Fabrikasi 20,19% Sel Surya Silikon Kristal Tunggal Efisien dengan Mikrostruktur Piramida Terbalik

Hasil dan Diskusi

Seperti dilaporkan sebelumnya, nanopartikel logam tanpa listrik yang disimpan pada Si dalam larutan berair yang mengandung HF telah diselidiki dengan baik sebelumnya [35]. Deposisi nanopartikel Ag tanpa listrik yang digunakan dalam MACE didasarkan pada reaksi perpindahan galvanik sementara dua proses elektrokimia terjadi secara bersamaan di sekitar permukaan sc-Si [36]. Gambar SEM pada Gambar. 1a–f menunjukkan nanopartikel Ag yang diendapkan pada permukaan sc-Si berorientasi tipe-p (100) dengan perendaman dalam larutan HF yang mengandung AgNO₃ . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a–c, nanopartikel Ag dibuat ke dalam permukaan sc-Si dalam larutan HF berair yang mengandung 5 hingga 15 ppm AgNO₃ pada 25 °C selama 2 mnt.

Gambar SEM dari nanopartikel Ag diendapkan pada sc-Si dan sisipan EDS. Gambar SEM dari nanopartikel Ag yang terdeposit pada sc-Si:a –c pengendapan selama 2 menit pada 25 °C dengan konsentrasi ion Ag masing-masing 5, 10, dan 15 ppm; dan d –f pengendapan pada 25 °C dengan konsentrasi ion Ag 5 ppm masing-masing selama 2, 4, dan 6 menit. Hasil EDS di sisipan a

Gambar 1a dengan jelas menunjukkan bahwa endapan putih diendapkan ke dalam substrat sc-Si, yang diverifikasi oleh spektrometer dispersi energi (EDS:inset pada Gambar 1a) sebagai nanopartikel Ag. Nanopartikel Ag tereduksi menggantikan silikon dimana terjadi reaksi oksidasi dan terdeposisi pada substrat silikon. Nanopartikel Ag berdiameter 15 nm terdistribusi secara merata dan padat dengan adanya AgNO 5 ppm₃ (Gbr. 1a). Namun, dengan 10 ppm AgNO₃ atau konsentrasi yang lebih tinggi, diameter nanopartikel Ag meningkat secara tidak merata (Gbr. 1b, c). Diameter nanopartikel Ag regional pada Gambar 1b meningkat menjadi 80 nm, dan pada Gambar 1c mencapai 100 nm. Gambar SEM pada Gambar. 1d–f menunjukkan nanopartikel Ag yang diendapkan masing-masing selama 2, 4, dan 6 menit, dengan kecepatan 5 ppm AgNO₃ dan 25 °C. Hal ini menggambarkan bahwa bentuk sedimen Ag banyak berubah dan menjadi tidak beraturan (bervariasi dari satu dimensi ke dua dimensi) dengan waktu pengendapan yang memanjang. Selain itu, nanopartikel Ag berbentuk tongkat ini (panjangnya sekitar 130 nm) terdeposit pada permukaan sc-Si secara tidak teratur dengan penundaan waktu, yang menghancurkan keseragaman distribusi nanopartikel Ag. Singkatnya, kami mengusulkan konsentrasi ion Ag pada 5 ppm dan waktu deposisi selama 2 menit pada suhu kamar.

