30, 35, 40, 45 및 50°C에서 처리 시간에 따라 달라집니다.

MACE에 의해 생성된 나노다공성 실리콘은 역 피라미드 구조의 기초가 됩니다. 웨이퍼는 알칼리성 이방성 텍스처링 공정에서 수정되었으며 NaOH 수용액의 첨가제 A는 기존 sc-Si 텍스처링에서 계면활성제와 유사한 역할을 했습니다. 기판 표면의 기포를 제거하고 에칭액의 이방성 인자에 영향을 줍니다. 마지막으로 역 피라미드 구조에 액세스했습니다. 그림 4a는 나노다공성 실리콘 구조를 보여주고, 그림 4b–f는 각각 1, 3, 5, 7, 9분 동안 NaOH 텍스처링이 적용된 역 피라미드 구조를 보여줍니다. 그림 4b, c는 각각 1분 및 3분 동안 알칼리 이방성 처리를 통해 역 피라미드 모양의 바닥(그림 4b, c에 삽입)이 있는 정사각형 구멍으로 변한 나노다공성 실리콘 구조를 보여줍니다. 텍스처링 시간이 길어짐에 따라 그림 4c-f와 같이 역 피라미드 구조가 성장하고 특정 영역이 점차 용해됩니다. 알칼리성 화학 텍스처링을 5분 동안 처리하면 너비가 500nm, 깊이가 350nm인 역 피라미드 구조가 제작되었습니다. 그러나 상당히 많은 결함 구조가 존재했습니다(그림 4d 삽입). 그림 4e와 같이 7분 동안 텍스처링 처리를 하면 너비 1μm의 역피라미드가 제작되어 균일하게 분포됩니다. 2면각은 54.7°였으며 단면에서 관찰되는 결함 구조가 더 적었습니다(그림 4e의 삽입). 처리 시간이 최대 9분일 때 역피라미드는 표면이 매끄럽고 결함 구조가 거의 없었습니다(그림 4f). 그러나 역 피라미드의 일부 측벽이 용해되고 크기가 2~4μm인 새로운 마이크로 규모의 협곡 어레이가 형성되는 것을 쉽게 관찰할 수 있었습니다. 측벽의 용해로 인해 중첩 구조가 생성되었습니다(그림 4f 삽입). 역 피라미드 구조는 결함 영역이 거의 없이 분포되어 있음에도 불구하고 큰 피트 구조는 광 흡수 능력을 감소시킬 수 있습니다. 그림 5는 각각 1분, 3분, 5분, 7분, 9분 동안 알칼리성 이방성 텍스처링이 적용된 역 피라미드 구조의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. 반사 스펙트럼은 알칼리 텍스처링이 1분 동안 처리될 때 다량의 나노구조 용해로 인해 원래의 나노다공성 실리콘에 비해 광포집 능력이 감소함을 보여주었다. 300~1000nm 파장 범위의 평균 반사율은 15.45%입니다. 분명히, 텍스처링 시간이 증가함에 따라 역 피라미드 구조의 형성을 위해 광 흡광도가 점진적으로 향상되었습니다. 7분 동안 텍스처링을 처리했을 때 반사율은 9.2%로 최소화되었으며 역 피라미드형 sc-Si 웨이퍼의 균일성은 타사에 비해 최고에 도달했습니다. 그런 다음 역 피라미드의 용해 및 대형 중첩 피트 구조의 형성으로 인해 빛 포착 능력이 감소하고 9분 동안 텍스처링으로 반사율이 최대 10.5% 증가했습니다. 게다가, 이 sc-Si 질감은 식물 생산에서보다 더 반사적이었습니다. 따라서 나노다공성 실리콘 구조는 특정 화합물 첨가제가 포함된 NaOH 수용액에서 텍스처링되었고 너비가 1μm인 균일하게 분포된 역 피라미드 구조가 60°C에서 7분 동안 액세스되었습니다. 평균 반사율은 9.2%로 조절되었습니다.

다른 시간에 대한 역 피라미드(삽입 단면) 처리의 SEM 이미지. SEM 이미지:a 나노다공성 실리콘 및 b –f 각각 1, 3, 5, 7, 9분 동안 NaOH 수용액에서 60°C에서 역 피라미드 표면 단면 및 단면 텍스처링

다른 시간 동안 텍스처링된 역 피라미드 구조의 반사 스펙트럼. 각각 1, 3, 5, 7, 9분에서 알칼리성 텍스처링 시간에 대한 역 피라미드 구조가 있는 sc-Si의 반사 스펙트럼

