Sel Surya Silikon Tunggal Kristal Piramida Terbalik Tinggi Efisiensi (20,19 %) yang Diproduksi melalui Penggoresan Kimia Bersantun Logam Teroptimasi
Abstrak
Kami melaporkan sel surya silikon tunggal kristal (sc-Si) yang menampilkan mikrostruktur piramida terbalik dan mencapai efisiensi konversi rekor sebesar 20,19 % pada wafer standar berukuran 156,75 × 156,75 mm². Struktur ini dihasilkan melalui proses dua tahap: (1) penggoresan kimia bersantun logam (MACE) menggunakan konsentrasi ion perak ultra-rendah, dan (2) teksturisasi antilaik alkaline yang dioptimasi. Dengan menyesuaikan parameter MACE dan teksturisasi dengan hati-hati, kami mengontrol dimensi piramida hingga lebar 1 µm, sehingga menghasilkan reflectivitas normal sebesar 9,2 %. Dibandingkan wafer piramida tegak konvensional, desain terbalik ini memberikan peningkatan efisiensi sebesar 0,19 % dan peningkatan kepadatan arus pendek (Jsc) sebesar 0,22 mA cm−2, melebihi struktur yang telah dilaporkan sebelumnya. Pendekatan ini menawarkan jalur yang terukur menuju fotovoltaik sc-Si berkecukupan tinggi.
Latar Belakang
Silikon tunggal kristal (sc-Si) tetap menjadi bahan acuan untuk fotovoltaik komersial karena efisiensi konversi foto yang unggul dan keandalan yang terbukti. Namun, perkembangan terbaru dalam pemotongan kawat berlian, lapisan pasivasi, dan konfigurasi kristal alternatif telah menyempitkan kesenjangan performa, memaksa peninjauan ulang strategi penangkap cahaya permukaan. Teksturisasi piramida tegak tradisional, yang terbatas oleh kimia alkaline satu tahap, mencapai reflectivitas 10–12 %—sebuah platfon yang menghasilkan pengurangan pengembalian pada peningkatan efisiensi.
Silikon hitam, yang terkenal dengan reflectivitas di bawah 0,3 % di seluruh spektrum UV–NIR, telah muncul sebagai alternatif yang menarik. Sementara ablasi laser femtosekon, penggoresan ion reaktif (RIE), dan penggoresan kimia bersantun logam (MACE) dapat menghasilkan silikon hitam, MACE menawarkan keseimbangan terbaik antara kompatibilitas, biaya, dan skalabilitas untuk wafer sc-Si.
Tantangan utama meliputi pengelolaan kompromi antara struktur nano yang dalam (yang meningkatkan penangkap cahaya) dan rekombinasi permukaan (yang menurunkan umur pembawa muatan). Penelitian terbaru telah menunjukkan bahwa MACE yang dioptimasi dapat menghasilkan lapisan nanoporos dengan densitas tinggi tanpa pengenalan cacat berlebihan. Dalam studi ini, kami memperluas pendekatan tersebut dengan mengintegrasikan tahap MACE berbasis Ag dengan konsentrasi rendah beserta tahap teksturisasi alkaline yang terkontrol, menghasilkan mikrostruktur piramida terbalik yang seragam dan cocok untuk produksi massal.
Metode
Wafer sc-Si tipe p berorientasi (100) yang diperoleh secara komersial (tebal 200 ± 20 µm, 1–3 Ω cm) dibersihkan terlebih dahulu dalam mandi NaOH/H2O2 (30 wt.%) dan dicuci dengan air ultrapurni. Untuk MACE, wafer pertama kali direndam dalam 0,2 M HF/3 × 10−5 M AgNO3 pada 25 °C untuk menjerap nanopartikel perak. Penggoresan selanjutnya dalam campuran asam (H2O2 3,13 M/HF 2,46 M) dengan aditif komersial (C) sebesar 0,1 % selama 3 menit menghasilkan lapisan silikon nanoporos. Sisa perak dihilangkan dengan pencucian selama 5 menit dalam 0,1 M NH3/0,1 M H2O2 dan pencucian akhir dengan air ultrapurni.
Wafer nanoporos kemudian dikunderkan teksturisasi antilaik alkaline: larutan NaOH 0,003 M yang mengandung aditif (A) sebesar 0,4 % pada 60 °C selama 7 menit. Tahap ini mengubah jaringan poros menjadi piramida terbalik seragam dengan lebar dasar 1 µm. Pemrosesan industri selanjutnya—pembentukan juncsi p-n melalui difusi fosfor, pengelupasan kaca silikat fosfat, lapisan antirefleksi SiNx melalui PECVD, dan metalisasi elektroda—menyelesaikan pembuatan perangkat.
