실리콘 양자점 태양전지에 대한 니오븀 도핑된 산화티타늄 두께 및 열 산화물층의 불순물 차단층 효과

결과 및 토론

그림 2a는 Si-QDML/TiO_{x의 HRTEM 이미지를 보여줍니다.} :Nb/n ⁺⁺ -폴리실리콘 구조. 이 샘플의 경우 TiO_{x 이전에는 HF 처리가 수행되지 않았습니다.} :Nb 증착. TiO_{x 사이에 더 밝은 층이 보입니다.} :Nb 및 n ⁺⁺ -poly-Si, 열 산화물 층이 n ⁺⁺ 동안 형성되었음을 나타냅니다. -a-Si:H 공정. 그림 2b는 Si-QDML의 확대된 단면 HRTEM 이미지를 보여줍니다. 그림 2b의 삽입은 Si-QDML의 전자 회절 패턴을 보여줍니다. 다층 구조가 성공적으로 제작되었음을 확인하였다. Si-QDs 결정상에서 유래된 프린지는 Si가 풍부한 층에서만 형성되었습니다. 회절 패턴에서 격자 상수는 5.40 Å에서 계산되었으며, 이는 5.43 Å의 결정질 Si 격자 상수와 잘 일치합니다. Si-QD의 크기는 Si가 풍부한 층 두께(~ 5 nm)와 거의 동일하여 크기 제어가 성공적으로 달성되었음을 시사합니다.

a의 단면 HRTEM 이미지 Si-QDML/TiO_x :Nb/열산화물/n ⁺⁺ -poly-Si 구조 및 b Si-QDML. (b)의 삽입은 전자 회절 패턴입니다.

그림 3은 Si-QDML/TiO_{x의 P 깊이 프로파일을 보여줍니다.} :Nb/열산화물/n ⁺⁺ - (a) 2nm 두께 및 (b) 10nm 두께 TiO_{x를 사용하는 poly-Si 구조} :네. Si-QDML은 10nm 두께의 Si가 풍부한 층과 1nm 두께의 장벽층의 20 주기였습니다. Si-QDML 영역에서 파동과 같은 주기적인 강도는 매트릭스 효과에 의해 발생하며 다층 구조를 나타냅니다. 매몰 매트릭스에 따라 다른 이온화율로 인해 검출 감도가 변하기 때문에 다층 구조에서 강도의 기복이 관찰된다[29]. Si-QDML과 n ⁺⁺ 사이의 P 이온 강도 -poly-Si는 2nm 두께의 TiO_{x에서 감소하지 않았습니다.} :Nb 샘플, P 확산이 발생했음을 나타냅니다. 반대로 10nm 두께의 TiO_{x를 사용한 샘플의 경우} :Nb, Si-QDML에서 P 이온의 강도는 n ⁺⁺ 에서와 비교하여 크기의 순서로 억제되었습니다. -폴리시. 결과는 더 두꺼운 TiO_x :Nb는 P의 상호확산을 차단하는 데 효과적입니다. 그림 4는 (a) Si-QDML/n ⁺⁺ 에 대한 P 강도 및 P 농도의 깊이 프로파일을 보여줍니다. -poly-Si 및 Si-QDML/TiO_x :Nb/n ⁺⁺ - (b) 2nm 두께 및 (c) 10nm 두께 TiO_{x를 사용하는 poly-Si 구조} :네. 이 그림에서 Si-QDML은 5nm 두께의 Si가 풍부한 층과 2nm 두께의 배리어 층의 30 주기입니다. 우리는 TiO_{x 이전에 이 샘플에서 HF 처리가 수행되었음을 강조합니다.} :Nb 증착, 따라서 열 산화물이 제거되었습니다. (그림 4a)에서 Si-QDML 영역에서 P 강도의 감소는 관찰되지 않았습니다. Si-QDML의 P 강도는 n ⁺⁺ 보다 더 높았습니다. -폴리 Si in (그림 4a). 유사한 경향이 (그림 3a)에서 관찰되었습니다. Si-QDML의 결함이 P의 게터링 사이트로 작용했을 가능성이 있습니다[30]. 대조적으로, 2nm 및 10nm 두께의 TiO_{x가 있는 Si-QDML에서 P의 강도는} :Nb 레이어는 n ⁺⁺ 의 레이어보다 200배 작습니다. -poly-Si, 그림 4 b 및 c에서 볼 수 있듯이. 10nm 두께의 TiO_x :열산화층이 없는 Nb는 P의 상호확산을 완전히 차단하지 못했다. (그림 4c)에서 확산된 P 원자의 농도는 3 × 10 ²⁰ 미만이었습니다. cm ⁻³ 확산 길이는 약 100 nm였습니다. 그러나 TiO_{x 없이} :Nb 및 열산화물 중간층(그림 4a)에서 확산된 P 원자의 농도는 약 5 × 10 ²¹ cm ⁻³ 그리고 확산 길이는 150 nm 이상이었고, 이는 10nm 두께의 TiO_x :Nb는 충분하지는 않지만 P-차단 효과에 영향을 줍니다. 10nm 두께의 TiO_{x의 P 강도 프로파일} :Nb 샘플은 2nm 두께의 TiO_x를 사용한 샘플과 거의 동일했습니다. :Nb, n ⁺⁺ 의 열 산화물 층이 있음을 나타냅니다. -poly-Si는 또한 P-차단에 기여합니다[31]. TiO_{x를 삽입하여 P-blocking을 실현할 수 있기 때문에} :Si-QDML과 n ⁺⁺ 사이의 Nb 레이어 -poly-Si, 10nm 두께의 TiO_{x를 적용해 보았습니다.} :Nb 우리의 태양 전지 구조입니다.

