실리콘 나노와이어(SiNW)는 고효율의 얇은 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지의 제조를 가능하게 하는 광학적 구속 효과로 인해 에너지 응용 분야에 큰 잠재력을 보여줍니다. 10μm 길이의 SiNW 어레이는 1200 nm 미만의 충분한 태양광을 흡수할 수 있기 때문에 10μm 길이의 SiNW는 Si 웨이퍼의 영향을 제거하기 위해 Si 웨이퍼에 제작되었습니다. 한편, SiNW의 표면 패시베이션은 표면 재결합을 줄이고 SiNW를 c-Si 태양 전지에 적용할 수 있도록 하기 위해 해결해야 하는 중요한 문제입니다. 이 연구에서 산화알루미늄(Al2 O3 )은 댕글링 본드의 패시베이션을 위해 원자층 증착에 의해 제작되었습니다. 그러나 Al2로 SiNW를 완전히 덮기 때문에 O3 , 캐리어가 외부 회로로 이동할 수 없습니다. 따라서 SiNW의 상부에서 산화물을 균일하게 제거하기 위해 화학 기계적 연마를 수행했습니다. 비정질 실리콘(a-Si)을 이용해 1.6% 효율의 이종접합 태양전지를 성공적으로 제작했다. SiNW 및 c-Si 태양 전지의 내부 양자 효율(IQE)에 대해 논의했습니다. 340 nm 이하의 파장 영역에서 SiNW 태양 전지의 IQE는 c-Si 소자보다 높으며, 이는 SiNW 전지의 흡수를 증가시켜 SiNW가 결정질-실리콘 박형화에 유망함을 시사합니다.
결정질 실리콘(c-Si) 태양 전지는 높은 효율과 풍부함 때문에 전 세계적으로 널리 사용됩니다[1,2,3,4,5,6,7,8,9]. 이러한 태양전지의 발전 비용을 줄이기 위해서는 효율을 높이고 제조 비용을 줄여야 한다. 그러나 c-Si 태양전지의 효율은 이론적인 효율 한계에 가깝고 개방전압(V oc ) Auger 재조합[10, 11]에 의해 제한됩니다. 매우 얇은 c-Si 필름을 만드는 것은 V를 개선하는 효과적인 방법입니다. oc , 그러나 매우 얇은 c-Si 태양 전지는 낮은 단락 전류 밀도(I sc ) 낮은 흡수 계수 때문입니다[12, 13]. 최근 실리콘 나노와이어(SiNW)는 태양전지에서 빛을 포획하는 데 필수적인 강력한 광학적 구속 효과를 나타내기 때문에 상당한 주목을 받고 있다[14,15,16,17,18,19,20,21]. 이전 실험에서 우리는 폴리디메틸실록산을 사용하여 실리콘 웨이퍼에서 SiNW를 벗겨냄으로써 SiNW의 광학 특성을 평가하는 데 성공했습니다[22]. 10μm 길이의 SiNW 어레이는 충분한 빛을 흡수할 수 있으며, 이는 SiNW가 c-Si 태양 전지의 두께를 줄일 수 있음을 나타냅니다. 자립형 SiNW 어레이를 제작하기 어렵기 때문에 Si 웨이퍼가 필요하다. 이 연구에서는 Si 웨이퍼에 10μm 길이의 SiNW 어레이를 제작하는 데 중점을 두었습니다. 따라서 10μm 길이의 SiNW 어레이에 의해 1200nm 이하 파장 영역의 흡수를 극대화하기 위해 Si 웨이퍼의 영향을 제거할 수 있습니다. 한편, 태양전지 구조에 SiNW를 적용하기 위해서는 표면 재결합을 줄이기 위해 표면에 패시베이션막을 제작해야 한다. 우리는 SiNW가 높은 종횡비를 나타내므로 화학 기상 증착에 의한 보호막을 제조하기가 어렵다는 것을 발견했습니다. 따라서 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의해 SiNW 표면에 패시베이션 필름을 제조하였다[23, 24]. 반면에 Al2를 포함하는 SiNW 어레이는 O3 기계적 강도가 향상되어 실리콘 웨이퍼에서 박리되지 않습니다. 또한, 절연성 Al2 때문에 캐리어가 외부 회로로 이동할 수 없습니다. O3 영화. 이 연구에서 우리는 10μm 길이의 SiNW가 Si 웨이퍼에 제작된 새로운 구조(그림 1 참조)를 제안합니다.
