고효율 실리콘 역피라미드 기반 부동태 이미터 및 후면 전지

결과 및 토론

그림 2a–e는 실리콘 표면 텍스처링에 대한 다양한 공정 단계의 평면도 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 2a는 AgNO₃ 혼합 용액에서 MACE 방법으로 에칭된 Si 웨이퍼 표면의 50–80 nm 다공성 Si를 보여줍니다. /HF/H₂ O₂ . 그 후, 다공성 Si는 HF/HNO₃를 포함하는 혼합 수용액에서 등방성 에칭에 의해 개질됩니다. 그림 2b와 같이 직경이 800 nm인 나노홀 구조로 변합니다. 마지막으로, 크기가 다른 미크론 역 피라미드(IP)(그림 2c–e)는 각각 30, 60 및 90 동안 60°C의 수용액에서 수산화나트륨에 의해 얻어집니다. 그림 2c-e에서 알칼리 처리 후 30, 60 및 90 s의 세 가지 에칭 시간에 대한 IP 구조 크기가 각각 ~ 1, 1.3 및 1.8 μm임을 알 수 있습니다. 알칼리 처리 시간의 증가. 또한 에칭 시간이 증가함에 따라 IP가 붕괴되어 수직 피라미드로 이동하는 경향이 있음을 알 수 있습니다. 알려진 바와 같이, 역 피라미드는 직립 피라미드보다 역 피라미드에서 빛이 추가로 1~2회 반사되기 때문에 수직 피라미드보다 빛을 가두는 이점이 있습니다. 따라서 에칭 시간이 짧은 구조는 단파장 반사 방지의 장점으로 인해 PV 장치의 광 트래핑 텍스처에 적합합니다. 그림 2f는 그림 2a–e에 해당하는 다양한 표면 구조에 대한 비교 사진입니다.

준비된 Si 역 피라미드 구조(Si IPs-strus)의 형태. 아 MACE로 얻은 다공성 실리콘의 SEM 이미지. ㄴ HF/HNO₃에서 다음 수정에 의한 나노홀의 SEM 이미지 혼합 솔루션. ㄷ –이 각각 30, 60 및 90초 동안 60 °C에서 수성 NaOH 용액으로 에칭하여 역 피라미드(삽입된 단면)의 SEM 이미지. 에 a에 해당하는 다양한 표면 구조에 대한 비교 사진 –이

이제 Si IP-strus의 광학적 특성을 살펴보겠습니다. 300-1100 nm의 전체 파장 범위에 대한 반사율로부터(그림 3a), 다공성 Si는 나노구조의 우수한 광포집 성능 때문에 낮은 반사율을 갖는다는 것을 관찰했습니다[22,23,24]. 나노홀 구조의 경우, 전체 파장 범위에서 반사율이 분명히 증가하는데, 이는 나노홀의 밀도 감소 및 피처 크기 증가에 기인합니다. 30초 동안 NaOH 처리 후 IP의 (111) 평면 사이에서 3-4번 바운스의 이점을 얻은 IP 구조는 300-1100 nm 파장 범위, 특히 300-500 nm의 단파장 범위에서 더 낮은 반사를 나타냅니다. . 알칼리 에칭 시간이 증가함에 따라 IP는 더 커지고 직립 피라미드 경향이 있어 반사율이 증가합니다. 모든 샘플이 동일한 스택 SiO₂로 덮인 경우 /SiN_x 코팅, 반사율은 스택 SiO₂의 광학 간섭으로 인한 결합된 반사율에 기인하여 10% 이상 급격히 떨어집니다. /SiN_x 박막 및 표면 구조. 이 경우 서로 다른 프로세스에서 얻은 샘플의 반사 스펙트럼은 주로 300–600 nm의 파장 범위에서 다르며 이는 IP의 피쳐 크기 차이로 인해 발생합니다. 특히, SiO₂ 스택으로 덮인 Si IP-strus /SiN_x 층은 다른 층보다 더 나은 단파장 반사 방지 능력을 보여 단파장 범위에서 우수한 외부 양자 효율(EQE)을 나타냅니다.

