Aplikasi Array Struktur Nano Silikon untuk Sel Surya Mono dan Multi-Kristal 6 inci
Abstrak
Dalam penelitian ini, kami membuat susunan kawat nano silikon (SiNW) seragam pada wafer mono dan multi-kristal 6 inci dengan menggunakan metode etsa kimia (MacEtch) yang diproses dengan solusi yang ditingkatkan. Selanjutnya, MacEtch yang ditingkatkan dapat diterapkan ke berbagai wafer orientasi kristal. Array SiNW memiliki panjang 470 nm dengan kepadatan tinggi; mereka menunjukkan efek perangkap optik yang baik dan reflektansi jauh di bawah 6% pada rentang panjang gelombang yang luas dari 300 hingga 1100 nm. MacEtch yang ditingkatkan tidak menunjukkan perbedaan reflektansi untuk wafer mono-kristal piramida/SiNW dengan keseragaman yang sesuai; delta rata-rata dari pusat ke posisi lain adalah dalam 22%. Masa pakai efektif lebih rendah untuk susunan SiNW karena keadaan permukaan yang lebih tinggi menyebabkan rekombinasi permukaan yang lebih tinggi.
Akhirnya, kami membuat wafer multi-kristal menjadi perangkat sel surya Al-BSF dengan tekstur MacEtch SiNW, menghasilkan efisiensi konversi daya rata-rata 17,83%, yang lebih tinggi daripada perangkat sel surya bertekstur asam standar. Akibatnya, konsep MacEtch yang disempurnakan cocok untuk produksi massal komersial di industri fotovoltaik.
Pengantar
Baru-baru ini, sifat optik struktur nano silikon telah menarik perhatian luar biasa karena efek perangkap cahaya yang sangat baik, yang menghasilkan refleksi rendah dan mempertahankan penyerapan tinggi secara bersamaan. Efek ini tidak dapat ditemukan dalam silikon planar. Struktur nano silikon dapat diterapkan pada dioda [1, 2], biosensor [3, 4], sel surya [2, 5,6,7,8,9,10,11,12,13], dan lain-lain. seorang peneliti mendekati struktur nano untuk lapisan antireflektif untuk menjelaskan efek perangkap cahaya mereka [12]. Oleh karena itu, struktur nano silikon dapat menggantikan lapisan antireflektif fabrikasi tradisional yang mahal.
Banyak literatur ilmiah telah menyelidiki karakteristik elektrokimia silikon dalam larutan ion fluor [13, 14] dan menggunakan metode bantuan logam untuk membuat struktur nano dalam larutan untuk membuat prosesnya sederhana dan cepat. Oleh karena itu, kami mengadopsi etsa kimia berbantuan logam yang diproses dengan solusi untuk membuat struktur nano silikon [15]. Tidak seperti epitaksi berkas molekul (MBE) [16], ablasi laser [17], deposisi uap kimia (CVD) [18], dan etsa ion reaktif (RIE) [19], yang bergantung pada vakum tinggi dan energi tinggi, etsa kimia dengan bantuan logam dapat mengurangi biaya fabrikasi dan dapat diproses pada suhu kamar.
Selain itu, wafer multi-kristal diamond wire sawn (DWS) telah banyak digunakan dalam industri surya untuk mengurangi biaya produksi, yang menghasilkan permukaan wafer yang bersinar, sehingga sulit untuk mempertahankan reflektansi yang sesuai melalui tekstur asam tradisional. Beberapa peneliti menggunakan tekstur asam dengan tambahan aditif [20]. Juga, metode tekstur RIE telah dipelajari untuk sel surya bidang permukaan belakang aluminium (Al-BSF) untuk mengurangi reflektansi [21].
Dengan memanfaatkan metode etsa kimia berbantuan logam untuk membuat struktur nano silikon, kita dapat mengontrol konsentrasi oksidan larutan untuk menentukan arah etsa struktur nano silikon dan mengontrol pola endapan logam untuk mencapai rasio aspek yang diperlukan struktur nano [14, 15]. Orientasi permukaan dan tingkat doping juga akan mempengaruhi pembentukan SiNW [22].
