Pengaruh Ketebalan Oksida Titanium Didoping Niobium dan Lapisan Oksida Termal untuk Sel Surya Silicon Quantum Dot Sebagai Lapisan Pemblokir Dopan
Abstrak
Silicon quantum dot (Si-QD) yang tertanam dalam silikon oksida amorf digunakan untuk sel surya p-i-n pada substrat kuarsa sebagai lapisan fotogenerasi. Untuk menekan difusi fosfor dari lapisan tipe-n ke lapisan fotogenerasi Si-QD, titanium oksida yang didoping niobium (TiOx :Nb) diadopsi. Perlakuan asam fluorida dilakukan untuk sebagian sampel untuk menghilangkan lapisan oksida termal pada antarmuka TiOx :Lapisan tipe Nb/n. Oksida termal bertindak sebagai lapisan pemblokiran pembawa yang dihasilkan oleh foto. Sifat sel surya menggunakan TiO setebal 10 nmx :Nb tanpa oksida termal lebih baik daripada dengan oksida termal, terutama rapat arus hubung singkat ditingkatkan hingga 1,89 mA/cm
2
. Pembawa yang dihasilkan foto terjadi di Si-QD dengan efek kurungan kuantum. TiO setebal 10 nmx :Nb dengan lapisan oksida termal secara efektif memblokir P; namun, difusi P tidak sepenuhnya ditekan oleh TiO setebal 10 nmx :Nb tanpa oksida termal. Hasil ini menunjukkan bahwa ketebalan total TiOx :Nb dan lapisan oksida termal mempengaruhi efek pemblokiran P. Untuk mencapai peningkatan lebih lanjut dari sel surya Si-QD, TiO2 setebal lebih dari 10 nmx :Nb diperlukan.
Pengantar
Silicon quantum dot (Si-QD) telah dipelajari untuk mewujudkan lebih dari 40% efisiensi sel surya [1,2,3,4]. Sel surya Si single-junction melebihi 26% baru-baru ini diproduksi [5], yang cukup mencapai batas teoritis, sekitar 30% [6]. Pendekatan lain sangat penting untuk perbaikan lebih lanjut dari efisiensi konversi. Konfigurasi tandem merupakan salah satu solusi untuk mengatasi limit dengan menggunakan multi-junction dengan beberapa bandgap [7,8,9]. Si-QD merupakan salah satu kandidat sel teratas pada sel surya tandem karena celah pita tergantung pada ukurannya dapat disetel karena efek kurungan kuantum [10,11,12,13,14]. Selain itu, Si-QD memiliki beberapa keunggulan yang berasal dari karakteristik unsur:melimpah di bumi, tidak beracun, dan mudah diaplikasikan pada industri. Dalam studi ini, struktur multilayer Si-QD (Si-QDML) digunakan untuk membuat Si-QD, yang menanamkan Si-QD dalam material celah lebar [15,16,17].
Struktur sel surya p-i-n menggunakan Si-QDML dengan silikon dioksida (SiO2 ) telah dibuat dan diukur tegangan rapat arus (J -V ) karakteristik [18, 19]. SiO2 matriks dapat mengurangi ikatan yang menjuntai dari permukaan Si-QD, yang mengarah ke tingkat pasif permukaan yang tinggi dari Si-QD [20]. Salah satu struktur sel surya memiliki tegangan sirkuit terbuka yang tinggi (VOC ) sebesar 492 mV. Namun, rapat arus hubung singkat (JSC ) sangat buruk karena kemungkinan tunneling yang rendah dari pembawa yang dihasilkan foto, yang disebabkan oleh band offset yang besar antara kristal Si dan SiO2 [1, 8]. Juga, resistansi seri yang cukup besar yang berasal dari resistansi lembaran tinggi dari Si-QDML tipe-n diamati. Untuk mengatasi masalah ini, kami mengusulkan untuk menggunakan Si-QDML dengan oksida silikon amorf yang kekurangan oksigen untuk meningkatkan kemungkinan tunneling pembawa yang dihasilkan foto [21], yang mengarah pada peningkatan JSC . Selain itu, silikon polikristalin tipe-n yang didoping tinggi (n
++
-poly-Si) diadopsi sebagai lapisan konduktif untuk mengurangi resistensi, membawa peningkatan yang baik dari JSC dan faktor pengisian (FF). Sementara itu, difusi P dari lapisan tipe-n ke dalam Si-QDML menyebabkan penurunan kualitas film. Dengan demikian, lapisan pemblokiran P tanpa jatuh ke sifat listrik dan optik diperlukan.
