Silcon Nanowire Heterojunction Solar Cells dengan Al2O3 Passivation Film Dibuat oleh Atomic Layer Deposition
Abstrak
Kawat nano silikon (SiNWs) menunjukkan potensi besar untuk aplikasi energi karena efek kurungan optik, yang memungkinkan pembuatan sel surya silikon kristal tipis (c-Si) yang sangat efisien dan tipis. Karena susunan SiNW sepanjang 10 m dapat menyerap cahaya matahari yang cukup kurang dari 1200 nm, SiNW sepanjang 10 m dibuat pada wafer Si untuk menghilangkan pengaruh wafer Si. Di sisi lain, Pasifasi permukaan SiNWs adalah masalah penting yang perlu dipecahkan untuk mengurangi rekombinasi permukaan dan memungkinkan penerapan SiNWs ke sel surya c-Si. Dalam penelitian ini, aluminium oksida (Al2 O3 ) dibuat dengan deposisi lapisan atom untuk pasivasi ikatan yang menjuntai. Namun, karena penutup SiNW yang lengkap dengan Al2 O3 , pembawa tidak bisa pindah ke sirkuit eksternal. Oleh karena itu, pemolesan kimia-mekanis dilakukan untuk menghilangkan oksida secara seragam dari bagian atas SiNWs. Sel surya heterojungsi dengan efisiensi 1,6% berhasil difabrikasi menggunakan silikon amorf (a-Si). Efisiensi kuantum internal (IQE) sel surya SiNW dan c-Si dibahas. Di wilayah panjang gelombang di bawah 340 nm, IQE sel surya SiNW lebih tinggi daripada perangkat c-Si, yang menghasilkan peningkatan penyerapan sel SiNW, menunjukkan bahwa SiNW menjanjikan penipisan kristal-silikon.
Pengantar
Sel surya silikon kristal (c-Si) banyak digunakan di seluruh dunia karena efisiensi dan kelimpahannya yang tinggi [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Untuk mengurangi biaya pembangkit listrik dari sel surya tersebut, efisiensinya harus ditingkatkan dan biaya fabrikasinya harus dikurangi. Namun, efisiensi sel surya c-Si mendekati batas efisiensi teoritis dan perbaikan lebih lanjut sulit dilakukan karena tegangan rangkaian terbuka (Vok ) dibatasi oleh rekombinasi Auger [10, 11]. Membuat film c-Si yang sangat tipis adalah cara yang efektif untuk meningkatkan Vok , tetapi sel surya c-Si yang sangat tipis menunjukkan rapat arus hubung singkat yang rendah (Isc ) karena koefisien penyerapannya yang rendah [12, 13]. Baru-baru ini, kawat nano silikon (SiNWs) telah menarik banyak perhatian karena mereka menunjukkan efek kurungan optik yang kuat yang penting untuk menjebak cahaya dalam sel surya [14,15,16,17,18,19,20,21]. Dalam percobaan kami sebelumnya, kami berhasil mengevaluasi sifat optik SiNWs dengan mengupasnya dari wafer silikon menggunakan polydimethylsiloxane [22]. Array SiNW sepanjang 10 m dapat menyerap cahaya yang cukup, yang menunjukkan bahwa SiNW dapat mengurangi ketebalan sel surya c-Si. Karena sulit untuk membuat susunan SiNW yang berdiri sendiri, wafer Si diperlukan. Dalam penelitian ini, kami fokus pada pembuatan susunan SiNW sepanjang 10 m pada wafer Si. Oleh karena itu, untuk memaksimalkan penyerapan pada panjang gelombang di bawah wilayah 1200-nm oleh susunan SiNW sepanjang 10 m, pengaruh wafer Si dapat dihilangkan. Di sisi lain, untuk menerapkan SiNWs ke struktur sel surya, perlu untuk membuat film pasivasi pada permukaannya untuk mengurangi rekombinasi permukaan. Kami menemukan bahwa SiNWs menunjukkan rasio aspek yang tinggi, sehingga sulit untuk membuat film pasivasi dengan deposisi uap kimia. Oleh karena itu, film pasivasi dibuat pada permukaan SiNW dengan deposisi lapisan atom (ALD) [23, 24]. Di sisi lain, array SiNW berisi Al2 O3 tidak dapat dikupas dari wafer silikon karena kekuatan mekanik yang ditingkatkan. Selain itu, pembawa tidak dapat pindah ke sirkuit eksternal karena isolasi Al2 O3 film. Dalam studi ini, kami mengusulkan struktur baru (ditunjukkan pada Gambar. 1) di mana SiNW sepanjang 10 m dibuat pada wafer Si.