준비된 Si IP-strus의 광학적 특성. 아 다양한 표면 형태 및 b의 측정된 반사율 태양 평균 반사율 R _이브 300–1100 nm 파장 범위 이상

또한 평균 태양 반사율 R을 계산합니다. _이브 (그림 3b 참조) 300–1100 nm의 파장 범위에서 Si IP-strus의 반사율을 그림 2a–c에 표시된 다른 중간 프로세스에 해당하는 다른 구조와 비교합니다. R _이브

여기서 R (λ ) 및 S (λ )는 각각 측정된 반사율과 AM1.5 태양 광자 스펙트럼 분포를 나타냅니다. 그림 3b와 같이 R _이브 s의 다공성 Si, 나노홀, IP 및 SiO₂ 포함 IP /SiN_x 코팅은 8.22, 17.96, 15.18(그룹 1-30 s)/17.35%(그룹 2-60 s)/20.3%(그룹 3-90 s) 및 3.91%(그룹 1-30 s)/4.48%입니다. 각각 2-60 s)/5.60%(그룹 3-90 s). R _이브 s는 IP-strus가 nanohole보다 더 나은 반사 방지 능력을 가지며 피쳐 크기가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여줍니다. IP-Strus가 스택 SiO₂로 코팅된 경우 /SiN_x 레이어, 가장 낮은 R _이브 3.91%로 PV 장치에 이상적인 광포집 구조를 나타냅니다.

스택 SiO₂ (~ 2 nm)/SiN_x (~ 75 nm) Si IP 기반 n ⁺ 패시베이션 에미터는 IP 기반 PERC의 우수한 전기적 성능을 달성하기 위한 효과적인 방법이며 그 패시베이션 효과[1] 및 메커니즘은 이전 작업[14]에서 체계적으로 연구되었습니다. 스택 Al₂의 전기적 우수성을 보여주기 위해 O₃ /SiN_x 장치 후면의 패시베이션 레이어에서 효과적인 소수 캐리어 수명(τ _에프 ) 주입 수준(Δn ), 도 4a에 도시된 바와 같이. 연마된 Si 웨이퍼는 ~ 350 μs의 대량 소수 캐리어 수명을 가지며 스택 Al₂ O₃ /SiN_x 층이 연마된 Si 웨이퍼의 양면에 대칭적으로 증착됩니다. 내부 Al₂의 두께 O₃ 외부 SiN_x 층은 각각 ~ 3 및 ~ 125 nm로 추정됩니다. 대기 분위기에서 두 가지 어닐링 조건이 수행됩니다. 15분 동안 300 °C 및 800 °C. 그런 다음 웨이퍼는 50 mW cm ⁻² 의 전력 강도로 전파 범위 할로겐 램프 아래에서 25 °C에서 조명됩니다. 100 초 동안. 그림 4a에서 알 수 있듯이 48 μs τ _에프 (300 °C) 및 126 μs τ _에프 (800 °C) 어닐링 후 22 μs τ보다 훨씬 높음 _에프 기탁된 Al₂의 O₃ /SiN_x 1.2 × 10 ¹⁵ 주입 수준의 부동태화 샘플 cm ⁻³ .

아 τ _에프 주입 수준 Δn에 대해 Al₂에 대해 서로 다른 어닐링 온도에서 O₃ /SiN_x 부동태화된 웨이퍼. 점선은 한 태양 주입 수준을 나타냅니다. ㄴ 샘플의 FTIR 스펙트럼. ㄷ C–V Au/Al₂에 대한 곡선 O₃ -SiN_x /Si 구조. d 장치의 광발광 및 전자발광 사진

중요하게는, 100 s 조명 후 어닐링된 샘플의 유효 소수 수명은 각각 230 μs 및 150 μs로 조명 전 126 μs 및 48 μs보다 훨씬 높으며, Al2 O₃ /SiN_x 레이어. 빛을 흡수하는 동안의 전하 트래핑 효과[25,26,27,28]는 Al₂의 빛 강화 c-Si 표면 패시베이션을 위한 주요 메커니즘 중 하나일 수 있습니다. O₃ /SiN_x 영화. Al₂로 O₃ 필름은 음의 고정 전하 밀도를 갖는 것으로 보고되고[29,30,31,32], 빛에 의해 생성된 과잉 전자의 일부는 내부 Al₂의 트랩 상태로 주입되거나 터널링될 가능성이 있었습니다. O₃ 필름으로 인해 전계 효과 패시베이션 수준이 증가합니다. 흥미롭게도 300 °C 어닐링에서 광 강화 패시베이션 효과가 800 °C에서 보다 우수합니다. 즉, 더 낮은 온도 어닐링에서 광을 흡수하는 것이 PV 장치 적용에 더 효과적인 방법입니다.