Titanium oksida yang didoping niobium (TiOx :Nb) adalah salah satu bahan yang menjanjikan untuk lapisan penghambat P. TiOx :Nb adalah salah satu kontak selektif elektron untuk silikon kristal dan dapat menjaga resistivitas rendah bahkan setelah anil pada suhu tinggi [22]. Kami telah menyelidiki Si-QD untuk aplikasi sel surya [11, 16, 23,24,25,26,27], dan V yang tinggi OC 529 mV akhirnya diperoleh dengan menggunakan TiO setebal 2 nmx :Nb [28]. Meskipun, penekanan difusi P sangat penting untuk mewujudkan kinerja sel surya Si-QD yang lebih tinggi, efek difusi P pada sel surya Si-QD tidak sepenuhnya dipahami.
Dalam makalah ini, pengaruh TiOx :Ketebalan Nb, pengaruhnya terhadap difusi P, dan sifat sel surya menggunakan Si-QDML dengan matriks silikon oksida diselidiki. Selain itu, lapisan oksida termal terbentuk pada n
++
-poly-Si selama proses fabrikasi, mempengaruhi P-difusi dan sifat sel surya. Efek dari lapisan oksida termal juga dibahas di sini.
Metode Eksperimental
Untuk menganalisis profil kedalaman-P, Si-QDML/TiOx :Nb/n
++
-struktur poli-Si dibuat pada substrat kuarsa. Sebelum mendepositkan silikon amorf terhidrogenasi yang didoping-P berat (n
++
-a-Si:H), substrat kuarsa dibersihkan dalam rendaman ultrasonik yang mengandung pelarut organik. n
++
Film tipis -a-Si:H dibuat dengan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD) dengan frekuensi 27,12 MHz (ULVAC Inc., CME-200 J). Ketebalan lapisan n
++
-a-Si:H sekitar 500 nm. Suhu pengendapan, tekanan ruang, dan daya frekuensi radio (RF) adalah 195 °C, 25 Pa, dan 32,5 mW/cm
2
, masing-masing. Film-film itu dianil pada 900 °C selama 30 min di bawah pembentukan atmosfer gas untuk membentuk n
++
-poly-Si oleh tungku lampu (ADVANCE RIKO Inc., MILA-5050). Selama proses annealing, lapisan oksida termal secara spontan terbentuk pada n
++
-poli-Si. Salah satu sampel dicelupkan ke dalam larutan HF 5% selama 1 menit untuk menghilangkan lapisan oksida termal ultra-tipis. TiO setebal 2 atau 10 nmx :Nb segera diendapkan oleh sputtering magnetron RF setelah perawatan HF. Temperatur pengendapan, laju dan tekanan aliran gas argon, dan daya RF adalah temperatur ruang, 50 sccm, 0,2 Pa, dan 137 mW/cm
2
, masing-masing. Selanjutnya, a-SiOx :H dan a-SiOy :H secara bergantian diendapkan oleh PECVD untuk lapisan kaya Si dan lapisan penghalang, masing-masing. SiH4 /CO2 rasio lapisan kaya-Si dan lapisan kaya-O berturut-turut adalah 1,0 dan 0,16; oleh karena itu, y lebih besar dari x . Siklus penumpukan adalah 30 periode. Suhu pengendapan, tekanan ruang, dan daya RF sama dengan n
++
-a-Si:kondisi pengendapan H. Sampel dianil pada 900 °C selama 30 menit di bawah pembentukan atmosfer gas untuk membentuk Si-QD di lapisan kaya Si.
Kami juga membuat sel surya p-i-n pada substrat kuarsa. Gambar 1 menunjukkan diagram skema struktur sel surya. Proses fabrikasi dari pembersihan substrat hingga a-SiOx :H/a-SiOy :H bilayers annealing sama dengan sampel untuk analisis P-kedalaman. Ketebalan TiOx :Nb, a-SiOx :H, dan a-SiOy :H disimpan pada 10, 5, dan 2 nm, masing-masing. Atom hidrogen disuntikkan ke dalam sampel untuk mengurangi ikatan yang menggantung pada Si-QDML dengan perlakuan plasma hidrogen dengan frekuensi 60 MHz (KATAGIRI ENGINEERING CO.). Suhu, tekanan, dan waktu proses masing-masing adalah 225 °C, 600 Pa, dan 60 min. Silikon amorf terhidrogenasi non-doping setebal 10 nm (i-a-Si:H) dan silikon amorf terhidrogenasi boron-doping setebal 30-nm (p-a-Si:H) diendapkan oleh PECVD. Lapisan indium tin oxide (ITO) diendapkan dengan RF sputtering, dan akhirnya elektroda Ag diuapkan.