Struktur sel surya SiNW dengan Al2 O3
Untuk membentuk kontak antara SiNW dan a-Si, Al2 O3 yang ada di bagian atas SiNW dihilangkan dengan pemolesan kimia-mekanis (CMP) dan etsa. Pengaruh Al2 O3 etsa pada sifat-sifat sel surya diselidiki.
Metode
Fabrikasi Array SiNW dan Al2 O3
Wafer Si (100) tipe-p (8–10 Ω cm, 550 μm) direndam dalam larutan asam fluorida (HF) dengan AgNO3 untuk menyimpan partikel perak. Wafer Si digores secara kimia, menggunakan 4,8 M HF dan 0,15 M H2 O2 pada suhu kamar, dan selanjutnya ditambahkan ke dalam HNO3 solusi untuk menghapus film perak. Akhirnya, lapisan oksida yang ada pada susunan SiNW yang disiapkan dihilangkan menggunakan larutan HF. SiNWs dengan panjang 10, 15, dan 20 μm dibuat dengan mengubah waktu etsa. Karena ruang antara SiNW besar, partikel silika dengan diameter sekitar 80 nm (terdispersi dalam larutan etanol) diisi ke dalam ruang di antara kabel. Kemudian, Al2 setebal 66 nm O3 diendapkan oleh ALD untuk mempasifkan ikatan yang menjuntai. Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM, JEOL JSM-7001F) diterapkan untuk memeriksa struktur susunan SiNW yang disiapkan.
Penghapusan Al2 O3 di Puncak SiNWs
Selanjutnya, pasta etsa dan metode CMP diterapkan untuk menghilangkan bagian atas SiNW dan Al2 O3 pada mereka. Gambar 2a menunjukkan Al2 O3 prosedur etsa menggunakan pasta etsa. Pasta etsa terbentuk pada Al2 O3 lapisan, diikuti dengan anil untuk menghapusnya. Akhirnya, pasta etsa dihilangkan. Dalam kasus CMP, proses detailnya ditunjukkan pada Gambar. 2b. Dengan struktur sel surya yang dibuat, panjang susunan SiNW tetap konstan pada 10 μm, dan oleh karena itu, ketebalan etsa diubah dengan mengubah panjang awal susunan SiNW. Ketika panjang awal SiNWs adalah 10 μm, etsa dihentikan di bagian atas kawat nano (ketebalan etsa 0 μm, panjang SiNW 10 μm, ketebalan sisa wafer Si 540 μm), yang berarti bahwa Al2 O3 di atas SiNWs hanya terukir. Untuk panjang SiNW awal 15 μm, panjang etsa didefinisikan sebagai 5 μm, termasuk SiNW 5-μm dan Al2 O3 (ketebalan etsa 5 μm, panjang SiNW 10 μm, ketebalan sisa wafer Si 535 μm). Ketika panjang etsa didefinisikan sebagai 10 μm, panjang awal adalah 20 μm (ketebalan etsa 10 μm, panjang SiNW 10 μm, ketebalan sisa wafer Si 530 μm).
Al2 O3 prosedur etsa dan prosedur fabrikasi sel surya:a pasta etsa dan b CMP. c Sel surya heterojungsi (sel surya referensi)
Fabrikasi Struktur Sel Surya
Gambar 1 menunjukkan struktur sel surya yang dibuat di sini; struktur heterojungsi a-Si dan Si diadopsi. Prosedur fabrikasi dan kondisi struktur heterojungsi sama dengan sel surya SiNW dan sel surya referensi pada Gambar 2. Dalam kasus sel surya referensi, wafer Si (100) tipe-p (8–10 Ω cm, 550 m) digunakan tanpa SiNW. Heterojungsi ganda dibentuk dengan mendepositkan lapisan silikon amorf terhidrogenasi tipe-i (ia-Si:H, ketebalan 5 nm), lapisan a-Si:H tipe-n (ketebalan 10 nm), dan tipe-p a- Lapisan Si:H (ketebalan10 nm) melalui deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD). Indium timah oksida (ITO) (ketebalan 80 nm) dan grid Ag digunakan untuk membuat elektroda depan. Reflektansi sel surya diukur di daerah ultraviolet-terlihat-dekat-inframerah. Eksperimen fotokonduktansi keadaan tunak semu (QSSPC, Sin-ton Instruments) dilakukan untuk mengukur masa pakai pembawa minoritas SiNW. Sel surya SiNW juga dicirikan oleh tegangan-arus yang diterangi (I–V ) dan pengukuran efisiensi kuantum. Parameter sel surya referensi yang dibuat pada wafer yang sama tanpa perlakuan apa pun ditunjukkan pada Tabel 1.