Oleh karena itu, menggunakan etsa kimia berbantuan logam yang diproses dengan larutan untuk membuat struktur nano silikon menguntungkan karena biayanya yang rendah, proses yang sederhana, dan struktur yang dapat dikontrol. Artinya, sangat cocok untuk aplikasi praktis komersial. Namun, dalam literatur, etsa kimia berbantuan logam yang diproses dengan larutan untuk membentuk struktur nano silikon hanya dapat digunakan pada area yang kecil (mis., 4 × 4 cm
2
) [9, 22, 23]. Oleh karena itu, penelitian ini berfokus pada masalah keseragaman pada wafer berukuran 6 inci. Kami mengeksplorasi pendekatan baru dan menyelidiki mekanisme untuk berhasil membuat struktur nano silikon pada wafer mono-kristal 6-inci tipe-P komersial dan multi-kristal tipe-p dengan keseragaman yang sangat tinggi dan refleksi rendah melalui metodologi etsa kimia berbantuan logam yang ditingkatkan. Kami juga memeriksa morfologi dan karakteristik optik struktur nano untuk lebih membuktikan potensi dan kelayakannya untuk aplikasi komersial berorientasi industri di masa depan.
Akhirnya, wafer Si berstrukturnano tipe-p multi-kristal 6-inci DWS dikenai sel surya bidang permukaan belakang aluminium p-n junction (Al-BSF) yang disintesis. Selanjutnya, kami membandingkan kinerja sel surya dengan wafer referensi bertekstur asam.
Untuk pengukuran karakteristik kerapatan-tegangan arus sel surya, perangkat disinari di bawah 1 matahari AM1.5G 100 mW cm
−2
menggunakan simulator surya SUN 2000, Abet Technologies, Inc. dan diukur menggunakan meteran sumber Keithley 2400. Scanning electron microscopy (SEM) gambar tekstur susunan SiNW diamati menggunakan LEO 1530 bidang emisi-SEM. Reflektansi optik array SiNW diukur menggunakan JASCO V-670 UV-V adalah spektrofotometer dengan bola terintegrasi. Pemetaan masa pakai pembawa minoritas dari susunan SiNW diukur dengan Semilab -PCD WT-2000.
Metode Eksperimental
Mekanisme Pembentukan Silicon Nanowire Arrays (SiNW) oleh MacEtch
Metode dan alur proses MacEtch ditunjukkan pada Gambar 1a. Larutan etsa mengandung perak nitrat (AgNO3 ) dan asam fluorida (HF); Ag
+
mengambil elektron dari Si kemudian mengoksidasi Si menjadi SiO2 karena kenegatifan elektron Ag
+
lebih besar dari Si. Selain itu, Peng et al. [24] membandingkan potensial elektrokimia lima logam secara kualitatif dan menemukan bahwa potensial elektrokimia Ag
+
lebih besar dari pita valensi Si. Jadi, Ag
+
akan cenderung mentransfer hole ke Si dan mereduksi menjadi Ag. Dengan kata lain, Ag
+
akan mengambil elektron dari Si dan mereduksi dirinya sendiri [24]. Oleh karena itu, Ag tereduksi diendapkan pada permukaan Si, dan permukaan tersebut dioksidasi menjadi SiO2 . Selanjutnya, HF encer digunakan untuk menghilangkan oksida. Dengan demikian, daerah dengan Ag yang diendapkan mengalami etsa anisotropik, dan kemudian, susunan SiNW terbentuk [22].