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Al2를 포함하는 SiNW 태양 전지 구조 O3
SiNW와 a-Si 사이의 접점을 형성하기 위해 Al2 O3 SiNW 상단에 존재하는 CMP(Chemical-Mechanical Polishing) 및 에칭으로 제거되었습니다. Al2의 영향 O3 태양 전지의 특성에 대한 에칭을 조사했습니다.
p형 Si(100) 웨이퍼(8–10 Ω cm, 550 μm)를 AgNO3가 포함된 불화수소산(HF) 용액에 담그었습니다. 은 입자를 증착합니다. Si 웨이퍼는 4.8 M HF 및 0.15 M H2를 사용하여 화학적으로 에칭되었습니다. O2 실온에서, 후속적으로 HNO3에 첨가 실버 필름을 제거하는 솔루션. 마지막으로 HF 용액을 이용하여 제조된 SiNW 어레이에 존재하는 산화막을 제거하였다. 10, 15 및 20 μm 길이의 SiNW는 에칭 시간을 변경하여 제작되었습니다. SiNW 사이의 공간이 크기 때문에 직경이 약 80 nm인 실리카 입자(에탄올 용액에 분산됨)가 와이어 사이의 공간에 채워졌습니다. 그런 다음 66nm 두께의 Al2 O3 댕글링 본드를 부동태화하기 위해 ALD에 의해 증착되었습니다. 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, JEOL JSM-7001F)을 적용하여 준비된 SiNW 어레이의 구조를 조사했습니다.
다음으로, 에칭 페이스트와 CMP 방법을 적용하여 SiNW의 상단과 Al2를 제거했습니다. O3 그들에. 그림 2a는 Al2를 보여줍니다. O3 에칭 페이스트를 사용한 에칭 절차. Al2 위에 에칭 페이스트가 형성되었습니다. O3 레이어를 제거한 다음 어닐링하여 제거합니다. 마지막으로 에칭 페이스트를 제거하였다. CMP의 경우 자세한 과정은 그림 2b와 같다. 제작된 태양전지 구조에서 SiNW 어레이의 길이는 10 μm로 일정하게 유지되었고, 따라서 SiNW 어레이의 초기 길이를 변경함으로써 에칭 두께가 변경되었다. SiNW의 초기 길이가 10 μm일 때, 나노와이어의 상부에서 식각이 중단되었다(식각 두께 0 μm, SiNW의 길이 10 μm, 남아있는 Si 웨이퍼의 두께 540 μm). 이는 Al<하위>2 O3 SiNW 위의 부분만 에칭되었습니다. 초기 SiNW 길이가 15 μm인 경우 에칭 길이는 5μm SiNW 및 Al2를 포함하여 5 μm로 정의되었습니다. O3 (에칭 두께 5 μm, SiNW의 길이 10 μm, 남은 Si 웨이퍼의 두께 535 μm). 에칭 길이를 10 μm로 정의할 때 초기 길이는 20 μm(에칭 두께 10 μm, SiNW의 길이 10 μm, 남은 Si 웨이퍼의 두께 530 μm)였다.
