Investigasi Sel Surya Kristal-Silikon dengan Lapisan Silikon Hitam di Bagian Belakang
Abstrak
Sel surya kristalin-Si (c-Si) dengan lapisan Si (b-Si) hitam di bagian belakang dipelajari untuk mengembangkan sel surya c-Si dengan respon fotovoltaik celah sub-band. B-Si dibuat dengan etsa kimia. Sel surya c-Si dengan b-Si di bagian belakang ternyata memiliki kinerja yang jauh lebih baik daripada struktur serupa tetapi tanpa b-Si di bagian belakang, dengan peningkatan efisiensi yang relatif sebesar 27,7%. Temuan ini menarik karena b-Si memiliki luas permukaan spesifik yang besar, yang dapat menyebabkan rekombinasi permukaan yang tinggi dan penurunan kinerja sel surya. Celah pita bergradasi ditemukan terbentuk di bagian belakang sel surya c-Si dengan lapisan b-Si di bagian belakang. Celah pita bergradasi ini cenderung mengeluarkan elektron bebas dari belakang, sehingga mengurangi kemungkinan rekombinasi lubang elektron pada b-Si dan meningkatkan kinerja sel surya c-Si.
Latar Belakang
Si yang sangat tergores permukaan yang telah dimuat atau didoping dengan ion logam atau non-logam dapat menunjukkan absorptivitas yang kuat dan broadband [1,2,3,4,5,6]. Jenis Si ini, atau Si hitam (b-Si), telah menarik banyak perhatian untuk aplikasi potensialnya dalam fotovoltaik respons pita lebar [7,8,9]. Sampai saat ini, investigasi sel surya b-Si telah difokuskan pada konfigurasi sedemikian rupa sehingga lapisan b-Si berada di depan sel surya [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]. Dalam hal ini, pasangan elektron-hole yang diinduksi oleh absorpsi sub-band gap near infrared (NIR) pada lapisan b-Si berada jauh dari zona PN junction dan tidak dapat didekomposisi oleh medan built-in untuk menjadi pembawa muatan, membuat respons fotovoltaik NIR celah sub-band menjadi tidak mungkin. Hal ini kemudian dipahami bahwa jika lapisan b-Si ditempatkan di bagian belakang, pasangan lubang elektron yang diinduksi penyerapan NIR dapat diuraikan oleh medan antarmuka Si/oksida di bagian belakang [20] atau oleh medan built-in di sana. jika konfigurasi kontak balik (IBC) interdigitated diadopsi [21], membuat respons fotovoltaik (PV) dari sel surya kristal (c)-Si meluas ke kisaran NIR celah sub-band. Sayangnya, luas permukaan spesifik b-Si yang besar biasanya akan menyebabkan rekombinasi permukaan yang tinggi, yang akan sangat menurunkan kinerja sel surya [10, 15, 22]. Oleh karena itu, sebelum kita mulai mempelajari respon sub-band gap NIR sel surya c-Si, perlu diketahui seberapa besar rekombinasi permukaan b-Si dan bagaimana meminimalkan atau menghindari pengaruhnya [23]. Dalam karya ini, kami mempelajari respons PV sel surya c-Si dengan b-Si di bagian belakang dan menjelajahi fisika yang mendasari pengamatan kami.