Ilustrasi skema prinsip metode MacEtch (a ). Alur proses metode MacEtch (b )
Fabrikasi SiNW
Dalam percobaan, 6 inci dengan ukuran 156 × 156 mm
2
mm P-type (100) wafer bertekstur piramida mono-kristal dan wafer as-cut multi-kristal tipe-p digunakan dengan kisaran resistivitas 0,5–3 -cm (ketebalan 180 + 20/−10 m). Ukuran piramida berkisar dari 1 hingga 10 m. Untuk pembuatan struktur nano silikon pada wafer 6 inci, proses solusi MacEtch digunakan. Alur proses ditunjukkan pada Gambar. 1b. Pertama, wafer masing-masing direndam dalam aseton, isopropanol alkohol, dan air deionisasi (DIW) dan dibersihkan dalam penangas ultrasonik selama 3 menit dan kemudian dikeringkan dengan pukulan nitrogen. Selanjutnya wafer direndam dalam larutan AgNO3 , HF, dan H2 O pada rasio 0,6 g:36 ml:120 ml selama 3 menit dan 19 detik pada suhu kamar untuk mengetsa susunan SiNW [13]. Konsentrasi larutan AgNO3 dan HF masing-masing adalah 23 mM dan 6,4 M, berdasarkan kondisi etsa.
Pengaruh fisik tambahan perlu dipertimbangkan ketika metode MacEtch digunakan untuk membentuk SiNW pada wafer silikon 6 inci, untuk memastikan susunan SiNW skala besar yang seragam. Selanjutnya, dua metode fabrikasi dibandingkan. Untuk metode 1, larutan etsa MacEtch kuantitatif pertama-tama dituangkan ke dalam wadah etsa besar, dan kemudian, wafer ditempatkan ke dalam wadah etsa besar dengan larutan MacEtch, yang juga merupakan metode tradisional untuk pengetsaan wafer area kecil (<4 × 4 cm
2
) [9, 22, 25] seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Untuk metode 2, metode etsa yang dimodifikasi dengan pemegang yang dirancang khusus digunakan untuk wafer skala besar untuk mencapai struktur nano silikon seragam skala besar dan mengurangi ketidakseragaman etsa seiring bertambahnya ukuran wafer, dan pemegang dapat menempatkan 4 buah wafer 6 inci, aliran proses ditunjukkan pada Gambar. 3. Angka 1 dan 2 yang tercantum pada gambar mewakili urutan menempatkan larutan etsa dan wafer silikon, masing-masing , ke dalam wadah besar. Setelah itu, wafer dicelupkan ke dalam larutan asam nitrat (HNO3) encer selama 1 menit untuk menghilangkan sisa dendrit perak. Terakhir, semua sampel direndam dalam larutan HF encer selama 1 menit untuk menghilangkan oksida permukaan dan kemudian dikeringkan dengan pukulan nitrogen.
Diagram skema langkah MacEtch untuk metode 1 (a –d )
Diagram skema langkah MacEtch untuk metode 2 (a –c ). Foto dengan pemegang khusus (d , e )
Fabrikasi Sel Surya Al-BSF 6-Inch
Dalam hal fabrikasi sel surya Al-BSF, kami memilih wafer silikon multi-kristal (mc-Si). Resistivitas wafer adalah 2 -cm, ketebalannya 180 m, dan luasnya 156 × 156 mm
2
dari ukuran. Gambar 4 menunjukkan aliran proses sel Al-BSF untuk referensi dan SiNW [26].
Alur proses untuk fabrikasi bidang permukaan belakang aluminium full area (Al-BSF) sablon industri konvensional untuk sel surya referensi dan SiNW
Wafer dibersihkan dengan air de-ionisasi (air DI), aseton (ACE), larutan piranha (H2 JADI4 :H2 O2 ), dan isopropanol (IPA) masing-masing selama 5-10 menit, etsa kerusakan gergaji (SDE) dengan larutan KOH 20% berat pada 60 °C selama 7 menit, dan larutan standar HF/asam nitrat/asam asetat (HNA) dicampur dalam rasio volume 1:3:5 untuk tekstur 5 menit sebagai grup referensi.
Kelompok uji lain membentuk SiNW melalui MacEtch yang dijelaskan dalam bagian “Mekanisme Pembentukan Silicon Nanowire Arrays (SiNW) oleh MacEtch”, difusi POCl3 pada 850 °C selama 30 menit untuk membentuk lapisan emitor N+ dan kedalaman 0,3 mm pada permukaan depan. Resistansi lembaran 75 /sq. Setelah proses difusi, kami mencelupkan wafer silikon ke dalam HF encer selama 5 menit untuk menghilangkan kaca fosfor silikat (PSG). Ketebalan film ~ 70 nm SiNx:H lapisan yang dibentuk dari plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) untuk lapisan anti-refleksi dan pasivasi, metalisasi menggunakan metode sablon Ag-paste dan Al-paste standar, perak depan dan aluminium belakang elektroda, dan co-firing berturut-turut. Total ada dua kelompok yang diproses.
