Sel Surya Silikon Kristal dengan Lapisan Belakang Black-Silicon: Efisiensi Tinggi melalui Pengatur Bedang Band-Gap

Abstrak

Kami meneliti sel surya silikon kristal (c-Si) yang menyertakan lapisan black-silicon (b-Si) di permukaan belakang. Pencetakan kimia menghasilkan nanostruktur b-Si, dan kehadirannya di bagian belakang perangtokal menghasilkan peningkatan relatif efisiensi konversi daya sebesar 27,7 % dibandingkan sel setara tanpa lapisan b-Si. Peningkatan ini disebabkan oleh bedang band-gap yang terbentuk di belakang, yang mendorong elektron bebas menjauh dari b-Si dengan luas permukaan tinggi dan sehingga menekan rekombinasi permukaan. Studi ini menunjukkan bahwa lapisan b-Si di sisi belakang dapat dimanfaatkan untuk memperluas respons spektral sel surya c-Si ke wilayah inframerah dekat sub-band-gap.

Latar Belakang

Silikon yang sangat bertekstur yang telah dimuat atau di-dop dengan ion logam atau non-logam menunjukkan absorpsi lebar banda, yang mengakibatkan efek black-silicon (b-Si). Silikon semacam ini telah menarik perhatian untuk aplikasi fotovoltaik lebar banda. Pekerjaan yang ada biasanya menempatkan lapisan b-Si di bagian depan sel, yang mencegah foton inframerah dekat (NIR) sub-band-gap dari menghasilkan pembawa muatan yang dapat digunakan karena pasangan elektron-lubang yang dihasilkan terlalu jauh dari junc PN. Kami berhipotesis bahwa penempatan lapisan b-Si di bagian belakang akan memungkinkan medan bawaan di antarmuka Si/oksida, atau medan kontak belakang bergigin, untuk memisahkan pembawa yang dihasilkan NIR dan mengaktifkan fotovoltase sub-band-gap. Namun, luas permukaan spesifik yang besar dari b-Si dapat memperkenalkan rekombinasi permukaan yang parah. Pekerjaan ini mengeksplorasi respons fotovoltaik sel c-Si dengan lapisan b-Si di sisi belakang dan menjelaskan fisika di baliknya.

Metode

Bahan

Kami menggunakan wafer Si<100> tipe p (CZ, double-side polished, 10 × 10 × 0,2 mm³, 1–10 Ω·cm). Wafer dicuci ultrasonis, direndam dalam 1 % HF, dan kemudian di-etch dalam larutan NaOH/alkohol/H₂O (0,5 g / 200 mL / 200 mL) pada 90 °C selama 15 menit untuk menciptakan tekstur anti-refleksi ringan. Untuk pembentukan b-Si di sisi belakang, lapisan katalis Ag tebal 3 nm diavporasi pada satu permukaan. Wafer kemudian direndam dalam larutan HF(40 %) : H₂O₂(30 %) : H₂O (1 : 5 : 10) selama 120 detik pada suhu kamar, menghasilkan nanostruktur b-Si. Pasta fosforus diatur pada permukaan yang berlawanan, diikuti oleh anil 900 °C/20 menit dalam nitrogen untuk membentuk junc PN. Passivasi permukaan dicapai dengan 20 nm SiO₂ di depan dan 10 nm Al₂O₃ di belakang (yang terakhir melalui ALD). Elektroda depan ITO tebal 80 nm dan elektroda belakang Al tebal 2 µm diatur, dan sel akhirnya dianil pada 425 °C/5 menit dalam nitrogen.

Pengukuran

Spektrum refleksi direkam dengan spektrofotometer Shimadzu UV-3101PC. Morfologi permukaan diperiksa dengan SEM Philips XL 30. Parameter fotovoltaik diukur menggunakan simulator surya Oriel/Newport 94023A di bawah AM 1.5G 1 Sun. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) diperoleh pada sistem Oriel/Newport QE. Mikroskopi elektron transmisi (TEM) menggunakan JEOL EM-3000. Fotoluminesensi (PL) menggunakan Ocean Optics USB2000 dengan laser He-Cd 325 nm. Pengukuran perbedaan potensi kontak (CPD) dilakukan dengan Kelvin probe KP Technology SKP5050.

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan skematik penampang silang sel c-Si yang sedikit bertekstur dengan dan tanpa b-Si di sisi belakang. Ketebalan sel sekitar 200 µm.

Gambar SEM (Gambar 2) menunjukkan bahwa permukaan depan memiliki nanostruktur 10–20 nm, sementara b-Si di belakang memiliki rata-rata ketinggian sekitar 110 nm. HRTEM mengonfirmasi Si nanokristal dalam b-Si, didukung oleh pola SAED.

Spektrum absorpsi (Gambar 3a) menunjukkan bahwa b-Si yang menghadap cahaya insiden secara signifikan meningkatkan absorpsi di seluruh 300–1100 nm dan memperkenalkan absorpsi NIR sub-band-gap, yang disebabkan oleh pembentukan tingkat pengganggu di dalam bandgap. Ketika b-Si menghadap jauh dari cahaya (b-Si ke bawah), absorpsi tetap tinggi dalam rentang 300–1100 nm, yang menunjukkan bahwa b-Si di sisi belakang masih dapat menangkap foton NIR.

Empat variasi perangtokal dibuat: (1) wafer Si; (2) wafer Si + passivasi belakang Al₂O₃; (3) b-Si belakang; (4) b-Si belakang + Al₂O₃. Data current-voltage dan EQE (Gambar 4) menunjukkan bahwa perangtokal wafer + Al₂O₃ lebih unggul dari wafer yang tidak di-passivasi, mengonfirmasi penekanan rekombinasi permukaan yang efektif. Menakjubkan, perangtokal b-Si belakang menunjukkan peningkatan efisiensi relatif sebesar 27,7 % dibandingkan wafer polos, meskipun luas permukaan besar yang biasanya akan meningkatkan rekombinasi. Penambahan Al₂O₃ pada b-Si belakang lebih meningkatkan performa, menekankan bahwa passivasi belakang tetap efektif. Kunci dari peningkatan ini adalah bedang band-gap di belakang: minimum band konduksi b-Si terletak sekitar 0,4 eV di atas minimum band konduksi Si tipe p (pengukuran CPD), menciptakan hambatan yang mendorong elektron menjauh dari b-Si dengan luas permukaan tinggi sambil membiarkan lubang mencapai elektroda belakang, sehingga menekan rekombinasi.

Perangkat PV heterojunt tambahan (Gambar 6) mengonfirmasi peran bersi dari b-Si di sisi belakang. EQE perangtokal b-Si jauh lebih tinggi daripada perangtokal tanpa b-Si, sesuai dengan mekanisme bedang band-gap.

Kesimpulan

Penyisipan lapisan black-silicon di bagian belakang sel surya silikon kristal secara dramatis meningkatkan performa perangtokal dengan membentuk bedang band-gap yang mengurangi rekombinasi permukaan. Peningkatan efisiensi sebesar 27,7 % menunjukkan kelayakan b-Si di sisi belakang untuk memperluas respons spektral sel c-Si ke wilayah NIR sub-band-gap, membuka jalan untuk teknologi fotovoltaik lebar banda.