Si-QDML/TiO_{x에서 인 원자의 깊이 프로파일} :Nb/열산화물/n ⁺⁺ - a를 사용한 poly-Si 구조 2nm 두께의 TiO_x :Nb 및 b 10nm 두께의 TiO_x :Nb

a에 있는 인 원자의 깊이 프로필 Si-QDML/n ⁺⁺ -poly-Si 및 Si-QDML/TiO_x :Nb/n ⁺⁺ - b를 사용한 poly-Si 구조 2nm 두께의 TiO_x :Nb 및 c 10nm 두께의 TiO_x :Nb

그림 5는 J -V 열 산화물 중간층이 있는 Si-QDML 태양 전지의 특성 (a) 및 없는 (b). J _SC , V _OC , FF 및 변환 효율은 표 1에 요약되어 있습니다. 우리는 태양 전지에서 상호 확산 공정을 사용하지 않았습니다. 따라서 기존 Si-QD 태양전지 구조의 문제점 중 하나인 도펀트 상호확산에 의한 결함의 영향은 무시할 수 있다. (그림 5a)에서 열 산화물이 있는 샘플에서 순방향 바이어스 조건에서 S자 곡선이 관찰되었습니다. 대조적으로, J -V 열 산화물이 없는 태양 전지의 곡선은 정류 특성을 보였다(그림 5b 참조). 결과를 고려할 때 광 발생 캐리어는 열산화막에 의해 차단된 반면 광 발생 캐리어는 열산화막을 제거하여 효율적으로 수집되어 S자형 다이오드 곡선이 생성됨을 제안합니다. J _SC 0.137에서 1.89 mA/cm ² 로 대폭 증가했습니다. . 또한 조명하의 직렬저항은 11kΩ∙cm ² 에서 크게 감소했습니다. ~ 59 Ω∙cm ² HF 치료 후. 반면 V의 감소는 _OC HF 처리된 태양 전지에 대해 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 강화된 P-확산으로 인해 가능한 것으로 관찰되었다. a-Si 박막 태양전지의 경우, 도핑된 a-Si 층이 높은 결함 밀도를 갖고 광발생 캐리어가 pn 계면에서 즉시 재결합되기 때문에 pn 접합은 충분한 광기전력 효과를 갖지 못한다. 따라서 pn 계면에서 재결합으로 인한 이러한 누설 전류를 피하기 위해 도핑되지 않은 a-Si 층이 삽입되었습니다. Si-QDML 태양 전지도 p-i-n 구조를 가지고 있습니다. 의도치 않게 열산화층이 없는 경우에는 도핑되지 않은 Si-QDML이 P가 도핑된 Si-QDML로 변경되었다. Si-QDML은 비정질 상을 포함하기 때문에 P-도핑된 Si-QDML은 도핑되지 않은 Si-QDML에 비해 더 큰 결함 밀도를 가져야 한다. 캐리어 재결합으로 인한 p-a-Si:H/P 도핑 Si-QDML 인터페이스의 누설 전류 저하 V _OC . 10nm 두께의 TiO_x :열산화층이 있는 Nb는 P 확산을 성공적으로 억제하여 높은 V _OC 502 mV. 반면 10nm 두께의 TiO_x :Nb는 (그림 4c)에서 볼 수 있듯이 P 확산을 완전히 차단하지 않았습니다. 따라서 V _OC 저하가 발생했습니다. 태양 전지 특성의 추가 개선을 위해 더 두꺼운 TiO_{x를 증착하는 것이 좋습니다.} :Nb는 P 원자가 Si-QDML로 확산되는 것을 방지하는 데 필요합니다. 위에서 언급했듯이 TiO_{x의 총 두께는} :Nb와 열산화층은 P확산에 영향을 줍니다. 이 결과로부터 더 두꺼운 TiO_x :Nb가 10 nm보다 크면 태양전지 특성이 향상될 수 있습니다. 그림 6은 열산화층이 없는 Si-QD 태양전지의 IQE를 보여준다. 태양전지의 반사 스펙트럼도 보여주었다. IQE에서 볼 수 있는 주기적인 세기 변화는 평평한 기판 사용으로 인한 태양전지 구조에 의한 간섭의 영향으로 제시된다. 주로 n ⁺⁺ 에서 반사되는 박막 태양전지 영역에서 간섭이 발생한다고 생각했습니다. -폴리-Si/석영 기판. Si의 굴절률(약 3.4)은 석영의 굴절률(1.5)과 상당히 다릅니다[32, 33]. 반사파는 입사광과 상호작용하므로 파동의 주기적인 반사율이 관찰됩니다. 수백 나노미터 두께의 실리콘 박막에서 반사 스펙트럼의 유사한 경향이 보고되었습니다[34, 35]. 우리는 질감이 있는 기질이 그러한 상호작용을 사라질 것이라고 제안합니다. 우리의 이전 연구는 거친 표면 기판을 사용하여 간섭이 없는 IQE 스펙트럼을 보여주었습니다[28]. IQE 스펙트럼의 가장자리는 PL 피크에 해당하는 약 1000 nm(1.24 eV와 동일)에 위치했습니다(참조:[21]의 이전 보고서 참조). IQE edge는 일반 벌크 실리콘 및 비정질 실리콘의 흡수 edge와 일치하지 않아, 양자 구속 효과가 있는 실리콘 나노 결정에서 캐리어 생성이 발생했음을 나타냅니다.

제 -V 태양 전지 구조의 특성 a 열 산화물 및 b 열 산화물 없이. 10nm 두께의 TiO_x :Nb가 이 태양전지에 증착되었습니다.

열산화층이 없는 제조된 태양전지의 내부 양자 효율 및 파장 대 반사율. IQE와 반사율은 각각 빨간색과 파란색으로 그려졌습니다. TiO_x :Nb 층 두께는 10 nm