Hasil dan Diskusi
Metode untuk Mencapai Array SiNW Seragam pada Substrat Si 6-Inci
Untuk metode 1, ion perak kuantitatif terdistribusi merata pertama kali dalam wadah besar ketika larutan etsa kuantitatif dituangkan ke dalamnya dan menempatkan wafer dalam larutan Gambar 2b. Namun, ketika wafer besar ditempatkan ke dalam larutan etsa, larutan etsa akan merespons gaya resistensi. Gaya ini akan menyebabkan larutan etsa tidak langsung terdistribusi secara merata pada permukaan wafer tetapi perlahan-lahan berdifusi dari tepi dan sudut wafer ke pusatnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Saat ini, Ag
+
dalam larutan mulai bereaksi dengan daerah sudut dan tepi wafer, menyebabkan Ag
+
larutan konsentrasi menurun dan kemudian menyebabkan etsa wafer yang tidak seragam. Kemudian, terlepas dari sisa konsentrasi Ag
+
dalam larutan, ia terdistribusi secara merata di atas wafer silikon untuk etsa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, dan susunan SiNW yang seragam tidak dapat diperoleh. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 5a untuk susunan SiNW yang dibuat dari metode 1 yang menunjukkan bahwa SiNW tidak seragam. Pusat dan sudut wafer diselidiki oleh SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, c. Gambar-gambar SEM semuanya memiliki perbesaran yang sama. Wafer sudah berisi struktur piramida dengan ketinggian mulai dari 1 sampai 10 μm, sehingga struktur SiNW yang dibentuk dengan metode MacEtch pada piramida diselidiki. Array SiNW di sekitar pusat wafer ditunjukkan pada Gambar. 5b. Hanya beberapa array SiNW yang terbentuk. Di sisi lain, susunan SiNW di dekat sudut wafer ditunjukkan pada Gambar. 5c. Kedalaman struktur SiNW meningkat. Oleh karena itu, inspeksi dan analisis dengan mata telanjang atau gambar SEM mengungkapkan bahwa susunan SiNW yang dibentuk dengan metode 1 memiliki keseragaman yang rendah.
Bentuk struktur SiNW dengan metode 1. a Tampilan atas wafer 6 inci dengan struktur SiNW. b Tampilan penampang SEM dari struktur SiNW di tengah wafer. c Tampilan penampang SEM dari struktur SiNW di sudut wafer
Pada metode 1, Ag+ pertama-tama mulai bereaksi dengan sudut dan tepi wafer, yang mengakibatkan pengurangan konsentrasi Ag+ dalam larutan dan kemudian menyebabkan etsa yang tidak seragam pada wafer.
Untuk metode 2, kami meningkatkan efek dengan memodifikasi langkah MacEtch dengan dudukan untuk meningkatkan keseragaman SiNW permukaan. Selanjutnya, dalam metode ini, wafer dengan dudukan dimasukkan ke dalam wadah besar terlebih dahulu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, dan kemudian, larutan etsa dituangkan dengan cepat dan merata ke atas wafer dan wadah. Dengan cara ini, permukaan wafer silikon skala besar dapat menyentuh konsentrasi Ag+ yang sama secara bersamaan, membuat struktur SiNW yang tergores seragam. Selanjutnya, wafer direndam dalam HNO3 untuk menghilangkan sisa dendrit perak dan kemudian direndam dalam HF encer untuk menghilangkan oksida permukaan. Struktur SiNW yang dibentuk dengan metode 2 ditunjukkan pada Gambar 6a. Dari gambar tersebut, struktur SiNW memiliki keseragaman yang baik. SEM juga digunakan untuk memeriksa struktur permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b; panjang SiNW adalah 470 nm
11
dan densitasnya adalah 3,02 × 1011 cm
−2
.
