Sel Surya Heterojunsi Nanotungsten Silikon Berkinerja Tinggi dengan Passivasi Al₂O₃ melalui ALD
Abstrak
Nanotungsten silikon (SiNW) menunjukkan potensi besar untuk aplikasi energi karena efek penahanan optik, yang memungkinkan pembuatan sel surya kristal silikon (c-Si) yang tipis dan efisien. Karena array SiNW panjang 10 μm dapat menyerap cahaya matahari yang cukup di bawah 1200 nm, SiNW panjang 10 μm dibuat pada wafer silikon untuk menghilangkan pengaruh wafer silikon. Di sisi lain, passivasi permukaan SiNW adalah masalah krusial yang perlu diselesaikan untuk mengurangi rekombinasi permukaan dan mengaktifkan aplikasi SiNW pada sel surya c-Si. Dalam studi ini, oksida aluminium (Al2O3) dibuat melalui depositasi lapisan atom untuk passivasi ikatan yang tergantung. Namun, karena penutupan lengkap SiNW dengan Al2O3, pembawa muatan tidak dapat bergerak ke rangkaian eksternal. Oleh karena itu, pemolesan kimia‑mekanik dilakukan untuk menghapus oksida secara merata dari puncak SiNW. Sel surya heterojunsi dengan efisiensi 1,6% berhasil disintesis menggunakan silikon amorf (a-Si). Efisiensi kuantum internal (IQE) dari sel surya SiNW dan c-Si dibahas. Pada wilayah panjang gelombang di bawah 340 nm, IQE sel surya SiNW lebih tinggi daripada perangkat c-Si, yang menghasilkan peningkatan penyerapan sel SiNW, yang menunjukkan bahwa SiNW menjanjikan untuk penipisan kristal silikon.
Pengantar
Sel surya kristal silikon (c-Si) digunakan luas di seluruh dunia karena efisiensi tinggi dan kelimpahannya [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Untuk mengurangi biaya produksi daya sel surya ini, efisiensinya harus ditingkatkan dan biaya pembuatannya harus dikurangi. Namun, efisiensi sel surya c-Si mendekati batas efisiensi teoretis dan perbaikan lebih lanjut sulit karena tegangan sirkuit terbuka (Voc) dibatasi oleh rekombinasi Auger [10, 11]. Pembuatan film c-Si yang sangat tipis adalah cara efektif untuk meningkatkan Voc, tetapi sel surya c-Si yang sangat tipis menunjukkan densitas arus pendek sirkuit (Isc) yang rendah karena koefisien penyerapan yang rendah [12, 13]. Baru-baru ini, nanotungsten silikon (SiNW) telah menarik perhatian besar karena mereka menunjukkan efek penahanan optik yang kuat yang esensial untuk menangkap cahaya dalam sel surya [14,15,16,17,18,19,20,21]. Dalam eksperimen sebelumnya, kami berhasil mengevaluasi properti optik SiNW dengan mencabutnya dari wafer silikon menggunakan polydimethylsiloxane [22]. Array SiNW panjang 10 μm dapat menyerap cahaya yang cukup, yang menunjukkan bahwa SiNW dapat mengurangi ketebalan sel surya c-Si. Karena sulit untuk membuat array SiNW mandiri, wafer silikon diperlukan. Dalam studi ini, kami fokus pada pembuatan array SiNW panjang 10 μm pada wafer silikon. Oleh karena itu, untuk memaksimalkan penyerapan di wilayah di bawah 1200 nm oleh array SiNW panjang 10 μm, pengaruh wafer silikon dapat dihilangkan. Di sisi lain, untuk menerapkan SiNW pada struktur sel surya, diperlukan untuk memproduksi film passivasi pada permukaannya untuk mengurangi rekombinasi permukaan. Kami menemukan bahwa SiNW memiliki rasio aspek tinggi, jadi sulit untuk memproduksi film passivasi melalui depositasi uap kimia. Oleh karena itu, film passivasi diproduksi pada permukaan SiNW melalui depositasi lapisan atom (ALD) [23, 24]. Di sisi lain, array SiNW yang mengandung Al2O3 tidak dapat dicabut dari wafer silikon karena kekuatan mekanis yang ditingkatkan. Selain itu, pembawa muatan tidak dapat bergerak ke rangkaian eksternal karena film Al2O3 yang isolan. Dalam studi ini, kami usulkan struktur baru (ditunjukkan pada Gambar 1) di mana SiNW panjang 10 μm dibuat pada wafer silikon.