Wafer sc-Si dengan lapisan nanopartikel Ag yang seragam direndam dalam larutan asam campuran yang mengandung aditif komersial untuk membuat struktur silikon nanopori. Aditif komersial yang mungkin merupakan campuran poliol yang mengandung hidroksil dan karboksil ini bertujuan untuk memisahkan gelembung-gelembung kecil dari permukaan substrat karena H₂ yang dihasilkan dalam reaksi tidak dapat keluar dari permukaan substrat secara otomatis dalam kasus konsentrasi Ag yang rendah (File tambahan 1). Gambar SEM pada Gambar 2a–f menunjukkan morfologi silikon berpori nano dan penampang melintang sebelum dan sesudah MACE. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, struktur silikon berpori nano yang dihasilkan dalam sc-Si dengan pemrosesan MACE selama 1 menit. Diameter silikon nanopori mencapai 20 nm dan kedalaman sekitar 1,3 μm. Kemudian, diameter dan kedalaman silikon nanoporous keduanya meningkat seiring dengan perpanjangan waktu MACE, bahkan diameternya lebih bervariasi. Diameter silikon berpori nano dengan pemrosesan MACE selama 2 menit tumbuh menjadi 40 nm, kemudian 50 nm untuk pemrosesan 3 menit, 80 nm untuk pemrosesan 4 menit, dan 110 nm untuk pemrosesan 5 menit. Inset penampang pada Gambar. 2b–f menunjukkan kedalaman silikon berpori nano bervariasi dari 1,3 hingga 3 m ketika waktu MACE meningkat dari 1 hingga 5 menit. Namun, beberapa lubang nano di penampang dihasilkan ketika waktu MACE diperpanjang. Menurut laporan Chartier, silikon berpori nano yang dihasilkan di MACE mencakup struktur pori silinder lurus dan melengkung, dan lubang nano lurus mendominasi ketika rasio molar larutan etsa ρ = [HF]/([HF] + [H₂ O₂ ]) adalah sekitar 45% [36]. Meskipun ρ = 45% dalam pekerjaan kami, sejumlah besar pori-pori silindris melengkung dihasilkan dengan etsa dari waktu ke waktu saat MACE diproses selama 4 mnt atau lebih (penampang melintang di kedua sisipan pada Gambar. 2e, f). Melalui serangkaian percobaan, kami mengamati bahwa kemampuan menjebak cahaya silikon berpori menurun dengan pemrosesan MACE dari waktu ke waktu. Reflektivitas rata-rata silikon berpori nano terhadap waktu perlakuan MACE pada suhu yang berbeda diilustrasikan pada Gambar. 3. Reflektivitas rata-rata diminimalkan untuk pemrosesan MACE 3 menit pada 35 °C dan kemudian meningkat seiring waktu tunda. Sementara itu, reflektifitas rata-rata silikon berpori nano berubah sedikit ketika suhu 35 °C atau lebih tinggi. Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa generasi lubang nano silinder melengkung membuat struktur silikon nanopori berongga dan berantakan, bukan vertikal, maka cahaya yang datang mungkin dipantulkan kembali ke udara melalui lubang nano melengkung tersebut. Di sisi lain, silikon berpori nano itu sendiri dioksidasi dan dilarutkan perlahan dalam larutan campuran HF dan H₂ O₂ yang membuat permukaan substrat halus dan reflektifitas rata-rata meningkat. Kecenderungan serupa untuk reflektifitas berubah ketika suhu di atas 30 °C menunjukkan bahwa suhu MACE yang nyaman berada pada 35 °C. Kesimpulannya, struktur silikon nanopori dibuat dalam proses MACE dengan konsentrasi ion Ag yang sangat rendah, yang belum pernah dilaporkan sebelumnya. Kondisi pengoptimalan (suhu pada 35 °C dan waktu selama 3 mnt) di MACE untuk membuat struktur silikon nanopori vertikal diusulkan.

Gambar SEM silikon berpori (cross section in insert) dengan waktu pemrosesan yang berbeda. Gambar SEM silikon berpori nano:a sebagai-fabrikasi dan b –f silikon berpori nano dan penampang di sisipan untuk pemrosesan 1, 2, 3, 4, dan 5 menit pada 35 °C

Ketergantungan silikon nanopori rata-rata reflektifitas waktu pada suhu tertentu. Rata-rata reflektifitas struktur silikon berpori nano yang bergantung pada waktu untuk perawatan pada masing-masing 30, 35, 40, 45, dan 50 °C