Bentuk struktur SiNW dengan metode 2. a Tampilan atas wafer 6 inci dengan struktur SiNW. b Tampilan penampang SEM dari struktur SiNW
Analisis Struktur SiNW Tergores dan Keseragaman Permukaannya
Morfologi Permukaan Wafer Si 6-Inci
Kami memodifikasi langkah-langkah MacEtch untuk mendapatkan struktur SiNW seragam skala besar 6-inci, sehingga dapat mengurangi efek waktu dan perbedaan konsentrasi Ag
+
kontak dengan permukaan wafer. Di sini, metode MacEtch yang ditingkatkan diterapkan pada wafer 6-inci, skala besar, mono-kristal, dan multi-kristal untuk membuat struktur SiNW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Setelah susunan SiNW berhasil dibentuk pada wafer 6-inci, morfologi permukaan sebelum dan sesudah susunan SiNW terbentuk diselidiki. Gambar 7 a dan c masing-masing adalah wafer mono-kristal dan multi-kristal tipe-P 6-inci sebelum menjadi susunan SiNW tergores, masing-masing. Gambar 7 b dan d adalah susunan SiNW yang terbentuk di bawah kondisi fabrikasi yang sama seperti yang dijelaskan dalam percobaan. Mereka dibentuk dengan menggunakan metode MacEtch yang ditingkatkan, dan array SiNW tergores pada waktu yang sama. Oleh karena itu, struktur susunan SiNW yang seragam berhasil dibuat pada wafer 6 inci dengan mengadopsi metode MacEtch yang ditingkatkan. Selain itu, metode ini menunjukkan bahwa metode ini dapat diterapkan pada substrat orientasi kristal yang berbeda, seperti wafer mono-kristal dan multi-kristal.
Sebelum dan sesudah mengukir struktur SiNW pada wafer Si mono-kristal dan multi-kristal 6 inci. a , b Sebelum dan sesudah etsa wafer mono-kristal. c , d Sebelum dan sesudah etsa wafer multi-kristal
Gambar SEM Array SiNW
Gambar SEM digunakan untuk mengamati morfologi SiNW pada permukaan wafer. Gambar 8a adalah tampilan atas dari struktur susunan piramida/SiNW yang dibentuk pada wafer mono-kristalin tipe-P, dan struktur susunan piramida/SiNW yang diperbesar ditunjukkan pada Gambar. 8b. Dapat diamati dengan jelas bahwa kepadatan SiNW di bagian atas piramida lebih rendah daripada di bagian bawah. Ini karena bagian atas piramida bersentuhan dengan lebih banyak larutan etsa, dan kemudian, lebih banyak logam Ag yang diendapkan di permukaan. Oleh karena itu, SiNW yang tergores memiliki kerapatan yang lebih rendah.
Tampilan atas gambar SEM. a , b Struktur susunan piramida/SiNW pada wafer mono-kristalin tipe-P. c , d Struktur susunan SiNW pada wafer multi-kristal tipe-P
Sebaliknya, Gambar 8 c dan d adalah susunan SiNW pada wafer multi-kristal tipe-P. Memang, Gambar 8d adalah gambar yang diperbesar dari Gambar 8c. Untuk substrat multi-kristal, orientasi SiNW yang berbeda dapat diamati dengan jelas, dan dimensi SiNW dan klusternya adalah dari 1 hingga 10 mikron. SiNW dimiringkan pada sudut ke substrat di sisi kiri Gambar 8d, tetapi SiNW secara vertikal sejajar dengan substrat di sisi kanan Gambar 8d. Teori back-bond-breaking dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa orientasi etsa MacEtch tidak sejajar secara vertikal dengan substrat [15, 20, 22, 25]. Sebuah atom Si memiliki dua ikatan kembali pada permukaan substrat (100), tetapi memiliki tiga ikatan belakang pada permukaan (110) atau (111) substrat. Selain itu, jika ikatan belakang lebih banyak, maka akan lebih sulit untuk digores atau dihilangkan. Dengan demikian, atom Si pada substrat (100) lebih mudah dihilangkan, dan larutan etsa akan cenderung memilih arah <100> untuk etsa, sehingga menghasilkan orientasi susunan SiNW yang berbeda.