Metode
Materi
Wafer Si<100> tipe-P (CZ, semir dua sisi, 10 × 10 × 0.2 mm
3
dalam ukuran, 1–10 Ω cm) digunakan sebagai substrat. Wafer Si dibersihkan secara ultrasonik dan kemudian dicelupkan ke dalam HF encer(1%), diikuti dengan etsa dalam NaOH/alkohol/H2 O (0,5 g/200 ml/200 ml) larutan pada 90 °C selama 15 menit untuk sedikit tekstur permukaan untuk antirefleksi dan kemudian bilas dalam air de-ionisasi. Untuk menyiapkan b-Si di bagian belakang, lapisan Ag dengan ketebalan nyata 3 nm diuapkan ke satu permukaan substrat Si sebagai katalis dengan pemanasan resistansi dalam ruang vakum buatan sendiri dengan tekanan dasar kurang dari 5 × 10
− 4
Pa Setelah merendam wafer Si dalam HF(40%):H2 O2 (30%):H2 O = 1:5:10 selama 120 detik pada suhu kamar, lapisan b-Si terbentuk di permukaan Si atau di bagian belakang sel surya. Pasta fosfor kemudian diendapkan ke permukaan Si lain atau bagian depan sel surya, diikuti dengan anil pada 900 °C selama 20 menit dalam nitrogen untuk membentuk sambungan PN. SiO setebal 20 nm2 lapisan diuapkan ke bagian depan sel surya untuk pasif permukaan. Untuk pasivasi permukaan belakang, Al2 . setebal 10 nm O3 lapisan diendapkan menggunakan teknik deposisi lapisan atom (ALD) (Beneq TFS 200). Lapisan ITO setebal 80 nm diendapkan ke permukaan depan sebagai elektroda depan. Lapisan Al setebal 2 m diuapkan dengan pemanasan resistansi sebagai elektroda belakang. Anil termal dalam nitrogen pada 425 °C selama 5 menit dilakukan untuk menyelesaikan preparasi sel surya c-Si. Harus ditunjukkan bahwa dalam pekerjaan ini, kami berfokus pada efek b-Si di bagian belakang pada respons PV; oleh karena itu, permukaan depan hanya sedikit bertekstur dan tidak terlalu tergores untuk membentuk b-Si.
Pengukuran
Spektrum reflektansi diukur menggunakan spektrofotometer UV-vis-NIR (Shimadzu, UV-3101PC). Morfologi permukaan diukur dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM) (Philips, XL 30). Parameter PV sel surya diperoleh dengan simulator surya (Oriel/Newport, model 94023A) pada kondisi 1-Sun AM1.5G. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) sel surya diperoleh pada sistem QE Oriel/Newport. Pengukuran mikroskop elektron transmisi (TEM) dilakukan pada sistem JEOL EM-3000. Spektra photoluminescence (PL) pemancar permukaan direkam oleh spektrofotometer (Ocean Optics USB2000), dengan laser He-Cd 325-nm (Melles Griot, model seri 74) sebagai sumber eksitasi. Potensi permukaan Si tipe-p dan b-Si diukur dengan sistem probe Kelvin (Teknologi KP SKP5050), yang disebut perbedaan potensial kontak, atau identifikasi CPD.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1a menunjukkan skema sel surya c-Si bertekstur permukaan sedikit setelah pasivasi depan dan belakang. Gambar 1b memberikan skema sel surya dengan struktur serupa tetapi dengan b-Si di bagian belakang. Ketebalan sel surya sekitar 200 μm.
Skema sel surya c-Si bertekstur permukaan sedikit tanpa (a ) dan dengan (b ) b-Si di belakang
Gambar 2a menunjukkan gambar SEM tampilan atas dari permukaan depan bertekstur. Gambar 2b memberikan gambar SEM tampak samping dari permukaan b-Si. Tinggi rata-rata struktur nano dari Si bertekstur adalah 10~20 nm, sedangkan b-Si adalah ~ 110 nm. Gambar 2c menunjukkan gambar TEM resolusi tinggi (HR) b-Si, di mana nanokristalin Si dapat dilihat sebagaimana tercermin oleh pinggiran difraksi. Kristalinitas b-Si ini juga ditunjukkan oleh pola SAED (difraksi elektron area terpilih) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d.