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알2 O3 태양 전지의 에칭 절차 및 제조 절차:a 에칭 페이스트 및 b CMP. ㄷ 이종접합 태양전지(기준 태양전지)
그림 1은 여기에서 제작된 태양 전지 구조를 보여줍니다. -Si와 Si의 이종 접합 구조가 채택되었습니다. 이종접합 구조의 제작과정 및 조건은 Fig. 2의 SiNW 태양전지 및 기준태양전지와 동일하다. 기준태양전지의 경우 p형 Si(100) 웨이퍼(8–10 Ω cm, 550 μm)는 SiNW 없이 사용되었습니다. i형 수소화 비정질 실리콘층(ia-Si:H, 두께 5 nm), n형 a-Si:H층(두께 10 nm), p형 a-Si:H층을 증착하여 이중 이종접합을 형성하였다. 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 통한 Si:H 층(두께 10 nm). 인듐 주석 산화물(ITO)(두께 80 nm)과 Ag 그리드를 사용하여 전면 전극을 제작했습니다. 태양 전지의 반사율은 자외선-가시선-근적외선 영역에서 측정되었습니다. SiNW의 소수 캐리어 수명을 측정하기 위해 준 정상 상태 광전도율(QSSPC, Sin-ton Instruments) 실험이 수행되었습니다. SiNW 태양 전지는 조명된 전류-전압(I–V ) 및 양자 효율 측정. 별도의 처리 없이 동일한 웨이퍼에 제작된 기준 태양전지의 파라미터를 표 1에 나타내었다.
Al2가 없는 SiNW 어레이의 캐리어 수명 O3 QSSPC로 측정할 수 없습니다. 몇 가지 결함이 SiNW 표면에 존재했습니다. 이들은 소수 캐리어의 상당한 재결합으로 이어질 수 있는 댕글링 본드와 관련이 있습니다. SiNW 표면을 보호하기 위해 Al2 O3 그림 3b와 같이 Al2와 함께 ALD에 의해 기탁되었습니다. O3 공간 없이 SiNW 어레이에 포함되는 증착물. SiNW/Al2에 공간이 있는 경우 O3 , 이 필름은 CMP에 의해 쉽게 파손됩니다. 또한 Al2를 포함하는 수명 Si 웨이퍼 O3 Al2의 두께가 증가함에 따라 증가 O3 그림 4a와 같이 66 nm부터 일정한 경향을 보였다. 이 결과로부터 Al2의 두께는 O3 층은 66 nm로 설정되었습니다. 그림 4b는 소수 캐리어 밀도의 함수로 각 샘플의 소수 캐리어 수명을 보여줍니다. Al2를 포함하는 SiNW의 소수 캐리어 수명 O3 65 μs로 급격히 증가했습니다(그림 4). 댕글링 본드가 Al2에 의해 수정되었기 때문에 O3 , 결함 밀도가 감소했습니다. 또한 SiNW/Al2의 소수 캐리어 수명 개선 O3 , 포밍 가스(FG)의 어닐링이 수행되었고 캐리어 수명이 157 μs로 향상되었습니다. Si 웨이퍼/Al2의 캐리어 수명일 때 O3 캐리어 밀도의 함수를 고려하여 어닐링이 있는 경우와 없는 경우의 경향이 다릅니다. 낮은 캐리어 밀도 영역에서 캐리어 수명은 음의 고정 전하에 의해 증가했습니다. 반면에, Shockley-Read-Hall 재결합이 우세해짐에 따라 어닐링이 없는 소수 캐리어 수명이 감소했습니다. 음의 고정 전하는 Al2 사이의 경계면에서 밴드 굽힘의 형성에 영향을 미치기 때문에 O3 및 Si 표면, Si 표면에서의 재결합이 감소될 수 있다[25]. 캐리어 밀도의 함수로서 캐리어 수명의 경향에 의해 음의 고정 전하의 존재에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 따라서 우리는 SiNW/Al2 O3 어닐링 후 음의 고정 전하로 개선되었습니다. SiNW는 Al2에 의해 완전히 덮여 있지만 O3 , 캐리어가 외부 회로로 이동하지 않았습니다. 따라서, 태양 전지 구조를 제조하기 위해 Al2 O3 SiNW의 상단에 존재하는 것은 에칭 페이스트를 사용하고 CMP 기술을 적용하여 제거해야 합니다.