Orientasi yang berbeda dari susunan SiNW menunjukkan warna permukaan yang berbeda di bawah pengamatan mata telanjang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7d. Ini karena substrat Si multi-kristal mengandung berbagai orientasi kristal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, yang menghasilkan orientasi tergores yang berbeda dari SiNW dan efek anti-reflektif yang berbeda. Selain itu, setelah susunan SiNW dibentuk pada wafer multi-kristal, batas-batas arah kristal yang berbeda dapat dibedakan dengan orientasi SiNW yang berbeda, seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus pada Gambar 8d.
Spektrum Pantulan
Properti optik dari susunan SiNW yang dibuat diperiksa di sini. Pantulan titik-titik yang berbeda dari wafer struktur susunan piramida monokristalin tipe-P 6 inci/SiNW ditunjukkan pada Gambar. 9. Titik-titik yang diukur berada di tengah dan 6 cm dari pusat wafer 6-inci. Reflektansi optik dari semua titik yang diukur kurang dari 6% untuk rentang panjang gelombang 400 sampai 1000 nm, reflektansi terendah adalah 3% pada panjang gelombang 500 nm, dan SiNW pada piramida dengan diameter konsisten 1 mikron. Ini menunjukkan bahwa struktur ini memiliki sifat anti-reflektif yang sangat baik. Selanjutnya, pemetaan reflektansi untuk titik yang berbeda pada Gambar 9 ditunjukkan pada Gambar 10, di mana titik pengukuran yang berbeda memiliki reflektansi yang hampir sama:rata-rata untuk pusat adalah 4,358%, posisi 1 adalah 4,266%, posisi 2 adalah 4,328% , posisi 3 sebesar 4,263%, dan posisi 4 sebesar 4,265%. Delta berada dalam jarak 22%. Ini menunjukkan bahwa titik-titik yang berbeda dari piramida mono-kristalin tipe-P 6 inci/susunan SiNW memiliki sifat optik yang koheren dan, pada saat yang sama, juga membuktikan bahwa mereka memiliki keseragaman yang sangat tinggi dengan menggunakan teknik MacEtch yang ditingkatkan untuk membentuk susunan SiNW .
Reflektansi total dari berbagai tempat dari wafer struktur susunan piramida mono-kristal 6-inci tipe-P/SiNW. Sisipan menandai area yang diukur di tengah dan 6 cm dari pusat
Pemetaan reflektansi dari berbagai titik pada struktur wafer mono-kristalin piramida tipe-P 6-inci/struktur susunan SiNW
Demikian pula, reflektansi dari bintik-bintik yang berbeda dari wafer struktur array as-cut / SiNW multi-kristal tipe-P 6-inci diukur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11, dan itu sesuai dengan bintik-bintik hitam gelap dan hitam terang pada Gambar. 7d. Refleksi area hitam gelap lebih rendah daripada area hitam terang. Selain itu, struktur sisi kanan dan kiri Gambar 8d dapat dihubungkan dengan bintik hitam gelap dan bintik hitam terang, masing-masing. Pantulan susunan SiNW yang disejajarkan secara vertikal lebih rendah daripada susunan SiNW yang sedikit miring ke substrat. Ini karena susunan SiNW yang disejajarkan secara vertikal dapat secara efektif memantulkan cahaya beberapa kali antara SiNW untuk mengurangi pantulan dan meningkatkan penyerapan. Dengan demikian, susunan SiNW yang disejajarkan secara vertikal dapat mempertahankan properti penjebak cahaya yang baik. Secara keseluruhan, pantulannya lebih rendah dari 10% pada panjang gelombang 400 hingga 1000 nm, dan pantulan terendah adalah 4% pada 400 nm. Selain itu, perbedaan pantulan warna permukaan yang berbeda lebih rendah dari 5%, seperti 1% pada 400 nm dan 5% pada 1000 nm untuk hitam pekat dengan diameter SiNW 1 hingga 2 μm; untuk cahaya hitam dengan cluster SiNW dari 7 sampai 10 μm, dan rata-rata reflektansi sekitar 10%. Hal ini menunjukkan bahwa perbedaan orientasi struktur dan klaster SiNW mempengaruhi perbedaan efek light-trapping. Lebih lanjut, perbedaan reflektansi maksimum untuk struktur susunan piramida/SiNW mono-kristal tipe-P pada Gambar. 9 dan struktur susunan as-cut/SiNW multi-kristal tipe-P pada Gambar. 11 adalah sekitar 5%. Ini memverifikasi bahwa teknik MacEtch yang ditingkatkan sangat cocok untuk membuat struktur susunan SiNW pada wafer skala besar, terlepas dari apakah itu silikon mono-kristal atau multi-kristal.