Gambar SEM dari Si bertekstur permukaan (a ) dan b-Si yang diukir di permukaan (b ), HRTEM (c ), dan SAED (d ) dari b-Si
Gambar 3a memberikan spektrum serapan untuk wafer Si (disebut “Si”), b-Si yang menghadap cahaya datang (disebut “b-Si ke atas”), dan b-Si dengan punggung menghadap cahaya datang (disebut “b -Si ke bawah"). Untuk “Si”, terlihat bahwa ketika energi foton lebih kecil dari lebar celah pita c-Si (1,1 eV), atau ekuivalen, panjang gelombangnya lebih besar dari 1100 nm dan hampir tidak ada penyerapan yang terjadi seperti yang diharapkan. Namun, untuk "b-Si ke atas," selain peningkatan besar penyerapan dalam kisaran 300-1100-nm karena perangkap cahaya yang kuat oleh struktur nano b-Si [1,2,3,4,5, 6,7,8,9, 24,25,26,27,28,29,30,31], muncul celah sub-band serapan NIR. Penyerapan celah sub-pita ini dapat dikaitkan dengan pembentukan tingkat pengotor dalam celah pita, yang memungkinkan penyerapan foton energi lebih rendah [25,26,27,28, 32]. Penyerapan celah sub-band dapat menjadi efisien dengan bantuan perangkap cahaya [25,26,27,28, 32]. Untuk "b-Si ke bawah," penyerapan dalam kisaran 300-1100-nm meningkat dibandingkan dengan "Si." Terlihat bahwa meskipun tidak ada Ag yang terendapkan di sisi depan ini, namun akan tetap sedikit bertekstur selama pembentukan b-Si di bagian belakang. Tekstur permukaan ini memperkuat perangkap cahaya. Terlihat bahwa meskipun bagian dari celah sub-band NIR dipantulkan di permukaan depan, sebagian besar absorbansi NIR masih tetap ada. Inilah yang dibutuhkan untuk mengembangkan sel surya c-Si celah sub-band gap NIR di masa depan. Gambar 3b memberikan spektrum PL terukur dari b-Si, dan gambar sisipan adalah foto b-Si di bawah iluminasi laser 325 nm. Tidak ada emisi PL yang ditemukan untuk wafer Si. Emisi PL dari b-Si merupakan indikasi lain bahwa nanokristal Si ada seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c [10, 33].
Spektrum serapan wafer Si, b-Si yang menghadap sinar datang, dan b-Si yang membelakangi sinar datang (a ). PL Si dan b-Si di bawah iluminasi laser eksitasi 325 nm (b ). Sisipan menunjukkan b-Si di bawah penerangan laser 325 nm
Kami sekarang menyelidiki bagaimana b-Si di bagian belakang sel surya c-Si akan mempengaruhi kinerjanya. Berikut ini, sel surya b-Si berarti sel surya c-Si dengan lapisan b-Si di bagian belakang. Sebagai perbandingan, kami telah membuat empat sel surya c-Si, yaitu sel surya wafer Si (disebut “wafer”), sel surya wafer Si dengan Al2 O3 pasif di bagian belakang (disebut “wafer + Al2 O3 ”), sel surya b-Si (disebut “b-Si”), dan sel surya b-Si dengan Al2 O3 pasif di bagian belakang (disebut “b-Si + Al2 O3 ”). Keempat sel surya telah bertekstur di permukaan depan. Tegangan rapat arus (J -V ) kurva keempat sel surya ditunjukkan pada Gambar 4a, dan kurva EQE-nya ditunjukkan pada Gambar 4b. Parameter PV yang sesuai termasuk tegangan rangkaian terbuka (VOC ), rapat arus hubung singkat (JSC ), faktor pengisian (FF), dan efisiensi konversi fotolistrik (η ) diberikan pada Tabel 1. Dibandingkan dengan sel surya “wafer Si”, setelah pasivasi belakang oleh Al2 O3 , sel “wafer + Al2 O3 ” menunjukkan kinerja yang jauh lebih baik. JSC , VOC , FF, dan η meningkat, dan peningkatan EQE yang cukup besar terlihat di seluruh rentang panjang gelombang yang diukur. Hasil ini konsisten dengan laporan sebelumnya karena rekombinasi permukaan telah ditekan dengan baik oleh Al2 O3 pasif [34,35,36]. Saat lapisan b-Si ada di bagian belakang, penurunan signifikan JSC , VOC , dan η dari sel "b-Si" akan diharapkan karena rekombinasi permukaan yang tinggi karena luas permukaan spesifik yang besar dari b-Si, dibandingkan dengan sel "wafer" [15, 22]. Namun sebaliknya, kinerja “b-Si” ternyata jauh lebih baik, bahkan efisiensinya mendekati “wafer + Al2 O3 ,” dan memiliki peningkatan relatif 27,7%. Kurva EQE juga menunjukkan peningkatan broadband yang cukup besar. Rekombinasi permukaan tinggi yang diinduksi luas permukaan yang besar tampaknya tidak terjadi di sini. Kami kemudian pergi untuk memeriksa sel “b-Si + Al2 O3 ” dan temukan itu setelah Al2 O3 kepasifan di belakang, JSC , VOC , FF, dan η meningkat lebih lanjut dan begitu juga EQE. Hal ini menunjukkan bahwa Al2 O3 masih pasif secara efisien permukaan belakang seperti dalam kasus “wafer + Al2 O3 .” Peran yang dimainkan b-Si di belakang ternyata menarik dan perlu dieksplorasi lebih jauh.