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아 Si 웨이퍼/Al2의 소수 캐리어 수명 O3 Al2의 기능으로 O3 필름 두께. ㄴ 소수 캐리어 밀도의 함수로서의 각 샘플의 소수 캐리어 수명
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SiNW a의 SEM 이미지의 상위 뷰 및 b 없이 Al2 포함 O3
먼저 에칭 페이스트를 사용하여 Al2를 제거했습니다. O3 SiNW 어레이의 상단에서. 식각 후, n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si 시스템을 형성하여 이종접합-태양전지 구조를 제작하였다. 그림 5a는 I–V를 보여줍니다. SiNW 태양 전지의 특성 및 태양 전지 매개 변수, 직렬 저항(R s ), 션트 저항(R 쉿 ), 이상 계수 및 정류비(RR). RR은 나로 정의됩니다. F /나 R , 여기서 나 F (0.5 V에서) 및 I R (- 0 .5 V에서)는 각각 순방향 및 역방향 바이어스에서의 전류를 나타냅니다. Al2를 포함하는 SiNW 태양전지에서 광기전력 효과가 관찰되었습니다. O3 , 결과는 Al2의 제거를 보여줍니다. O3 SiNW의 상단에서. 그러나 낮은 단락전류(I sc ) 및 개방 회로 전압(V oc ) 값. V의 경우 oc , Al2를 포함하는 SiNW의 캐리어 수명 O3 에칭 페이스트 사용 후 9 μs로 감소. 그림 5b는 Al2가 포함된 SiNW 어레이의 SEM 이미지의 고배율 평면도를 보여줍니다. O3 에칭 후. SiNW가 노출되는 면적이 작고, 꺼낼 수 있는 캐리어의 수가 감소했습니다. 그림 5c는 SEM 이미지의 저배율 평면도를 보여줍니다. 식각이 불균일하게 진행되고 식각 전의 형상이 이미 불균일하기 때문에 Al2의 불균일 O3 에칭 후 증가합니다. Al2를 제거하는 것이 어렵다는 것을 발견했습니다. O3 에칭 페이스트를 균일하게 사용하되 I sc SiNW 태양전지의 경우 균일한 식각이 필요합니다.
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아 I–V Al2를 포함하는 SiNW 태양 전지의 특성 O3 에칭 페이스트를 사용하여 제거합니다. ㄴ Al2를 포함하는 SiNW의 SEM 이미지의 고배율 평면도 O3 에칭 페이스트를 사용한 후. ㄷ Al2를 포함하는 SiNW의 SEM 이미지의 저배율 평면도 O3 에칭 페이스트 사용 후
Al2를 균일하게 식각하기 위해 CMP를 수행했습니다. O3 SiNW에 입금되었습니다. 그림 6a 및 b는 Al2가 있는 SiNW의 평면도 SEM 이미지를 보여줍니다. O3 CMP 후. 첫째, SiNW 어레이는 CMP 후에 파손되지 않았으며, 이는 Al2를 포함하는 SiNW 어레이의 기계적 강도를 나타냅니다. O3 SiNW 사이의 공간을 임베딩하여 개선되었습니다. CMP는 Al2를 균일하게 에칭할 수 있기 때문에 O3 , SiNW/Al2의 상단 O3 필름이 평평해졌습니다.