Karakterisasi mencakup SEM (Hitachi S-4800), metrologi 3D untuk pengukuran fitur mikro, pengukuran reflectansi UV–VIS–NIR (UV-3101PC dengan bola integrasi), ketebalan dan indeks bias SiNx (Filmetrics F20-UV), dan pengujian fotovoltaik (Enlitech QE-R dan PVIV-411V). Simulasi FDTD (λ = 631,57 nm) menilai distribusi medan optik dalam geometri terbalik versus tegak.
Hasil dan Pembahasan
Penyetoran nanopartikel perak dioptimasi hingga 5 ppm AgNO3 selama 2 menit pada suhu ruang, menghasilkan lapisan padat dan seragam dengan diameter 15 nm (Gambar 1). Konsentrasi yang lebih tinggi atau waktu diam yang lebih lama menghasilkan partikel yang tidak teratur dan panjang yang menurunkan keseragaman permukaan.
Gambar SEM nanopartikel perak yang disetir pada sc-Si: a–c 5, 10, 15 ppm (2 menit, 25 °C); d–f 5 ppm (2, 4, 6 menit). Inset menunjukkan EDS yang mengonfirmasi Ag.
Setelah MACE, silikon nanoporos menunjukkan diameter yang berkisar dari 20 nm (1 menit) hingga 110 nm (5 menit) dan kedalaman 1,3–3 µm (Gambar 2). Kondisi optimal adalah 3 menit pada 35 °C, menyeimbangkan kekasaran permukaan minimal dan penangkap cahaya maksimal (Gambar 3). Penggoresan yang lebih lama (>4 menit) memperkenalkan poros silinder lengkung yang meningkatkan reflectivitas.
SEM silikon nanoporos pada 35 °C: a hasil fabrikasi; b–f 1–5 menit.
Rata-rata reflectivitas silikon nanoporos versus waktu MACE pada 30–50 °C.
Teksturisasi antilaik alkaline mengubah jaringan poros menjadi piramida terbalik. Waktu proses 5–9 menit menghasilkan piramida dengan lebar 500 nm hingga 1 µm dan kedalaman 350 nm hingga 400 nm (Gambar 4). Pada 7 menit, piramida terdistribusi seragam, lebar 1 µm, dan menunjukkan reflectivitas rata-rata 9,2 %—perbandingan dibanding tekstur tegak standar.
SEM permukaan piramida terbalik: a silikon nanoporos; b–f waktu teksturisasi 1–9 menit.
Spektrum reflectansi piramida terbalik untuk waktu teksturisasi yang berbeda.
Evaluasi listrik mengungkapkan bahwa sel piramida terbalik unggul dibandingkan sejenisnya tegak: efisiensi 20,19 % versus 19,95 %, Jsc sebesar 38,47 mA cm−2 versus 38,25 mA cm−2, Voc sebesar 647 mV versus 645 mV, dan fill factor yang lebih tinggi sebesar 0,05 % (Tabel 2). IQE tetap sebanding, sementara EQE menunjukkan peningkatan 5–10 % pada rentang 300–600 nm, sesuai dengan reflectivitas permukaan yang berkurang (Gambar 6). Simulasi FDTD mengonfirmasi bahwa geometri terbalik mengkonsentrasikan medan elektromagnetik dalam massa silikon, meningkatkan penyerapan foton dibanding piramida tegak (Gambar 7).
Perbandingan (a) reflectansi, (b) IQE, dan (c) EQE untuk piramida terbalik versus tegak.
Distribusi medan listrik 3D FDTD pada 631,57 nm untuk piramida terbalik (kiri) dan tegak (kanan).
Kesimpulan
Integrasi MACE dengan konsentrasi ultra-rendah dan tahap teksturisasi alkaline yang disesuaikan dengan baik menghasilkan mikrostruktur piramida terbalik seragam berukuran 1 µm yang mengurangi reflectivitas permukaan hingga 9,2 % dan meningkatkan efisiensi konversi hingga 20,19 %. Jsc yang dihasilkan sebesar 38,47 mA cm−2 menunjukkan potensi pendekatan ini untuk manufaktur fotovoltaik sc-Si yang berkecukupan tinggi dan terukur. Optimasi lebih lanjut pada lapisan pasivasi dan parameter penangkap cahaya dapat mendorong efisiensi melebihi 21 %.
