Array Nanowire Silikon Skala Besar pada Sel Surya Mono- dan Multi-Kristal 6 inci melalui Etching Kimia Bantu Logam yang Ditingkatkan

Abstrak

Kami menunjukkan teknik etching kimia bantu logam (MacEtch) yang diproses dalam larutan dan terukur yang menghasilkan array nanowire silikon (SiNW) seragam pada wafer mono- dan multi-kristal 6 inci. SiNW, berpanjang 470 nm dan padat 3,02 × 10¹¹ cm⁻², memberikan efek anti-reflektansi lebar dengan <6 % refleksi dari 300 hingga 1100 nm. Keseragaman di seluruh wafer sangat baik—variasi refleksi pusat-ke-tepi <22 %. Meskipun terdapat pengurangan modest dalam umur pembawa minor efektif karena peningkatan luas permukaan, sel Al-BSF multi-kristal tekstur SiNW mencapai efisiensi rata-rata 17,83 %, unggul dibandingkan konterpart tekstur asam konvensional. Proses suhu ruangan yang berbiaya rendah dan throughput tinggi membuat pendekatan ini siap untuk penggunaan komersial fotovoltaik.

Pendahuluan

Nanostruktur silikon menawarkan penangkap cahaya dan anti-refleksi yang unggul dibandingkan silikon datar, yang memungkinkan efisiensi sel surya yang lebih tinggi tanpa lapisan anti-refleksi yang mahal. Etching kimia bantu logam (MacEtch) menyediakan jalur yang berbiaya rendah dan suhu ruangan untuk memproduksi nanostruktur tersebut, namun produksi luas area yang seragam telah terbatas. Studi ini mengatasi kesenjangan tersebut dengan menyempurnakan MacEtch untuk wafer 6 inci dan memvalidasi array SiNW yang dihasilkan dalam sel surya Al-BSF skala industri.

Metode Eksperimental

Mekanisme MacEtch

Dalam larutan AgNO₃/HF, Ag⁺ mengoksidasi Si menjadi SiO₂, sementara Ag yang terreduksi menempel pada permukaan. HF menghilangkan oksida, sehingga wilayah yang dilindungi Ag di-etak secara anisotrop untuk membentuk SiNW. Proses ini sangat dapat dikontrol melalui konsentrasi oksidan dan pola penyetoran logam.

Pembuatan SiNW pada Wafer 6 inci

Wafer mono-kristal (100) dan multi-kristal tipe p (tebal 180 µm, 0,5–3 Ω·cm) dibersihkan, kemudian direndam dalam 23 mM AgNO₃/6,4 M HF selama 3 menit 19 detik pada suhu ruangan. Dua protokol etching dibandingkan: (1) rendaman satu batch tradisional, dan (2) metode holder modifikasi yang memastikan paparan seluruh wafer secara bersamaan kepada etchant, menghasilkan SiNW seragam.

Pembuatan Sel Surya Al-BSF

Setelah tekstur SiNW, wafer melalui difusi POCl₃ (850 °C, 30 menit) untuk membentuk pemancar N⁺ (resistensi permukaan ≈75 Ω/□), diikuti dengan etching HF untuk menghilangkan PSG. Lapisan anti-refleksi SiNx:H 70 nm ditetapkan oleh PECVD, dan pencetakan layar standar pasta Ag (depan) dan pasta Al (belakang) dilakukan. Dua set perangkat—SiNW tekstur dan referensi tekstur asam—dibuat dan diuji di bawah iluminasi AM 1.5G.

Hasil dan Pembahasan

Array SiNW Seragam pada Wafer 6 inci

Metode 2 menghasilkan array SiNW dengan keseragaman yang sangat baik: citra pemotongan SEM menunjukkan panjang 470 nm dan kepadatan tinggi di seluruh wafer. Metode 1 menunjukkan ketidakseragaman tepi-ke-pusat yang mencolok karena konsentrasi Ag⁺ yang berbeda selama rendaman.

Morfologi Permukaan

Citra (diabaikan) mengilustrasikan transisi dari permukaan piramid atau as-cut menjadi array SiNW padat. Wafer multi-kristal menunjukkan pertumbuhan SiNW yang bergantung pada orientasi (<100>, <110>, <111>), yang mempengaruhi pewarnaan optik dan refleksi.

Reflektansi Optik

Refleksi yang diukur wafer SiNW mono-kristal tetap <6 % di seluruh 400–1000 nm, dengan minimum 3 % pada 500 nm. Variasi refleksi di seluruh wafer <22 %. Wafer multi-kristal menunjukkan <10 % refleksi (minimum 4 % pada 400 nm). Keseragaman terpelihara antara substrat 1,5 × 1,5 cm dan 6 inci (selisih <1 %).

Umur Pembawa Minor

Umur pembawa minor efektif menurun dari 2,55 µs menjadi 2,11 µs (mono-kristal) dan dari 1,51 µs menjadi 1,37 µs (multi-kristal) setelah pembentukan SiNW, yang dikaitkan dengan peningkatan kecepatan rekombinasi permukaan (S_eff). Meskipun demikian, kinerja perangkat meningkat karena refleksi yang dikurangi.

Kinerja Perangkat

Sel Al-BSF tekstur SiNW menghasilkan efisiensi rata-rata 17,83 % versus 17,23 % untuk kontrol tekstur asam—keuntungan absolut 0,6 %. Densitas arus pendek meningkat 1,2 %, tegangan sirkuit terbuka meningkat 1,35 %, dan faktor isi meningkat, kemungkinan karena penangkap cahaya yang ditingkatkan dan area kontak elektroda yang lebih besar.

Kesimpulan

Proses MacEtch yang ditingkatkan secara andal menghasilkan array SiNW seragam dan refleksi rendah pada wafer mono- dan multi-kristal 6 inci. Sel Al-BSF yang dihasilkan mencapai efisiensi >17,8 %, yang mengonfirmasi kelayakan komersial teknik ini. Biaya rendah, kesederhanaan, dan skalabilitas menjadikannya calon kuat untuk manufaktur fotovoltaik generasi mendatang.