표면 개질에 대한 어닐링 프로세스의 영향을 연구하기 위해 어닐링된 샘플의 푸리에 변환 적외선 분광(FTIR) 흡수 스펙트럼을 증착 상태 샘플의 흡수 스펙트럼과 비교합니다. 그림 4b는 Si-N, Si-O, Si-H 및 NH 결합이 ~ 840, 1070, 2200 및 3340 cm ^{-1 , 각각. Si-N 및 Si-O 결합의 밀도는 어닐링 후 명백한 증가를 나타냄을 알 수 있습니다. 한편, Si-H 결합의 밀도는 약간 증가합니다. Si-O 및 Si-H 결합 밀도의 증가는 Si/SiO₂ 계면에서 댕글링 결합의 감소를 의미합니다. , 더 나은 패시베이션 효과를 가져온다[33]. 또한, 어닐링 프로세스는 Si-N 결합의 밀도를 촉진하여 H의 외부 확산이 Si 벌크가 아닌 환경으로 들어가는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 보다 조밀한 구조를 나타냅니다. 그러나 지나치게 높은 어닐링 온도의 경우 Si–H 및 NH 그룹의 H가 벌크 Si 및 유전체 층에서 환경으로 탈출하여 패시베이션 효과가 감소합니다. FTIR의 결과는 유효 소수자의 수명과 일치합니다.}

열처리와 광흡수 처리 사이의 부동태화 메커니즘의 차이를 더 이해하기 위해 고정 전하 밀도(N _f ) 및 인터페이스 트랩의 밀도(N _그것 ) Si와 Al₂의 인터페이스에서 O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) 커패시턴스-전압(C-V ) 엄격한 금속 산화물 반도체(MOS) 모델의 측정

아니 _f 다음 방정식에서 얻을 수 있습니다.

여기서 다음 표현식은 V_FB를 계산할 수 있습니다.

S 금속 전극의 면적, e 전자 충전, C _OX 는 유전막층의 커패시턴스, V _MS 는 금속 전극과 p형 Si의 일함수 차이, V _FB 플랫 밴드 전압입니다.

Lehovec 방법[34]을 사용하여 N을 얻을 수 있습니다. _그것 C-V에서 곡선:

여기서 (δC /δV )_FB 는 기울기에 가까운 평평한 밴드이며 절대값으로 간주됩니다. C _FB , e , 및 k 는 각각 플랫 밴드에서 MOS 구조의 커패시턴스, 전자 전하 및 볼츠만 상수입니다.

측정된 C-V는 Fig. 4c에서 알 수 있다. Al₂의 곡선 O₃ /SiN_x 스택 레이어는 명백한 축적 영역, 공핍 영역 및 반전 영역을 보여줍니다. C-V에 따르면 곡선 및 Eq. (2-4), 준비된 MOS 구조의 인터페이스 특성을 표 1과 같이 얻습니다.

고정 음전하 밀도는 열적 어닐링 후 한 자릿수만큼 상당한 증가를 나타내는 반면 계면 상태 밀도는 상당히 감소하여 어닐링이 유전막의 화학적 패시베이션 및 전계 효과 패시베이션을 향상시켰음을 나타냅니다. 추가 광 흡수 처리에 의해 계면 상태의 밀도는 동일한 수준을 유지하는 반면 고정 음전하의 밀도는 더욱 증가합니다. 위에서 언급했듯이 빛에 의해 생성된 과잉 전자의 일부는 내부 Al₂의 트랩 상태로 주입되거나 터널링될 가능성이 높습니다. O₃ 이것은 빛을 흡수하면 유전체 필름의 전계 효과 패시베이션을 향상시킬 수 있음을 의미합니다. N 값은 _그것 높으면 300 °C 어닐링 및 100 s light-soaking에 의한 샘플이 가장 높은 τ _에프 가장 높은 N으로 인한 230 μs _f / − 2.87 × 10 ¹² cm ⁻² , 이는 전계 효과 패시베이션이 이 경우 화학적 패시베이션보다 이점이 있음을 의미합니다.