Struktur sel surya SiNW dengan Al2O3
Untuk membentuk kontak antara SiNW dan a-Si, Al2O3 yang ada pada puncak SiNW dihapus melalui pemolesan kimia‑mekanik (CMP) dan pengoksidan. Pengaruh pengoksidan Al2O3 terhadap properti sel surya diselidiki.
Metode
Pembuatan Array SiNW dan Al2O3
Wafer Si tipe p (100) (8–10 Ω cm, 550 μm) direndam dalam larutan asam hidroflourida (HF) dengan AgNO3 untuk menyetorkan partikel perak. Wafer Si secara kimia dioksidasi, menggunakan 4,8 M HF dan 0,15 M H2O2 pada suhu kamar, dan kemudian ditambahkan ke dalam larutan HNO3 untuk menghapus film perak. Akhirnya, lapisan oksida yang ada pada array SiNW yang disiapkan dihapus menggunakan larutan HF. SiNW dengan panjang 10, 15, dan 20 μm diproduksi dengan mengubah waktu pengoksidan. Karena ruang di antara SiNW yang besar, partikel silica dengan diameter sekitar 80 nm (dispersi dalam larutan etanol) diisi ke dalam ruang di antara kawat. Kemudian, Al2O3 tebal 66 nm di-deposit oleh ALD untuk passivasi ikatan yang tergantung. Mikroskopi elektron semaran emissi lapangan (FE-SEM, JEOL JSM-7001F) diterapkan untuk memeriksa struktur array SiNW yang disiapkan.
Penghapusan Al2O3 pada Puncak SiNW
Selanjutnya, pasta pengoksidan dan metode CMP diterapkan untuk menghapus puncak SiNW dan Al2O3 di atasnya. Gambar 2a menunjukkan prosedur pengoksidan Al2O3 menggunakan pasta pengoksidan. Pasta pengoksidan dibentuk pada lapisan Al2O3, diikuti oleh pemanasan untuk menghapusnya. Akhirnya, pasta pengoksidan dihapus. Dalam kasus CMP, proses rinci ditunjukkan pada Gambar 2b. Dengan struktur sel surya yang disiapkan, panjang array SiNW tetap konstan pada 10 μm, dan oleh karena itu ketebalan pengoksidan diubah dengan mengubah panjang awal array SiNW. Ketika panjang awal SiNW adalah 10 μm, pengoksidan dihentikan pada puncak nanotungsten (ketebalan pengoksidan 0 μm, panjang SiNW 10 μm, ketebalan wafer Si yang tersisa 540 μm), yang berarti bahwa Al2O3 di atas SiNW hanya dioksidasi. Untuk panjang awal SiNW 15 μm, panjang pengoksidan didefinisikan sebagai 5 μm, termasuk 5 μm SiNW dan Al2O3 (ketebalan pengoksidan 5 μm, panjang SiNW 10 μm, ketebalan wafer Si yang tersisa 535 μm). Ketika panjang pengoksidan didefinisikan sebagai 10 μm, panjang awal adalah 20 μm (ketebalan pengoksidan 10 μm, panjang SiNW 10 μm, ketebalan wafer Si yang tersisa 530 μm).
Prosedur pengoksidan Al2O3 dan prosedur pembuatan sel surya: a pasta pengoksidan dan b CMP. c Sel surya heterojunsi (sel surya referensi)
Pembuatan Struktur Sel Surya
Gambar 1 menunjukkan struktur sel surya yang diproduksi di sini; struktur heterojunsi a-Si dan Si diadopsi. Prosedur dan kondisi pembuatan struktur heterojunsi sama dengan sel surya SiNW dan sel surya referensi pada Gambar 2. Dalam kasus sel surya referensi, wafer Si tipe p (100) (8–10 Ω cm, 550 μm) digunakan tanpa SiNW. Double heterojunsi dibentuk dengan menyetorkan lapisan silikon amorf jenis i terhidrogenasi (i-a-Si:H, ketebalan 5 nm), lapisan a-Si:H jenis n (ketebalan 10 nm), dan lapisan a-Si:H jenis p (ketebalan 10 nm) melalui depositasi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD). Indium tin oxide (ITO) (ketebalan 80 nm) dan grid Ag digunakan untuk memproduksi elektrode depan. Reflektansi sel surya diukur di wilayah ultraviolet–visible–dekat infra merah. Eksperimen konduktivitas foton steady-state quasi (QSSPC, Sin-ton Instruments) dilakukan untuk mengukur umur pembawa minor dari SiNW. Sel surya SiNW juga dikarakterisasi dengan pengukuran arus–tegangan (I–V) dan efisiensi kuantum. Parameter dari sel surya referensi yang diproduksi pada wafer yang sama tanpa perlakuan apa pun ditunjukkan pada Tabel 1.