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아 Al2를 포함하는 SiNW의 SEM 이미지의 저배율 평면도 O3 CMP 후. ㄴ Al2를 포함하는 SiNW의 SEM 이미지의 고배율 평면도 O3 CMP 후. ㄷ Al2를 포함하는 SiNW의 SEM 이미지 단면도 O3 CMP 이후
CMP 후 PECVD 시스템을 이용하여 n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si를 형성하여 이종접합-태양전지 구조를 제작하였다. 그림 7은 I–V를 보여줍니다. 에칭 두께가 0, 5, 10 μm인 SiNW 태양전지의 특성과 태양전지 매개변수 R s , R 쉿 , 이상 인자 및 RR은 표 2에 나열되어 있습니다. 식각 두께가 0 μm(SiNW의 상단이 관찰되었을 때 식각이 중단됨)의 경우 변환 효율이 0.8%로 광기전력 효과가 확인되었습니다. 나 sc 6.11 mA/cm 2 관찰되었다. 비록 나 sc 에칭 페이스트에 대해 얻은 결과와 비교하여 값이 증가했지만 여전히 낮은 값입니다. SiNW 어레이의 상단은 그림 4a에서 표면 장력에 의해 집계되었습니다. SiNW의 일부가 a-Si 층과 접촉하지 않았기 때문에 캐리어가 외부 회로로 어렵게 이동했습니다. 접촉 면적을 개선하기 위해 에칭 두께를 5 μm로 증가시켰고, I sc 10.3 mA/cm 2 로 증가 . 10 μm의 에칭 두께에서 I sc 14.0 mA/cm 2 로 개선 . 응집된 SiNW 어레이가 제거됨에 따라 SiNW와 a-Si 사이의 접촉 면적이 증가했습니다. 반면에 매우 낮은 V oc 0.3 V의 값이 얻어졌습니다. 소수 캐리어는 CMP 후 측정되었으며 소수 캐리어 수명은 Al2의 부동태화 품질 때문에 157에서 19 μs로 급격히 감소했습니다. O3 CMP에 의해 감소된 예금. CMP 후 소수 캐리어 밀도가 낮은 영역에서 소수 캐리어 수명이 감소하기 때문에 음의 고정 전하가 감소했습니다. SiNW 표면의 재조합 중심이 증가하여 낮은 V oc . 또한, 와이어의 경우 표면에 캐리어가 비산되어 캐리어 이동도가 낮아지고 전도도가 낮아진다. 이러한 결과는 음의 고정 전하가 CMP에 의해 감소될 수 있음을 나타내었지만 메커니즘은 여전히 불명확합니다. 반면에 R s , R 쉿 , 이상 인자 및 에칭 페이스트의 RR과 CMP 결과를 비교한 결과, 에칭 페이스트의 각 파라미터가 CMP보다 우수하다. R 이후 s CMP가 에칭 페이스트보다 크고 R 쉿 CMP가 에칭 페이스트보다 낮으면 SiNW 상단에 오염이 남아 SiNW와 a-Si 사이의 양호한 접촉을 방지할 수 있습니다. 따라서 V를 향상시키기 위한 패시베이션 품질의 개선에 대한 추가 연구가 필요하다. oc 그리고 나 sc 태양 전지의.
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아 I–V Al2를 포함하는 SiNW 태양 전지의 특성 O3 CMP에 의해 제거됨
10μm 길이의 SiNW와 c-Si 태양전지의 양자 효율을 비교했다. 외부 양자 효율(EQE)의 경우, SiNW 태양 전지의 강도는 그림 8a의 c-Si 태양 전지보다 대부분 낮다. 그러나 SiNW 태양전지의 EQE는 300에서 500 nm 영역으로 향상되었다. 그림 8b는 SiNW와 c-Si 태양전지의 반사율을 보여주며, 특히 단파장 영역(300~500 nm ) 대폭 감소합니다. SiNW 태양 전지의 반사율은 c-Si 태양 전지의 반사율보다 낮지만 다른 영역의 SiNW 소자의 EQE는 c-Si 태양 전지의 반사율보다 낮습니다. 빛의 장파장 영역이 SiNW의 바닥에서 흡수되기 때문에 SINW 태양전지의 EQE가 감소하였다. 반사율의 영향을 제거하기 위해 SiNW 및 c-Si 태양 전지의 내부 양자 효율(IQE)에 대해 논의했습니다. SiNW 태양전지의 IQE가 c-Si 태양전지보다 높은 파장영역이 감소하였다. 340 nm 이하의 파장 영역에서 SiNW 소자의 IQE는 c-Si 태양 전지보다 높아서 SiNW의 흡수가 증가합니다. 흡수의 증가는 광학 공동 효과보다는 빛 포착 효과에 의해 발생합니다. SiNW를 이용하여 광공동 효과를 얻기 위해서는 SiNW의 직경과 위치를 조절해야 한다. MAE로 제작된 SiNW의 직경과 위치가 랜덤하기 때문에 SiNW를 이용한 광공동 효과를 얻기 어렵다. 한편, SiNW의 랜덤 구조는 강한 광포집 효과를 가질 수 있으며, 이는 MAE로 제조된 SiNW가 결정질-실리콘 박형화에 유망함을 시사합니다.