Fotovoltaik J -V (a ) dan kurva EQE (b ) untuk sel surya “wafer”, “wafer + Al2 O3 ,” “b-Si”, dan “b-Si+Al2 O3 ”
Gambar 5 menunjukkan diagram pita energi sambungan PN dengan b-Si di bagian belakang. Bahwa pita konduksi minimum b-Si adalah 0,4 eV di atas Si tipe-p yang dihasilkan dari pengukuran CPD. Karena b-Si ditumbuhkan secara langsung pada Si tipe-p, jarak antara tingkat energi Fermi dan pita valensi maksimum pada dasarnya harus dijaga sama karena konsentrasi dopingnya sama [37]. Oleh karena itu, lebar celah pita b-Si lebih besar dari pada wafer Si. Ini konsisten dengan pembentukan nanokristalin Si, emisi PL mereka seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c dan 3b, masing-masing, dan efek kurungan kuantum [38]. Dengan celah pita bergradasi di bagian belakang, elektron bebas akan dikeluarkan dari b-Si dan elektroda belakang [39]; sementara itu, pergeseran lubang menuju elektroda belakang tidak terpengaruh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Dengan cara itu, kemungkinan rekombinasi lubang elektron di b-Si dapat dikurangi secara besar-besaran dan masalah rekombinasi permukaan yang tinggi dapat dihindari secara efisien. . Celah pita bergradasi yang terbentuk menjelaskan mengapa sel “b-Si” memiliki kinerja yang jauh lebih baik daripada sel “wafer”, meskipun luas permukaan spesifiknya jauh lebih besar.
Diagram pita energi persimpangan PN dengan b-Si di bagian belakang
Peran positif b-Si di bagian belakang dalam fotovoltaik lebih jauh dimanifestasikan dalam perangkat PV terstruktur heterojungsi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, b. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c, untuk perangkat PV dengan b-Si di bagian belakang ini, EQE jelas ditingkatkan dibandingkan dengan tanpa b-Si di bagian belakang. Celah pita bergradasi pada antarmuka P-Si dan b-Si harus bertanggung jawab atas peningkatan EQE [39, 40]. Hasil ini secara kualitatif konsisten dengan yang ada pada Gambar 4b. Meskipun konfigurasi PV untuk Gambar 4b dan Gambar 6c berbeda, peran yang dimainkan oleh b-Si di bagian belakang pada dasarnya sama.
Skema perangkat PV terstruktur heterojungsi tanpa (a ) dan dengan (b ) b-Si di bagian belakang dan kurva EQE-nya (c )
Kesimpulan
Kami mempelajari sel surya c-Si dengan lapisan b-Si di bagian belakang. Sel surya c-Si dengan konfigurasi seperti itu menunjukkan kinerja yang jauh lebih baik daripada sel surya c-Si dengan struktur serupa tetapi tanpa b-Si di bagian belakang. Hasil ini dikaitkan dengan pembentukan celah pita bergradasi di bagian belakang, yang sebagian besar dapat mengurangi kemungkinan rekombinasi permukaan di bagian belakang, sehingga meningkatkan kinerja sel surya c-Si. Temuan pekerjaan ini dapat diterapkan untuk mengembangkan sel surya c-Si dengan respons PV broadband, termasuk respons NIR celah sub-band, di masa depan.