Hasil dan Pembahasan
Umur pembawa untuk array SiNW tanpa Al2O3 tidak dapat diukur oleh QSSPC. Beberapa cacat ada pada permukaan SiNW; ini terkait dengan ikatan yang tergantung yang dapat menyebabkan rekombinasi pembawa minor yang signifikan. Untuk passivasi permukaan SiNW, Al2O3 di-deposit oleh ALD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, dengan penitipan Al2O3 terselubungi ke dalam array SiNW tanpa ruang. Jika ada ruang dalam SiNW/Al2O3, film ini mudah pecah oleh CMP. Selain itu, umur wafer Si dengan Al2O3 meningkat dengan peningkatan ketebalan Al2O3 dan cenderung konstan dari 66 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Dari hasil ini, ketebalan lapisan Al2O3 diatur pada 66 nm. Gambar 4b menunjukkan umur pembawa minor dari setiap sampel sebagai fungsi densitas pembawa minor. Umur pembawa minor SiNW dengan Al2O3 meningkat secara drastis menjadi 65 μs (Gambar 4). Karena ikatan yang tergantung dimodifikasi oleh Al2O3, densitas cacat berkurang. Selain itu, untuk meningkatkan umur pembawa minor SiNW/Al2O3, pemanasan dalam gas pembentuk (FG) dilakukan dan umur pembawa muatan ditingkatkan menjadi 157 μs. Ketika umur pembawa muatan wafer Si/Al2O3 sebagai fungsi densitas pembawa muatan dipertimbangkan, tren dari dengan dan tanpa pemanasan berbeda. Pada wilayah densitas pembawa muatan rendah, umur pembawa muatan meningkat oleh muatan tetap negatif. Di sisi lain, umur pembawa minor tanpa pemanasan menurun karena rekombinasi Shockley-Read-Hall menjadi dominan. Karena muatan tetap negatif mempengaruhi pembentukan lenturan pita pada antarmuka antara Al2O3 dan permukaan Si, rekombinasi pada permukaan Si dapat dikurangi [25]. Kami dapat memperoleh informasi tentang keberadaan muatan tetap negatif dari tren umur pembawa muatan sebagai fungsi densitas pembawa muatan. Oleh karena itu, kami menemukan bahwa SiNW/Al2O3 setelah pemanasan ditingkatkan oleh muatan tetap negatif. Meskipun SiNW sepenuhnya ditutupi oleh Al2O3, pembawa muatan tidak bergerak ke rangkaian eksternal. Jadi, untuk memproduksi struktur sel surya, Al2O3 yang ada pada puncak SiNW harus dihapus menggunakan pasta pengoksidan dan menerapkan teknik CMP.
a Umur pembawa minor wafer Si/Al2O3 sebagai fungsi ketebalan film Al2O3. b Umur pembawa minor setiap sampel sebagai fungsi densitas pembawa minor
Tampak atas gambar SEM SiNW a tanpa dan b dengan Al2O3
Pertama, pasta pengoksidan digunakan untuk menghapus Al2O3 dari puncak array SiNW. Setelah pengoksidan, struktur sel surya heterojunsi diproduksi dengan membentuk sistem n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si. Gambar 5a menunjukkan karakteristik I–V dari sel surya SiNW dan parameter sel surya, resistensi seri (Rs), resistensi shunt (Rsh), faktor idealisasi, dan rasio rectifikasi (RR). RR didefinisikan sebagai IF/IR, di mana IF (pada 0,5 V) dan IR (pada −0,5 V) menyatakan arus pada bias maju dan mundur masing-masing. Efek fotovoltaik diamati untuk sel surya SiNW yang mengandung Al2O3, dan hasilnya menunjukkan penghapusan Al2O3 dari puncak SiNW. Namun, efisiensi rendah (0,14%) karena nilai Isc dan Voc yang rendah. Dalam kasus Voc, umur pembawa muatan SiNW dengan Al2O3 menurun menjadi 9 μs setelah menggunakan pasta pengoksidan. Gambar 5b menunjukkan tampak atas perbesar tinggi dari gambar SEM array SiNW dengan Al2O3 setelah pengoksidan. Area tempat SiNW terpapar kecil, dan jumlah pembawa muatan yang dapat dikeluarkan telah berkurang. Gambar 5c menunjukkan tampak atas perbesar rendah dari gambar SEM SiNW dengan Al2O3 setelah pengoksidan. Karena pengoksidan berjalan tidak merata dan bentuk sebelum pengoksidan sudah tidak merata, ketidakteraturan Al2O3 meningkat setelah pengoksidan. Kami menemukan bahwa sulit untuk menghapus Al2O3 secara merata menggunakan pasta pengoksidan, tetapi untuk meningkatkan Isc sel surya SiNW, pengoksidan merata diperlukan.