Hasil dan Diskusi
Masa pakai pembawa untuk larik SiNW tanpa Al2 O3 tidak dapat diukur dengan QSSPC. Beberapa cacat hadir di permukaan SiNW; ini terkait dengan ikatan yang menjuntai yang dapat menyebabkan rekombinasi yang cukup besar dari pembawa minoritas. Untuk pasif permukaan SiNW, Al2 O3 diendapkan oleh ALD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, dengan Al2 O3 deposit yang tertanam ke dalam array SiNW tanpa ruang. Jika ada ruang di SiNW/Al2 O3 , film ini mudah dipatahkan oleh CMP. Apalagi wafer Si seumur hidup dengan Al2 O3 meningkat dengan meningkatnya ketebalan Al2 O3 dan cenderung konstan dari 66 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Dari hasil tersebut didapatkan ketebalan Al2 O3 lapisan diatur ke 66 nm. Gambar 4b menunjukkan masa pakai pembawa minoritas dari setiap sampel sebagai fungsi kepadatan pembawa minoritas. Masa pakai pembawa minoritas SiNW dengan Al2 O3 meningkat drastis menjadi 65 μs (Gbr. 4). Karena ikatan yang menjuntai dimodifikasi oleh Al2 O3 , kepadatan cacat menurun. Selanjutnya meningkatkan masa pakai pembawa minoritas SiNW/Al2 O3 , anil dalam membentuk gas (FG) dilakukan dan masa pakai pembawa ditingkatkan menjadi 157 μs. Saat masa pakai pembawa Si wafer/Al2 O3 sebagai fungsi kepadatan pembawa dipertimbangkan, tren dengan dan tanpa anil berbeda. Di wilayah kepadatan pembawa yang rendah, masa pakai pembawa meningkat dengan muatan tetap negatif. Di sisi lain, masa pakai pembawa minoritas tanpa anil menurun karena rekombinasi Shockley-Read-Hall menjadi dominan. Karena muatan tetap negatif mempengaruhi pembentukan pita lentur pada antarmuka antara Al2 O3 dan permukaan Si, rekombinasi pada permukaan Si dapat dikurangi [25]. Kita dapat memperoleh informasi tentang keberadaan muatan tetap negatif dengan tren masa pakai pembawa sebagai fungsi densitas pembawa. Oleh karena itu, kami menemukan bahwa SiNW/Al2 O3 setelah anil ditingkatkan dengan muatan tetap negatif. Meskipun SiNW sepenuhnya dicakup oleh Al2 O3 , pembawa tidak pindah ke sirkuit eksternal. Jadi, untuk membuat struktur sel surya, Al2 O3 yang ada di bagian atas SiNW harus dihilangkan menggunakan pasta etsa dan menerapkan teknik CMP.