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아 SiNW 태양 전지 및 기준 태양 전지의 EQE 및 IQE. ㄴ SiNW 태양 전지와 기준 태양 전지의 반사율
SiNW의 표면 패시베이션은 태양 전지 장치에 적용하는 데 중요합니다. 알2 O3 댕글링 본드를 부동태화하기 위해 ALD에 의해 제작되었습니다. ALD는 Al2를 입금할 수 있기 때문에 O3 전체 SiNW에서 캐리어는 외부 회로로 이동할 수 없습니다. 본 연구에서는 Al2를 에칭하기 위해 에칭 페이스트와 CMP 기술을 적용하였다. O3 SiNW의 상단에서. 에칭 페이스트로 0.14% 효율의 SiNW 태양 전지를 성공적으로 얻었다. 그러나 SiNW 어레이는 표면 장력에 의해 응집되기 때문에 SiNW와 a-Si 사이의 접촉 면적이 작아 낮은 I sc . 효율을 더욱 향상시키기 위해 에칭 두께를 증가시켰고, I sc . EQE의 경우 SiNW 태양전지의 세기가 c-Si 태양전지보다 낮다. 300~500 nm에서 단파장 영역의 반사율이 급격히 감소하여 EQE가 향상되었습니다. 반사율의 영향을 제거하기 위해 SiNW 및 c-Si 태양 전지의 IQE가 논의되었습니다. 340 nm 이하의 파장 영역에서 SiNW 소자의 IQE는 c-Si 태양 전지의 IQE보다 높으며, 이는 SiNW의 흡수를 증가시켜 SiNW가 결정질-실리콘 박형화에 유망함을 시사합니다. /P>
산화알루미늄
화학적 기계적 연마
외부 양자 효율
순방향 바이어스 전류
내부 양자 효율
역 바이어스 전류
단락 전류
전류-전압
정류비
직렬 저항
션트 저항
실리콘 나노와이어
개방 회로 전압약어
나노물질
초록 우리는 α를 기반으로 한 평면 모델 이종 접합을 제안합니다. -보로펜 나노리본 및 그 전자 수송 특성 연구. 우리는 각각 세 가지 유형의 이종 접합을 고려합니다. 각 유형은 두 개의 지그재그 가장자리 α로 구성됩니다. -보로펜 나노리본(Z α BNR), 하나는 수소 원자(1H-Z α)에 의해 보호되지 않거나 가장자리가 보호된 금속성입니다. BNR)이고 다른 하나는 2개의 수소 원자(2H-Z α)에 의해 보호된 가장자리로 반도체입니다. BNR) 또는 단일 질소 원자(N-Z α BNR). 비평형 Green의 기능과 결합된 첫 번
초록 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 전력변환효율(PCE)이 급격히 증가하고 있지만 아직 상용화를 제한하는 몇 가지 문제가 있다. 페로브스카이트는 물 분자에 민감하여 주변 조건에서 페로브스카이트 필름을 준비하는 데 어려움을 증가시킵니다. 기존 방식에 기반한 대부분의 고성능 PSC는 불활성 분위기에서 제조해야 하므로 제조 비용이 증가합니다. 주변 조건에서 고품질 페로브스카이트를 제조하기 위해 기판을 예열하고 적절한 반용매를 선택했습니다. 그 결과, 타겟 페로브스카이트 필름은 상온 조건에서 기존의 1단계 증착 방법으로 제조된 페로브