a Karakteristik I–V dari sel surya SiNW dengan Al2O3 yang dihapus menggunakan pasta pengoksidan. b Tampak atas perbesar tinggi dari gambar SEM SiNW dengan Al2O3 setelah menggunakan pasta pengoksidan. c Tampak atas perbesar rendah dari gambar SEM SiNW dengan Al2O3 setelah menggunakan pasta pengoksidan
CMP dilakukan untuk pengoksidan yang merata Al2O3 yang di-deposit pada SiNW. Gambar 6a dan b menunjukkan gambar SEM tampak atas SiNW dengan Al2O3 setelah CMP. Pertama, array SiNW tidak patah setelah CMP, yang menunjukkan bahwa kekuatan mekanis array SiNW dengan Al2O3 ditingkatkan dengan mengisi ruang di antara SiNW. Karena CMP dapat pengoksidan Al2O3 secara merata, puncak film SiNW/Al2O3 menjadi datar.
a Tampak atas perbesar rendah dari gambar SEM SiNW dengan Al2O3 setelah CMP. b Tampak atas perbesar tinggi dari gambar SEM SiNW dengan Al2O3 setelah CMP. c Tampak penampang silang dari gambar SEM SiNW dengan Al2O3 setelah CMP
Setelah CMP, struktur sel surya heterojunsi diproduksi dengan membentuk n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si menggunakan sistem PECVD. Gambar 7 menunjukkan karakteristik I–V dari sel surya SiNW dengan ketebalan pengoksidan 0, 5, dan 10 μm dan parameter sel surya, Rs, Rsh, faktor idealisasi, dan RR tercantum pada Tabel 2. Untuk ketebalan pengoksidan 0 μm (ketika puncak SiNW diamati, pengoksidan dihentikan), efek fotovoltaik dikonfirmasi, dengan efisiensi konversi 0,8%. Isc sebesar 6,11 mA/cm2 diamati. Meskipun nilai Isc meningkat dibandingkan dengan hasil yang diperoleh untuk pasta pengoksidan, nilai ini masih rendah. Puncak array SiNW teragregasi oleh tegangan permukaan pada Gambar 4a. Karena sebagian SiNW tidak memiliki kontak dengan lapisan a-Si, pembawa muatan bergerak ke rangkaian eksternal dengan sulit. Untuk meningkatkan area kontak, ketebalan pengoksidan ditingkatkan menjadi 5 μm, dan Isc meningkat menjadi 10,3 mA/cm2. Pada ketebalan pengoksidan 10 μm, Isc meningkat menjadi 14,0 mA/cm2. Saat array SiNW yang teragregasi dihapus, area kontak antara SiNW dan a-Si meningkat. Di sisi lain, Voc yang sangat rendah sebesar 0,3 V diperoleh. Pembawa minor diukur setelah CMP, dan umur pembawa minor menurun secara drastis dari 157 menjadi 19 μs karena kualitas passivasi penitipan Al2O3 menurun oleh CMP. Karena umur pembawa minor pada wilayah densitas pembawa minor rendah menurun setelah CMP, muatan tetap negatif berkurang. Pusat rekombinasi pada permukaan SiNW meningkat yang menyebabkan Voc rendah. Selain itu, dalam kasus kawat, mobilitas pembawa muatan menurun karena pengikatan pembawa muatan pada permukaan, dan konduktivitas menurun. Meskipun hasil ini menunjukkan bahwa muatan tetap negatif mungkin berkurang oleh CMP, mekanisme masih tidak jelas. Di sisi lain, ketika Rs, Rsh, faktor idealisasi, dan RR dari pasta pengoksidan dan hasil CMP dibandingkan, setiap parameter dari pasta pengoksidan lebih baik daripada CMP. Karena Rs dari CMP lebih besar daripada pasta pengoksidan dan Rsh dari CMP lebih rendah daripada pasta pengoksidan, kontaminasi mungkin masih tersisa pada puncak SiNW yang mencegah kontak yang baik antara SiNW dan a-Si. Oleh karena itu, studi lebih lanjut diperlukan untuk menyelidiki perbaikan kualitas passivasi untuk meningkatkan Voc dan Isc sel surya.