Silikon nanopori yang dihasilkan oleh MACE mendasari pembentukan struktur piramida terbalik. Wafer dimodifikasi dalam proses tekstur anisotropik alkali dan aditif A dalam larutan berair NaOH memainkan peran yang sama seperti surfaktan dalam tekstur sc-Si konvensional. Ini menghilangkan gelembung dari permukaan substrat dan mempengaruhi faktor anisotropik etsa. Akhirnya, struktur piramida terbalik diakses. Gambar 4a menunjukkan struktur silikon berpori nano, dan Gambar 4b–f menunjukkan struktur piramida terbalik dengan tekstur NaOH masing-masing selama 1, 3, 5, 7, dan 9 menit. Gambar 4b, c menunjukkan struktur silikon berpori nano yang berubah menjadi lubang persegi dengan bagian bawah berbentuk piramida terbalik (inset pada Gambar 4b, c) dengan pemrosesan anisotropik basa masing-masing selama 1 dan 3 menit. Dengan waktu tekstur yang diperpanjang, struktur piramida terbalik tumbuh seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c-f, dan area tertentu dilarutkan secara bertahap. Ketika tekstur kimia alkali diperlakukan selama 5 menit, struktur piramida terbalik dengan lebar 500 nm dan kedalaman 350 nm dibuat. Namun, terdapat beberapa struktur cacat (sisipan dari Gambar 4d). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e, piramida terbalik dengan lebar 1 m dibuat dan didistribusikan secara seragam saat tekstur diproses selama 7 menit. Sudut dihedral adalah 54,7° dan struktur cacat yang lebih sedikit diamati dari penampang (inset pada Gambar 4e). Ketika waktu perawatan hingga 9 menit, piramida terbalik memiliki permukaan yang halus dan struktur yang jarang cacat (Gbr. 4f). Namun, dengan mudah diamati bahwa beberapa dinding samping piramida terbalik dibubarkan, dan susunan selokan skala mikro baru dengan ukuran bervariasi dari 2 hingga 4 m terbentuk. Pembubaran dinding samping membuat struktur yang tumpang tindih dihasilkan (inset pada Gambar. 4f). Terlepas dari kenyataan bahwa struktur piramida terbalik didistribusikan dengan hampir tidak ada area cacat, struktur lubang besar dapat menurunkan kemampuan absorbansi cahaya. Gambar 5 menunjukkan spektrum reflektansi struktur piramida terbalik dengan tekstur anisotropik basa masing-masing selama 1, 3, 5, 7, dan 9 menit. Spektrum reflektansi menunjukkan bahwa kemampuan menangkap cahaya menurun dibandingkan dengan silikon berpori nano asli karena sejumlah besar pelarutan struktur nano ketika tekstur alkali diproses selama 1 menit. Reflektivitas rata-rata dalam rentang panjang gelombang dari 300 hingga 1000 nm adalah 15,45%. Jelas, dengan bertambahnya waktu tekstur, absorbansi cahaya ditingkatkan secara bertahap untuk pembentukan struktur piramida terbalik. Reflektivitas diminimalkan hingga 9,2% saat tekstur diproses selama 7 menit, dan keseragaman wafer sc-Si piramida terbalik mencapai yang terbaik dibandingkan dengan yang lain. Kemudian kemampuan menangkap cahaya menurun, dan reflektifitas meningkat hingga 10,5% dengan tekstur selama 9 menit, yang disebabkan oleh pembubaran piramida terbalik dan pembentukan struktur lubang tumpang tindih ukuran besar. Terlebih lagi, tekstur sc-Si ini lebih reflektif daripada di produksi tanaman. Dengan demikian, struktur silikon berpori nano diberi tekstur dalam larutan NaOH berair yang mengandung aditif senyawa tertentu, dan struktur piramida terbalik yang terdistribusi secara merata dengan ukuran lebar 1 m diakses pada 60 °C selama 7 menit. Reflektifitas rata-rata dikendalikan pada 9,2%.

Gambar SEM dari piramida terbalik (penampang melintang di sisipan) diproses untuk waktu yang berbeda. Gambar SEM:a silikon berpori nano dan b –f tekstur penampang piramida terbalik dan penampang melintang pada 60 °C dalam larutan NaOH encer masing-masing selama 1, 3, 5, 7, dan 9 menit

Spektrum reflektansi struktur piramida terbalik dengan tekstur untuk waktu yang berbeda. Spektrum reflektansi sc-Si dengan struktur piramida terbalik untuk waktu tekstur basa masing-masing pada 1, 3, 5, 7, dan 9 menit

