블랙실리콘 후면층을 가진 결정질 Si 태양전지: 그레이드 밴드갭 엔지니어링으로 효율 향상

요약

우리는 후면 표면에 블랙실리콘(b-Si) 층을 통합한 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지를 조사했습니다. 화학 식각으로 나노구조화된 b-Si를 생성했으며, 소자 후면에 존재할 때 동등한 b-Si 없는 셀 대비 전력변환효율이 놀라운 27.7% 상대 증가했습니다. 이 개선은 후면에 형성된 그레이드 밴드갭에 기인하며, 자유 전자를 고표면적 b-Si에서 멀어지게 하여 표면 재결합을 억제합니다. 이 연구는 후면 b-Si 층이 c-Si 태양전지의 분광 응답을 서브밴드갭 근적외선 영역으로 확장할 수 있음을 입증합니다.

배경

금속 또는 비금속 이온으로 적재 또는 도핑된 고도로 텍스처링된 실리콘은 광대역 흡수율을 보여 소위 블랙실리콘(b-Si) 효과를 일으킵니다. 이러한 Si는 광대역 광전 응용으로 주목받아왔습니다. 기존 연구는 일반적으로 b-Si 층을 셀 전면에 배치합니다[10-19], 이는 서브밴드갭 근적외선(NIR) 광자가 생성한 전자-정공쌍이 PN 접합에서 너무 멀어 사용 가능한 전하 캐리어 생성을 방해합니다. 우리는 b-Si 층을 후면에 배치하면 Si/산화물 계면 내장 전기장 또는 교차 손가락 후면 접촉 전장이 NIR 생성 캐리어를 분리하여 서브밴드갭 광전압을 가능하게 할 것이라 가정했습니다. 그러나 b-Si의 큰 비표면적은 심각한 표면 재결합을 유발할 수 있습니다[10,15,22]. 본 연구는 후면 b-Si 층을 가진 c-Si 셀의 광전 응답을 탐구하고 근본 물리학을 규명합니다.

방법

재료

p형 Si<100> 웨이퍼(CZ, 양면 연마, 10×10×0.2 mm³, 1-10 Ω·cm)를 사용했습니다. 웨이퍼를 초음파 세척, 1% HF 딥, 이후 NaOH/알코올/H₂O(0.5g/200mL/200mL) 용액에서 90°C 15분 식각하여 약간의 반사방지 텍스처를 만들었습니다. 후면 b-Si 형성을 위해 한 면에 3nm Ag 촉매층을 증착했습니다. 웨이퍼를 1:5:10 HF(40%):H₂O₂(30%):H₂O 용액에 상온에서 120초 담가 나노구조화된 b-Si를 얻었습니다. 반대 면에 인 페이스트를 도포하고 질소 분위기 900°C/20분 어닐링으로 PN 접합을 형성했습니다. 표면 패시베이션은 전면에 20nm SiO₂, 후면에 10nm Al₂O₃(ALD)로 수행했습니다. 80nm ITO 전면 전극과 2µm Al 후면 전극을 증착하고, 최종적으로 질소 분위기 425°C/5분 어닐링했습니다.

측정

반사율 스펙트럼은 Shimadzu UV-3101PC 분광광도계로 기록했습니다. 표면 형태는 Philips XL 30 SEM으로 조사했습니다. 광전 파라미터는 Oriel/Newport 94023A 태양 시뮬레이터로 AM 1.5G 1 Sun 조건에서 측정했습니다. 외부 양자 효율(EQE)은 Oriel/Newport QE 시스템으로 얻었습니다. 투과전자현미경(TEM)은 JEOL EM-3000, 광발광(PL)은 Ocean Optics USB2000과 325nm He-Cd 레이저로 측정했습니다. 접촉 전위차(CPD)는 KP Technology SKP5050 켈빈 프로브로 측정했습니다.

결과 및 논의

그림 1은 약간 텍스처링된 c-Si 셀의 후면 b-Si 유무에 따른 개략 단면도입니다. 셀 두께는 ≈200µm입니다.

SEM 이미지(그림 2)는 전면 표면에 10-20nm 나노구조가 있는 반면, 후면 b-Si는 평균 높이 ≈110nm를 가짐을 보여줍니다. HRTEM은 b-Si 내 나노결정질 Si를 확인하며 SAED 패턴이 이를 뒷받침합니다.

흡수 스펙트럼(그림 3a)은 입사광 방향 b-Si가 300-1100nm에서 흡수를 현저히 향상시키고 서브밴드갭 NIR 흡수를 도입함을 보여줍니다. 이는 밴드갭 내 불순물 준위 형성에 기인합니다. b-Si가 광 반대 방향(아래향)으로 향할 때도 300-1100nm 영역에서 흡수가 높게 유지되어, 후면 b-Si가 여전히 NIR 광자를 포획할 수 있음을 나타냅니다.

4가지 소자 변형을 제조했습니다: (1) 웨이퍼 Si; (2) 웨이퍼 Si + Al₂O₃ 후면 패시베이션; (3) b-Si 후면; (4) b-Si 후면 + Al₂O₃. 전류-전압 및 EQE 데이터(그림 4)는 웨이퍼+Al₂O₃ 소자가 비패시베이션 웨이퍼보다 우수함을 보여주어 효과적인 표면 재결합 억제를 확인합니다. 놀랍게도 b-Si 후면 소자는 큰 표면적에도 불구하고 일반 웨이퍼 대비 27.7% 상대 효율 증가를 보입니다. b-Si 후면에 Al₂O₃ 추가는 성능을 추가로 향상시켜 후면 패시베이션이 여전히 유효함을 강조합니다. 이 개선의 열쇠는 후면 그레이드 밴드갭입니다: b-Si 전도대 최소가 p형 Si보다 ≈0.4eV 위에 위치(CPD 측정)하여 전자를 고표면적 b-Si에서 멀어지게 하고 정공은 후면 전극으로 도달하게 하여 재결합을 억제합니다.

추가 헤테로접합 PV 소자(그림 6)는 후면 b-Si의 유익한 역할을 확인합니다. b-Si 소자 EQE가 b-Si 없는 소자보다 현저히 높으며, 그레이드 밴드갭 메커니즘과 일치합니다.

결론

결정질 실리콘 태양전지 후면에 블랙실리콘 층을 통합하면 그레이드 밴드갭 형성으로 표면 재결합을 완화하여 소자 성능을 극적으로 개선합니다. 27.7% 효율 향상은 후면 b-Si가 c-Si 셀의 분광 응답을 서브밴드갭 NIR 영역으로 확장할 수 있음을 입증하며, 광대역 광전 기술로의 길을 엽니다.