a Karakteristik I–V dari sel surya SiNW dengan Al2O3 yang dihapus oleh CMP
Efisiensi kuantum sel surya c-Si dan SiNW panjang 10 μm dibandingkan. Dalam kasus efisiensi kuantum eksternal (EQE), intensitas sel surya SiNW sebagian besar lebih rendah daripada sel surya c-Si pada Gambar 8a. Namun, EQE sel surya SiNW ditingkatkan pada wilayah dari 300 hingga 500 nm. Gambar 8b menunjukkan reflektansi SiNW dan sel surya c-Si, dan dapat diamati bahwa reflektansi perangkat SiNW lebih rendah daripada c-Si, khususnya pada wilayah panjang gelombang pendek (dari 300 hingga 500 nm) di mana ia menurun secara drastis. Meskipun reflektansi sel surya SiNW lebih rendah daripada sel surya c-Si, EQE perangkat SiNW di wilayah lainnya lebih rendah daripada sel surya c-Si. Karena wilayah panjang gelombang panjang cahaya diserap di dasar SiNW, EQE sel surya SiNW menurun. Efisiensi kuantum internal (IQE) dari sel surya SiNW dan c-Si dibahas untuk menghilangkan pengaruh reflektansi. Wilayah panjang gelombang di mana IQE sel surya SiNW lebih tinggi daripada sel surya c-Si berkurang. Pada wilayah panjang gelombang di bawah 340 nm, IQE perangkat SiNW lebih tinggi daripada sel surya c-Si, yang menghasilkan peningkatan penyerapan SiNW. Peningkatan penyerapan disebabkan oleh efek penangkap cahaya daripada efek rongga optik. [26, 27] Untuk mendapatkan efek rongga optik menggunakan SiNW, diameter dan posisi SiNW harus dikontrol. Karena diameter dan posisi SiNW yang diproduksi oleh MAE acak, sulit untuk mendapatkan efek rongga optik menggunakan SiNW. Di sisi lain, struktur acak SiNW dapat memiliki efek penangkap cahaya yang kuat, yang menunjukkan bahwa SiNW yang diproduksi oleh MAE menjanjikan untuk penipisan kristal silikon.
a EQE dan IQE dari sel surya SiNW dan sel surya referensi. b Reflektansi dari sel surya SiNW dan sel surya referensi
Kesimpulan
Passivasi permukaan SiNW sangat penting untuk aplikasi mereka dalam perangkat sel surya. Al2O3 diproduksi oleh ALD untuk passivasi ikatan yang tergantung. Karena ALD dapat menyetorkan Al2O3 di seluruh SiNW, pembawa muatan tidak dapat bergerak ke rangkaian eksternal. Dalam studi ini, pasta pengoksidan dan teknik CMP diterapkan untuk mengoksidasi Al2O3 dari puncak SiNW. Dengan pasta pengoksidan, sel surya SiNW dengan efisiensi 0,14% berhasil diperoleh. Namun, karena array SiNW teragregasi oleh tegangan permukaan, area kontak antara SiNW dan a-Si kecil, yang mengakibatkan Isc rendah. Untuk meningkatkan efisiensi lebih lanjut, ketebalan pengoksidan ditingkatkan, dan efisiensi dapat ditingkatkan menjadi 1,6% dengan meningkatkan Isc. Dalam kasus EQE, intensitas sel surya SiNW lebih rendah daripada sel surya c-Si. Karena reflektansi pada wilayah panjang gelombang pendek dari 300 hingga 500 nm menurun secara drastis, EQE ditingkatkan. IQE dari sel surya SiNW dan c-Si dibahas untuk menghilangkan pengaruh reflektansi. Pada wilayah panjang gelombang di bawah 340 nm, IQE perangkat SiNW lebih tinggi daripada sel surya c-Si, yang menghasilkan peningkatan penyerapan SiNW, yang menunjukkan bahwa SiNW menjanjikan untuk penipisan kristal silikon.