a Masa pakai pembawa minoritas Si wafer/Al2 O3 sebagai fungsi dari Al2 O3 ketebalan film. b Masa pakai pembawa minoritas dari setiap sampel sebagai fungsi dari kepadatan pembawa minoritas
Tampilan atas gambar SEM dari SiNWs a tanpa dan b dengan Al2 O3
Pertama, pasta etsa digunakan untuk menghilangkan Al2 O3 dari atas array SiNW. Setelah etsa, struktur sel surya heterojungsi dibuat dengan membentuk sistem n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si. Gambar 5a menunjukkan I–V karakteristik sel surya SiNW dan parameter sel surya, resistansi seri (Rs ), hambatan shunt (Rsh ), faktor idealitas, dan rasio rektifikasi (RR). RR didefinisikan sebagai IB /AkuR , di mana AkuB (pada 0,5 V) dan IR (pada 0 .5 V) masing-masing menunjukkan arus pada bias maju dan mundur. Efek fotovoltaik diamati untuk sel surya SiNW yang mengandung Al2 O3 , dan hasilnya menunjukkan penghapusan Al2 O3 dari atas SiNWs. Namun, efisiensinya rendah (0,14%) karena arus hubung singkat yang rendah (Isc ) dan tegangan rangkaian terbuka (Vok ) nilai. Dalam kasus Vok , masa pakai pembawa SiNW dengan Al2 O3 menurun menjadi 9 detik setelah menggunakan pasta etsa. Gambar 5b menunjukkan tampilan atas perbesaran tinggi dari gambar SEM array SiNW dengan Al2 O3 setelah etsa. Area di mana SiNW terpapar kecil, dan jumlah pembawa yang dapat dikeluarkan telah berkurang. Gambar 5c menunjukkan tampilan atas perbesaran rendah dari gambar SEM. Karena hasil etsa tidak seragam dan bentuk sebelum etsa sudah tidak seragam, ketidakseragaman Al2 O3 meningkat setelah penggoresan. Kami menemukan bahwa sulit untuk menghapus Al2 O3 seragam menggunakan pasta etsa, tetapi untuk meningkatkan Isc sel surya SiNW, diperlukan etsa yang seragam.
aI–V karakteristik sel surya SiNW dengan Al2 O3 dihapus menggunakan pasta etsa. b Tampilan atas perbesaran tinggi dari gambar SEM SiNWs dengan Al2 O3 setelah menggunakan pasta etsa. c Tampilan atas perbesaran rendah dari gambar SEM SiNWs dengan Al2 O3 setelah menggunakan pasta etsa
CMP dilakukan untuk mengetsa Al2 . secara seragam O3 disimpan di SiNWs. Gambar 6a dan b menunjukkan gambar SEM tampilan atas SiNW dengan Al2 O3 setelah CMP. Pertama, array SiNW tidak putus setelah CMP, menunjukkan bahwa kekuatan mekanik array SiNW dengan Al2 O3 ditingkatkan dengan menyematkan ruang di antara SiNW. Karena CMP dapat secara seragam mengetsa Al2 O3 , bagian atas SiNW/Al2 O3 film menjadi datar.
a Tampilan atas perbesaran rendah dari gambar SEM SiNWs dengan Al2 O3 setelah CMP. b Tampilan atas perbesaran tinggi dari gambar SEM SiNWs dengan Al2 O3 setelah CMP. c Tampilan penampang gambar SEM SiNWs dengan Al2 O3 setelah CMP
Setelah CMP, struktur sel surya heterojungsi dibuat dengan membentuk n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si menggunakan sistem PECVD. Gambar 7 menunjukkan I–V karakteristik sel surya SiNW dengan ketebalan etsa 0, 5, dan 10 μm dan parameter sel surya, Rs , Rsh , faktor idealitas, dan RR tercantum dalam Tabel 2. Untuk ketebalan etsa 0 μm (ketika bagian atas SiNWs diamati, etsa dihentikan), efek fotovoltaik dikonfirmasi, dengan efisiensi konversi 0,8%. Akusc dari 6,11 mA/cm
2
diamati. Meskipun sayasc nilai meningkat dibandingkan dengan hasil yang diperoleh untuk pasta etsa, masih merupakan nilai yang rendah. Bagian atas susunan SiNW diagregasi oleh tegangan permukaan pada Gambar 4a. Karena bagian dari SiNW tidak memiliki kontak ke lapisan a-Si, pembawa pindah ke sirkuit eksternal dengan susah payah. Untuk meningkatkan area kontak, ketebalan etsa ditingkatkan menjadi 5 μm, dan Isc meningkat menjadi 10,3 mA/cm
2
. Pada ketebalan etsa 10 μm, Isc ditingkatkan menjadi 14,0 mA/cm
2
. Saat array SiNW teragregasi dihapus, area kontak antara SiNW dan a-Si meningkat. Di sisi lain, V . yang sangat rendah ok 0,3 V diperoleh. Pembawa minoritas diukur setelah CMP, dan masa hidup pembawa minoritas menurun drastis dari 157 menjadi 19 detik karena kualitas pasivasi Al2 O3 deposit berkurang CMP. Karena masa pakai pembawa minoritas di wilayah kepadatan pembawa minoritas rendah menurun setelah CMP, muatan tetap negatif menurun. Pusat rekombinasi pada permukaan SiNW meningkat menyebabkan V . rendah ok . Selanjutnya, dalam kasus kabel, mobilitas pembawa diturunkan, karena hamburan pembawa di permukaan, dan konduktivitas diturunkan. Meskipun hasil ini menunjukkan bahwa muatan tetap negatif dapat dikurangi dengan CMP, mekanismenya masih belum jelas. Di sisi lain, ketika Rs , Rsh , faktor idealitas, dan RR pasta etsa dan hasil CMP dibandingkan, masing-masing parameter pasta etsa lebih baik dibandingkan dengan CMP. Sejak Rs CMP lebih besar dari pasta etsa dan Rsh CMP lebih rendah dari pasta etsa, kontaminasi mungkin tetap berada di bagian atas SiNW yang mengarah ke mencegah kontak yang baik antara SiNW dan a-Si. Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menyelidiki peningkatan kualitas pasivasi untuk meningkatkan Vok dan Akusc sel surya.