Reflektansi total dari berbagai titik pada wafer struktur array as-cut/SiNW multi-kristal tipe-P 6 inci
Selain itu, langkah-langkah MacEtch yang ditingkatkan yang diusulkan dalam makalah ini digunakan untuk membuat susunan SiNW pada berbagai ukuran wafer. Di bawah kondisi fabrikasi yang sama, struktur susunan piramida/SiNW mono-kristal tipe-P terbentuk. Ukuran wafer adalah 1,5 cm × 1,5 cm dan 6 inci, dan kemudian, reflektansi diukur dan dibandingkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 12, di mana perbedaan refleksi lebih rendah dari 1%. Ini menunjukkan bahwa kami dapat berhasil membuat susunan SiNW yang hampir sama pada wafer skala besar dan kecil dan mempertahankan sifat optik yang identik pada saat yang bersamaan. Selain itu, dari Gambar 9, pantulan titik yang berbeda dari wafer 6 inci menunjukkan bahwa mereka dapat mempertahankan keseragaman susunan SiNW yang tinggi bahkan ketika ukuran wafer Si ditingkatkan.
Reflektansi total struktur susunan piramida monokristalin tipe-P/SiNW yang terbentuk pada 1,5 × 1,5 cm
2
dan wafer 6 inci
Pengaruh Struktur SiNW pada Masa Pakai Operator Minoritas
Selanjutnya, kami memeriksa efek yang disebabkan oleh susunan SiNW saat luas permukaan berubah dari piramida atau permukaan yang dipotong menjadi susunan struktur nano. Metode -PCD diadopsi untuk mengukur masa pakai pembawa minoritas efektif yang tidak dipasifkan dari piramida mono-kristalin tipe-P 6-inci dan wafer as-cut multi-kristal tipe-P. Data pemetaan dari sebelum dan sesudah fabrikasi susunan SiNW ditunjukkan pada Gambar 13, dan rata-rata masa pakai pembawa minoritas efektif ditandai pada gambar. Masa pakai P-mono sedikit menurun dari 2,55 menjadi 2,11 μs, dan masa pakai P-multi juga sedikit menurun dari 1,51 menjadi 1,37s. Dengan tipe mono atau multi-P, setelah menggunakan metode MacEtch yang ditingkatkan untuk membentuk struktur SiNW, masa pakai pembawa efektif berkurang. Ini karena luas permukaan efektif meningkat karena SiNW yang tergores pada substrat silikon. Kemudian, probabilitas rekombinasi permukaan meningkat, yang menghasilkan penurunan masa hidup pembawa minoritas, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Pengukuran -PCD untuk memetakan masa pakai pembawa minoritas pada wafer 6 inci
Dari seumur hidup pembawa minoritas efektif Persamaan. 1, mengarah ke
dimana τeff adalah masa pakai pembawa yang efektif, τmassal adalah masa pakai kapal curah, Seff adalah kecepatan rekombinasi permukaan efektif (SRV), dan W adalah ketebalan wafer.