그림 4d는 동일한 패시베이션 프로세스를 사용한 1, 1.3 및 1.8 μm IP 태양 전지의 광발광 및 전기발광 사진을 보여줍니다. 광발광과 전계발광 모두에 대한 3개의 사진 그룹의 밝기는 기본적으로 동일한 수준을 유지합니다. 즉, 3개의 태양 전지 장치 그룹이 결함 패시베이션에서 동등하게 잘 수행됩니다. 즉, 패시베이션 공정은 IP의 피처 크기가 아닌 태양 전지의 전기적 성능을 결정하며, 이는 제작된 태양 전지의 다음 출력 매개변수에 의해 확인됩니다.

동시 SiO₂의 우수한 광학 및 전기적 성능 기반 /SiN_x 스택 레이어 패시베이션 전면 Si IP 기반 n ⁺ 에미터 및 Al₂ O₃ /SiN_x 스택 레이어 부동태 후면 반사기를 사용하여 Si IP 기반 PERC를 제작했습니다.

그림 5a는 제작된 Si IP 기반 PERC의 내부 양자 효율(IQE)과 전면 반사를 보여줍니다. 30초 알칼리 에칭 IP 기반 장치(그룹 1-30 s)는 IP의 더 작은 피쳐 크기로 인해 300–600 nm의 단파장에서 가장 낮은 반사율을 나타냄을 관찰할 수 있습니다. 중요하게도, 그룹 1-30 은 이 파장 범위에서 가장 높은 IQE를 가지므로 그림 5b와 같이 가장 높은 외부 양자 효율(EQE)을 생성합니다. 또한 제작된 장치는 이 범위에서 동일한 수준의 반사율과 IQE로 인해 장파장 범위에서 거의 동일한 EQE를 표시합니다. 따라서 피처 크기가 작은 그룹 1-30 은 다른 두 그룹보다 더 나은 출력 성능을 가지며 이는 I-V에 의해 더욱 확인됩니다. 및 P-V 장치의 곡선(그림 5c 참조). 그림 5d는 η 의 챔피언 기기가 21.41%에 도달했으며 V _oc 0.677 V의 나 _sc 9.63A 및 FF 80.30%. 우리가 아는 한 가장 높은 η MACE-IP 기반 태양전지 중 그림 5d의 삽입도는 챔피언 장치의 전면과 후면을 촬영한 사진이다.

고성능 Si IP 기반 PERC. 아 알칼리 에칭 시간이 다른 Si IP 기반 PREC의 IQE 및 반사율. ㄴ 알칼리 에칭 시간이 다른 Si IP 기반 PERC의 EQE. ㄷ I–V 및 P-V 알칼리 에칭 시간이 다른 Si IP 기반 PERC의 곡선. d I–V 및 P-V 챔피언 장치의 곡선

또한, Table 2는 제작된 소자의 세부 파라미터를 보여준다. 분명히, 평균 나 _sc (9.63 A) 그룹 30 의 소자는 다른 두 그룹의 소자보다 높으며, 이는 위에서 언급한 바와 같이 전면의 최고의 반사 방지 능력에 있습니다. 나의 차이점 _sc s는 주로 장치의 출력 성능을 결정합니다. 게다가 FF가 높을수록 및 낮은 직렬 저항 R _s 더 높은 η 보장 그룹 30 의. 모든 평균 V _oc Si IP 기반 PERC의 s는 674–676 mV 범위에 있으며 모든 그룹의 전면 및 후면 표면에 대해 동일한 우수한 패시베이션을 보여줍니다. 마지막으로 광학 및 전기적 성능의 이점을 활용하여 최고의 η를 성공적으로 달성했습니다. Si IP 기반 PERC 태양 전지의 21.4%.