aI–V karakteristik sel surya SiNW dengan Al2 O3 dihapus oleh CMP
Efisiensi kuantum sel surya SiNW dan c-Si sepanjang 10 m 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 di wilayah tersebut dari 300 menjadi 500 nm. Gambar 8b menunjukkan reflektansi sel surya SiNWs dan c-Si, dan dapat diamati bahwa reflektansi perangkat SiNWs lebih rendah daripada perangkat c-Si, terutama di wilayah panjang gelombang pendek (dari 300 hingga 500 nm ) di mana itu menurun drastis. Meskipun reflektansi sel surya SiNW lebih rendah daripada sel surya c-Si, EQE perangkat SiNW di wilayah lain lebih rendah daripada sel surya c-Si. Karena wilayah panjang gelombang cahaya diserap di bagian bawah SiNWs, EQE sel surya SINW menurun. Efisiensi kuantum internal (IQE) sel surya SiNW dan c-Si dibahas untuk menghilangkan pengaruh reflektansi. Daerah panjang gelombang di mana IQE sel surya SiNW lebih tinggi daripada sel surya c-Si menurun. Di wilayah panjang gelombang di bawah 340 nm, IQE perangkat SiNW lebih tinggi daripada sel surya c-Si, yang menghasilkan peningkatan penyerapan SiNWs. Peningkatan penyerapan lebih disebabkan oleh efek perangkap 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 dibuat oleh MAE acak, sulit untuk mendapatkan efek rongga optik menggunakan SiNW. Di sisi lain, struktur acak SiNW dapat memiliki efek perangkap cahaya yang kuat, menunjukkan bahwa SiNW yang dibuat oleh MAE menjanjikan penipisan silikon-kristal.
a EQE dan IQE sel surya SiNW dan sel surya referensi. b Pantulan sel surya SiNW dan sel surya referensi
Kesimpulan
Pasifasi permukaan SiNW sangat penting untuk aplikasinya di perangkat sel surya. Al2 O3 dibuat oleh ALD untuk mempasifkan ikatan yang menjuntai. Karena ALD dapat menyetor Al2 O3 atas seluruh SiNWs, pembawa tidak dapat pindah ke sirkuit eksternal. Dalam penelitian ini, pasta etsa dan teknik CMP diterapkan pada etsa Al2 O3 dari atas SiNWs. Dengan pasta etsa, sel surya SiNW dengan efisiensi 0,14% berhasil diperoleh. Namun, karena susunan SiNW diagregasi oleh tegangan permukaan, area kontak antara SiNW dan a-Si kecil, menyebabkan I rendah. sc . Untuk lebih meningkatkan efisiensi, ketebalan etsa 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 di daerah panjang gelombang pendek dari 300 menjadi 500 nm menurun drastis, EQE ditingkatkan. IQE dari sel surya SiNW dan c-Si dibahas untuk menghilangkan pengaruh reflektansi. Di wilayah panjang gelombang di bawah 340 nm, IQE perangkat SiNW lebih tinggi daripada sel surya c-Si, yang menghasilkan peningkatan penyerapan SiNW, menunjukkan bahwa SiNW menjanjikan penipisan silikon-kristal.