Karena τmassal adalah sama untuk sebelum dan sesudah etsa array SiNW pada mono-kristal tipe-N atau multi-kristal tipe-P, Persamaan. (1) dapat disederhanakan menjadi Persamaan. (2) dan kemudian pengaruh τmassal dapat dihapus. Selain itu, substrat wafer memiliki ketebalan masing-masing 180 μm; oleh karena itu, dari Persamaan. (2), Seff memiliki korelasi negatif dengan τeff . Selanjutnya, untuk struktur yang berbeda, rata-rata τeff dan menghitung Seff ditunjukkan pada Tabel 1 dengan menggunakan Persamaan yang disederhanakan. (2). Dapat diamati bahwa τeff memiliki korelasi negatif dengan S . yang disederhanakan eff . Kesimpulannya, susunan SiNW yang tergores sebagian besar dapat meningkatkan luas permukaan efek anti-reflektif untuk meningkatkan pemanenan cahaya. Namun, susunan SiNW akan mengurangi τeff dan tingkatkan Seff wafer, yang akan menurunkan kinerja sel surya. Dengan demikian, efek yang disebabkan oleh susunan SiNW harus dipertimbangkan untuk aplikasi sel surya.
Kinerja Sel Surya Al-BSF Multi-kristal SiNW
Mengenai kinerja perangkat sel surya, sel-sel tersebut diukur di bawah iluminasi AM 1.5G dengan daya 100 mW cm
2
diturunkan dari simulator surya dan parameter sel dirangkum dalam Tabel 2. SiNW area luas dan sel surya bertekstur asam referensi dengan struktur berbasis Al-BSF dibuat dengan proses sel standar industri, dan kelompok uji rata-rata sel SiNW dicapai efisiensi sel 17,83%. Dibandingkan dengan perangkat referensi, sel surya dengan SiNW memiliki efisiensi sekitar 0,6%, yang merupakan peningkatan signifikan untuk sel industri. Sifat listrik rapat arus hubung singkat (Jsc ), tegangan rangkaian terbuka (Vok ), dan faktor pengisian (FF) juga ditingkatkan. Perbedaan kinerja dikaitkan dengan reflektansi yang lebih rendah yang disediakan oleh SiNW dan menghasilkan keuntungan 1,2% dari Jsc dan keuntungan 1,35% Vok , yang meningkatkan penangkapan dan penyerapan cahaya dalam rentang panjang gelombang pendek 300–400 nm. Keuntungan FF mungkin dikaitkan dengan area kontak yang lebih tinggi dari SiNWs dengan elektroda Al dibandingkan dengan permukaan bertekstur asam normal. Peningkatan efisiensi dapat lebih ditingkatkan dengan metode pasif yang lebih baik untuk sel SiNW.
Kesimpulan
Kami berhasil menggunakan langkah-langkah MacEtch yang ditingkatkan untuk membuat susunan SiNW skala besar pada wafer 6 inci. Untuk wafer silikon mono-kristalin tipe-P 6-inci, struktur susunan piramida/SiNW yang seragam dan berskala besar dapat dibentuk, karena pantulannya lebih rendah dari 6% pada panjang gelombang dari 400 hingga 1000 nm dan pantulan terendah sekitar 3% pada panjang gelombang 500 nm. Selain itu, percobaan telah menunjukkan bahwa ukuran substrat memiliki pengaruh yang sangat kecil pada refleksi SiNW, yang lebih kecil dari 1%. For the 6-inch P-type multi-crystalline silicon wafer, the different surface crystal orientations cause different etching orientations of SiNW arrays and influence the reflection and various surface colors. The reflection is lower than 10% in wavelengths from 400 to 1000 nm, and the lowest reflection is about 4% at a 400 nm wavelength. In addition, the μ-PCD method is adapted to measure the effective minority carrier lifetime of 6-inch P-type mono-crystalline pyramided and P-type multi-crystalline as-cut wafers. We found that the increased surface area of SiNW structures decreases the effective carrier lifetime (τeff ) of wafers. Here, we use the improved solution-processed MacEtch to form large-scale, uniform SiNW arrays on commercial 6-inch wafers. Regarding cell performance, the device with SiNW arrays has reach averaged of 17.83%, and better Jsc , Vok , and FF were observed. The improvement is attributed to the SiNW structure’s low reflectance. This process has the advantages of low cost, high compatibility, simplicity, and high throughput. As such, it is very suitable for commercially practical applications in the industry.