Skema diagram penampang struktur sel surya Si-QD, tidak dalam skala. Sebagian sampel telah dihilangkan lapisan oksida termalnya
Si-QDML/TiOx :Nb/n
++
-poly-Si diamati secara langsung dengan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) menggunakan JEOL JEM-ARM200F. Tegangan percepatan diatur pada 200 kV. Profil kedalaman P dianalisis dengan spektroskopi massa ion sekunder time-of-flight (TOF-SIMS) dan spektroskopi massa ion sekunder (SIMS). Sputtering dilakukan oleh Bi
3+
pada 30 kV di TOF-SIMS dan dilakukan oleh Cs
+
pada 5 kV di SIMS. J -V pengukuran dilakukan di bawah iluminasi simulator surya pada AM1.5G, 100 mW/cm
2
, dan suhu ruangan. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) juga dilakukan di bawah penyinaran foton konstan pada suhu kamar. Dari EQE dan reflektansi sel surya, efisiensi kuantum internal (IQE) dihitung menggunakan persamaan berikut.
Ketebalan lapisan dicirikan oleh elipsometer spektroskopi (J. A. Woollam Co., M-2000DI-Nug).
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 a menunjukkan citra HRTEM Si-QDML/TiOx :Nb/n
++
-struktur poli-Si. Perhatikan bahwa untuk sampel ini perlakuan HF tidak dilakukan sebelum TiOx :deposisi Nb. Lapisan yang lebih terang terlihat di antara TiOx :Nb dan n
++
-poly-Si, menunjukkan lapisan oksida termal terbentuk selama n
++
-a-Si:proses H. Gambar 2 b menunjukkan gambar HRTEM penampang yang diperbesar dari Si-QDML. Inset pada Gambar. 2b menunjukkan pola difraksi elektron Si-QDML. Dipastikan bahwa struktur multilayer berhasil dibuat. Pinggiran, berasal dari fase kristal Si-QD, hanya terbentuk di lapisan kaya Si. Dari pola difraksi, konstanta kisi dihitung pada 5,40 Å, yang sesuai dengan konstanta kisi Si kristal 5,43 Å. Ukuran Si-QD hampir sama dengan ketebalan lapisan kaya Si (~ 5 nm), menunjukkan bahwa pengontrolan ukuran berhasil dicapai.
Gambar HRTEM penampang dari a Si-QDML/TiOx :Nb/oksida termal/n
++
-struktur poli-Si dan b Si-QDML. Sisipan pada (b) adalah pola difraksi elektron
Gambar 3 menunjukkan profil kedalaman P dari Si-QDML/TiOx :Nb/oksida termal/n
++
-struktur poli-Si menggunakan (a) setebal 2 nm dan (b) TiO setebal 10 nmx :Nb. Si-QDML adalah 20 siklus lapisan kaya Si setebal 10 nm dan lapisan penghalang setebal 1 nm. Intensitas periodik seperti gelombang di wilayah Si-QDML disebabkan oleh efek matriks dan mewakili struktur multilayer. Sejak sensitivitas deteksi berubah karena tingkat ionisasi yang berbeda tergantung pada matriks terkubur, undulasi intensitas diamati untuk struktur multilayer [29]. Intensitas ion P antara Si-QDML dan n
++
-poly-Si tidak berkurang pada TiO setebal 2 nmx :Nb sampel, menunjukkan difusi P terjadi. Sebaliknya, untuk sampel yang menggunakan TiO setebal 10 nmx :Nb, intensitas ion P di Si-QDML ditekan dengan urutan besarnya dibandingkan dengan di n
++
-poli-Si. Hasilnya menunjukkan bahwa TiO yang lebih tebalx :Nb efektif untuk menghalangi interdifusi P. Gambar 4 menunjukkan profil kedalaman intensitas P dan konsentrasi P pada (a) Si-QDML/n
++
-poly-Si dan Si-QDML/TiOx :Nb/n
++
-struktur poli-Si menggunakan (b) setebal 2 nm dan (c) TiO setebal 10 nmx :Nb. Dalam gambar ini, Si-QDML adalah 30 siklus lapisan kaya-Si setebal 5 nm dan lapisan penghalang setebal 2 nm. Kami menekankan bahwa pengobatan HF dilakukan pada sampel ini sebelum TiOx :deposisi Nb, oleh karena itu oksida termal dihilangkan. Dalam (Gbr. 4a), tidak ada pengurangan intensitas P di wilayah Si-QDML yang diamati. Intensitas P di Si-QDML lebih tinggi daripada di n
++