Mempertimbangkan kemampuan menangkap cahaya dan desain struktur mikro permukaan yang mudah untuk pasif, kami memilih struktur piramida terbalik dengan lebar 1 μm untuk membuat sel surya. Resistansi kotak dan properti film SiNx oleh PECVD dari wafer sc-Si piramida terbalik dan tegak dibandingkan pada Tabel 1. Kami menguji sepuluh set sampel uji dan sampel kontrol (setiap set berisi 10 buah). Kesenjangan resistansi kotak rata-rata antara wafer sc-Si piramida terbalik dan tegak adalah kecil, bahkan keseragaman distribusi sc-Si piramida terbalik menyebabkan sedikit diamati dari data STD. Perbandingan properti pasivasi film SiNx oleh PECVD menunjukkan film SiNx yang dipasifkan pada sc-Si dengan struktur piramida terbalik lebih tipis 10 nm dan memiliki indeks bias 0,14 lebih tinggi dibandingkan dengan piramida tegak. Ini berarti bahwa biaya pasivasi struktur piramida terbalik mungkin lebih rendah daripada struktur piramida tegak terutama jika sifat film SiNx yang dipasivasi pada struktur piramida terbalik mirip dengan struktur piramida tegak. Hal ini bermanfaat untuk aplikasi industrialisasi teknologi texturing ini. Reflektivitas rata-rata, efisiensi kuantum internal (IQE), dan efisiensi kuantum eksternal (EQE) ditunjukkan pada Gambar. 6. Rata-rata reflektifitas struktur piramida terbalik dengan lebar 1 m adalah 1% lebih rendah daripada yang tegak lurus dalam produksi tanaman ( Gambar 6a). Proses pengendapan film SiNx sel surya sc-Si dengan struktur piramida terbalik sama dengan piramida tegak sc-Si. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, IQE sel surya sc-Si piramida terbalik mirip dengan yang tegak. Di sisi lain, EQE sel surya sc-Si dengan struktur piramida terbalik ditunjukkan pada Gambar. 6c mengalami peningkatan panjang gelombang 300-600 nm. Diasumsikan bahwa teknik PECVD yang tidak dioptimalkan menghambat peningkatan IQE sel surya piramida terbalik sc-Si, dan ujung EQE dalam panjang gelombang pendek dari 300 hingga 600 nm mungkin dikaitkan dengan keunggulan reflektifitas dalam panjang gelombang pendek yang dijelaskan di atas.

Perbandingan a spektrum reflektansi, b IQE, dan c EQE. a Spektrum reflektansi struktur piramida terbalik dan tegak. b IQE dan c EQE sel surya sc-Si piramida terbalik dan tegak

Analisis tiga dimensi (3D) finite difference time domain (FDTD) digunakan untuk mensimulasikan dan menganalisis efek fotovoltaik di dekat antarmuka struktur piramida terbalik. Dimensi simulasi piramida terbalik/tegak dirancang dengan lebar 1 μm. Kami menggunakan λ = 631,57 nm untuk menghitung intensitas medan listrik (|E| ² ) distribusi gelombang elektromagnetik, yang mendekati puncak penyinaran spektrum matahari. Seperti hasil simulasi yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b, energi gelombang elektromagnetik pada 631,57 nm sebagian besar berkumpul di dalam piramida terbalik, yang jauh lebih kuat daripada piramida tegak. Temuan simulasi ini menegaskan kemampuan menangkap foton yang lebih kuat dari struktur piramida terbalik.

Simulasi FDTD distribusi intensitas medan listrik pada struktur piramida terbalik/tegak sc-Si. Simulasi 3D FDTD distribusi intensitas medan listrik pada struktur piramida terbalik/tegak sc-Si. Ukuran piramida terbalik/tegak dirancang pada 1 μm

Perbandingan kinerja listrik utama dari dua jenis sel surya sc-Si ditunjukkan pada Tabel 2. Sel surya sc-Si dengan struktur piramida terbalik menunjukkan efisiensi yang lebih tinggi sebesar 20,19% dan rapat arus hubung singkat (J _sc ) 0,22 mA cm ⁻² lebih tinggi dari yang tegak lurus, yang menegaskan kembali temuan simulasi FDTD 3D. Tegangan rangkaian terbuka (V _ok ) sel surya sc-Si dengan struktur piramida terbalik mencapai 647 mV, yaitu 2 mV lebih tinggi dari sel surya piramida tegak. Dikombinasikan dengan hasil IQE, V _ok keuntungan dari sel surya piramida terbalik akan diperluas jika teknik pasivasi dioptimalkan. Faktor pengisiannya (FF) 0,05% lebih tinggi dari yang tegak. Langkah-langkah lebih lanjut untuk peningkatan efisiensi konversi fotolistrik harus difokuskan pada pembatasan efektif rekombinasi Auger, kemampuan menangkap cahaya yang lebih kuat, dan teknik pasivasi yang lebih baik.