패시베이션을 위한 표면 미세구조의 광포집 능력과 손쉬운 설계를 모두 고려하여 우리는 태양 전지를 제작하기 위해 너비 1μm의 역 피라미드 구조를 선택했습니다. 역 및 직립 피라미드 sc-Si 웨이퍼의 PECVD에 의한 상자 저항 및 SiNx 필름 특성은 표 1에서 비교됩니다. 우리는 10세트의 테스트 샘플과 대조군 샘플을 테스트했습니다(각 세트는 10개 포함). 역 피라미드 sc-Si 웨이퍼와 수직 피라미드 sc-Si 웨이퍼 사이의 평균 상자 저항의 갭은 작았고, 역 피라미드 sc-Si 분포의 균일성조차도 STD 데이터에서 약간 관찰된 수직 피라미드를 주도했다. PECVD에 의한 SiNx 막 패시베이션 특성을 비교하면 역 피라미드 구조의 sc-Si에 부동태화된 SiNx 막이 직립 피라미드에 비해 10nm 더 얇고 굴절률이 0.14 더 높다는 것을 알 수 있습니다. 이는 역 피라미드 구조의 부동태화 비용이 수직 구조보다 낮을 수 있음을 의미합니다. 이 텍스처링 기술의 산업화 응용에 유리합니다. 평균 반사율, 내부 양자 효율(IQE) 및 외부 양자 효율(EQE)은 그림 6에 나와 있습니다. 1μm 너비의 역 피라미드 구조의 평균 반사율은 식물 생산에서 수직 구조의 평균 반사율보다 1% 낮습니다( 그림 6a). 역 피라미드 구조의 sc-Si 태양전지의 SiNx 박막 증착 과정은 수직 피라미드 sc-Si와 동일하였다. 그림 6b에서 보는 바와 같이 역 피라미드형 sc-Si 태양전지의 IQE는 직립 태양전지의 IQE와 유사하였다. 한편, 그림 6c와 같은 역 피라미드 구조의 sc-Si 태양전지의 EQE는 파장 300~600nm에서 향상되었다. 최적화되지 않은 PECVD 기술은 역 피라미드형 sc-Si 태양전지의 IQE 개선을 방해하는 것으로 가정했으며, 300~600nm의 단파장에서 EQE가 앞서는 것은 위에서 설명한 단파장에서 반사율이 우월하기 때문일 수 있습니다.

a의 비교 반사 스펙트럼, b IQE 및 c EQE. 아 역 및 직립 피라미드 구조의 반사 스펙트럼. ㄴ IQE 및 c 역 및 직립 피라미드 sc-Si 태양 전지의 EQE

3차원(3D) FDTD(Finite Differential Time Domain) 해석을 사용하여 역 피라미드 구조의 계면 근처에서 태양광 효과를 시뮬레이션하고 분석했습니다. 역/직립 피라미드의 시뮬레이션 치수는 너비가 1μm로 설계되었습니다. λ를 사용했습니다. =631.57 nm - 전기장 강도 계산(|E| ² ) 태양 스펙트럼의 최대 복사 조도에 가까운 전자파 분포. Fig. 7a, b에 나타난 시뮬레이션 결과와 같이 631.57 nm의 전자기파 에너지는 대부분 역 피라미드 내부에 모여 있는데, 이는 수직 피라미드보다 훨씬 강력하다. 이 시뮬레이션 결과는 역 피라미드 구조의 더 강력한 광자 포착 능력을 확인시켜줍니다.

역/직립 피라미드 구조 sc-Si에서 전기장 강도 분포의 FDTD 시뮬레이션. 역/직립 피라미드 구조 sc-Si에서 전기장 강도 분포의 3D FDTD 시뮬레이션. 역/직립 피라미드 크기는 1μm로 설계되었습니다.

두 가지 유형의 sc-Si 태양 전지의 주요 전기적 성능 비교는 표 2에 나와 있습니다. 역 피라미드 구조의 sc-Si 태양 전지는 20.19%의 더 높은 효율과 단락 전류 밀도(J _sc ) 0.22mA cm ⁻² 3D FDTD 시뮬레이션 결과를 재확인하는 수직 것보다 높습니다. 개방 회로 전압(V _oc ) 역 피라미드 구조의 sc-Si 태양 전지는 647mV에 도달하여 직립 피라미드형 태양 전지보다 2mV 높았습니다. IQE 결과와 함께 V _oc 패시베이션 기술이 최적화되면 역 피라미드형 태양 전지의 이점이 확대될 것입니다. 충전율(FF)은 직립보다 0.05% 높았습니다. 광전 변환 효율의 추가 개선 조치는 Auger 재결합의 효과적인 제한, 더 강력한 빛 포획 능력 및 더 나은 부동태화 기술에 중점을 두어야 합니다.