-poli Si dalam (Gbr. 4a). Kecenderungan serupa diamati pada (Gbr. 3a). Ada kemungkinan bahwa cacat pada Si-QDML bekerja sebagai situs pengambil untuk P [30]. Sebaliknya, intensitas P dalam Si-QDML dengan TiO2 setebal 2 dan 10 nmx :Lapisan Nb 2 kali lipat lebih kecil dari pada n
++
-poly-Si, seperti yang Anda lihat pada Gambar 4 b dan c. TiO setebal 10 nmx :Nb tanpa lapisan oksida termal tidak sepenuhnya menghalangi interdifusi P. Dalam (Gbr. 4c), konsentrasi atom P terdifusi kurang dari 3 × 10
20
cm
−3
dan panjang difusi sekitar 100 nm. Namun, tanpa TiOx :Nb dan interlayer oksida termal (Gbr. 4a), konsentrasi atom P terdifusi sekitar 5 × 10
21
cm
−3
dan panjang difusi lebih dari 150 nm, menunjukkan bahwa TiO2 setebal 10 nmx :Nb mempengaruhi efek pemblokiran P, meskipun itu tidak cukup. Profil intensitas P dari TiO setebal 10 nmx :Nb sampel hampir sama dengan sampel dengan TiO2 setebal 2 nmx :Nb, menunjukkan bahwa lapisan oksida termal pada n
++
-poly-Si juga berkontribusi pada pemblokiran P [31]. Karena pemblokiran P dapat diwujudkan dengan memasukkan TiOx :Nb lapisan antara Si-QDML dan n
++
-poly-Si, kami mencoba menerapkan TiO setebal 10 nmx :Nb ke struktur sel surya kita.
Profil kedalaman atom fosfor dalam Si-QDML/TiOx :Nb/oksida termal/n
++
-struktur poli-Si menggunakan a TiO setebal 2 nmx :Nb dan b TiO setebal 10 nmx :Nb
Profil kedalaman atom fosfor dalam a Si-QDML/n
++
-poly-Si dan Si-QDML/TiOx :Nb/n
++
-struktur poli-Si menggunakan b TiO setebal 2 nmx :Nb dan c TiO setebal 10 nmx :Nb
Gambar 5 menunjukkan J -V karakteristik sel surya Si-QDML (a) dengan dan (b) tanpa interlayer oksida termal. JSC , VOC , FF, dan efisiensi konversi diringkas dalam Tabel 1. Kami tidak menggunakan proses interdifusi di sel surya kami. Oleh karena itu efek cacat yang dibentuk oleh interdifusi dopan, yang merupakan salah satu masalah untuk struktur sel surya Si-QD sebelumnya, dapat diabaikan. Dalam (Gbr. 5a), kurva berbentuk S diamati dalam kondisi bias maju dalam sampel dengan oksida termal. Sebaliknya, J -V kurva sel surya tanpa oksida termal menunjukkan sifat penyearah (lihat Gambar 5b). Mempertimbangkan hasilnya, kami menyarankan bahwa pembawa yang dihasilkan foto diblokir oleh lapisan oksida termal, sedangkan pembawa yang dihasilkan foto dikumpulkan secara efisien dengan menghilangkan lapisan oksida termal, yang menghasilkan kurva dioda berbentuk S. JSC meningkat drastis dari 0,137 menjadi 1,89 mA/cm
2
. Selanjutnya, resistansi seri di bawah iluminasi berkurang secara signifikan dari 11 kΩ∙cm
2
hingga 59 Ω∙cm
2
setelah pengobatan HF. Di sisi lain, penurunan VOC diamati untuk sel surya dengan perawatan HF mungkin karena peningkatan difusi P seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 dan 4. Dalam kasus sel surya film tipis a-Si, sambungan pn tidak memiliki efek fotovoltaik yang cukup karena lapisan a-Si yang didoping memiliki densitas cacat yang tinggi dan pembawa yang dihasilkan foto digabungkan kembali pada antarmuka pn dengan segera. Oleh karena itu, untuk menghindari kebocoran arus karena rekombinasi pada antarmuka pn, lapisan a-Si yang tidak didoping telah dimasukkan. Sel surya Si-QDML kami juga memiliki struktur p-i-n. Secara tidak sengaja, dalam kasus tanpa lapisan oksida termal, Si-QDML yang tidak didoping diubah menjadi Si-QDML yang didoping-P. Si-QDML yang didoping-P harus memiliki kerapatan cacat yang lebih besar dibandingkan dengan Si-QDML yang tidak didoping karena Si-QDML mencakup fase amorf. Arus bocor pada antarmuka Si-QDML p-a-Si:H/P-doped karena rekombinasi pembawa terdegradasi VOC . TiO setebal 10 nmx :Nb dengan lapisan oksida termal berhasil menekan difusi P, menyebabkan V . yang tinggi OC sebesar 502 mV. Di sisi lain, hanya TiO setebal 10 nmx :Nb tidak sepenuhnya memblokir difusi P, seperti yang Anda lihat di (Gbr. 4c). Oleh karena itu, VOC degradasi terjadi. Untuk perbaikan lebih lanjut dari sifat sel surya, kami menyarankan untuk menyimpan TiO yang lebih tebalx :Nb diperlukan untuk mencegah atom P dari difusi ke dalam Si-QDML. Seperti disebutkan di atas, total ketebalan TiOx :Nb dan lapisan oksida termal mempengaruhi difusi P. Dari hasil ini, TiO lebih tebalx :Nb dari 10 nm dapat meningkatkan properti sel surya. Gambar 6 menunjukkan IQE sel surya Si-QD tanpa lapisan oksida termal. Spektrum reflektansi sel surya juga ditunjukkan. Perubahan intensitas periodik yang terlihat pada IQE diduga merupakan pengaruh interferensi oleh struktur sel surya akibat penggunaan substrat datar. Kami menganggap bahwa interferensi terjadi di wilayah sel surya film tipis, terutama pantulan dari n
++
-poli-Si/substrat kuarsa. Indeks bias pada Si, sekitar 3,4, sangat berbeda dari pada kuarsa, 1,5 [32, 33]. Gelombang refleksi berinteraksi dengan cahaya yang datang, oleh karena itu pemantulan periodik gelombang diamati. Tren serupa dari spektrum reflektansi dengan beberapa film tipis silikon setebal beberapa ratus nanometer telah dilaporkan [34, 35]. Kami menyarankan bahwa substrat bertekstur akan menghilangkan interaksi seperti itu. Penelitian sebelumnya kami menunjukkan spektrum IQE tanpa gangguan menggunakan substrat permukaan kasar [28]. Tepi spektrum IQE terletak sekitar 1000 nm (sama dengan 1,24 eV), sesuai dengan puncak PL (lihat laporan kami sebelumnya di ref. [21]). Tepi IQE tidak cocok dengan tepi penyerapan silikon massal dan silikon amorf umum, menunjukkan bahwa generasi pembawa terjadi pada kristal nano silikon dengan efek kurungan kuantum.
J -V karakteristik struktur sel surya a dengan oksida termal dan b tanpa oksida termal. TiO setebal 10 nmx :Nb disimpan di sel surya ini
Efisiensi kuantum internal dan reflektansi versus panjang gelombang untuk sel surya buatan tanpa lapisan oksida termal. IQE dan reflektansi masing-masing digambar dengan warna merah dan biru. TiOx :Ketebalan lapisan Nb adalah 10 nm
Kesimpulan
Kami mengadopsi TiOx :Lapisan Nb sebagai lapisan penghambat P pada sel surya Si-QD. Ketergantungan TiOx :Ketebalan Nb dan keberadaan lapisan oksida termal pada lapisan tipe-n diselidiki dan sifat sel surya dikarakterisasi. Difusi atom P ke dalam Si-QDML ditekan oleh TiO setebal 10 nmx :Nb dan interlayer oksida termal ultra tipis. Konsentrasi atom P terdifusi dalam TiO setebal 10 nmx :Nb tanpa lapisan oksida termal adalah sekitar 3 × 10
20
cm
−3
, yang lebih dari satu magnitudo kurang dari itu tanpa TiOx :Nb dan lapisan oksida termal. Selain itu, panjang difusi menurun dari 150 menjadi 100 nm. Penurunan ini menunjukkan bahwa TiO setebal 10 nmx :Nb mempengaruhi efek pemblokiran P, meskipun difusi P tidak sepenuhnya diblokir. Sifat sel surya dengan TiO setebal 10 nmx :Nb diukur. J -V kurva sel surya dengan oksida termal adalah bentuk-S, sedangkan tanpa oksida termal ditingkatkan, terutama JSC (dari 0,137 hingga 1,89 mA/cm
2
). Hasilnya menunjukkan bahwa lapisan oksida termal mencegah elektron berpindah ke n
++
-poly-Si, dan koleksi pembawa ditingkatkan dengan menghilangkan lapisan oksida termal pemblokiran pembawa. Selanjutnya, IQE diukur dan tepi spektrum sekitar 1000 nm, menunjukkan bahwa J yang diperoleh SC diturunkan dari Si-QD.
Ketersediaan Data dan Materi
Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
