Sel Silikon Efisiensi Ultra-Tinggi dengan Pasivasi Piramida Terbalik: Perkembangan Fotovoltaik

Abstrak

Pengolahan permukaan merupakan salah satu teknik terpenting untuk meningkatkan kinerja perangkat fotovoltaik (PV). Sebagai tekstur depan yang menarik, piramida terbalik (IP) telah menarik minat penelitian besar karena efek anti-refleksi yang superior dan karakteristik strukturalnya. Dalam paper ini, kami menyiapkan struktur piramida terbalik silikon (Si) yang seragam pada wafer silikon kristal tunggal komersial dengan ukuran standar 156 × 156 mm² menggunakan teknik etching kimia bantu logam (MACE) dan etching aneotrop alkali. Dengan menggabungkan tekstur IP depan dengan pasivasi permukaan belakang Al₂O₃/SiNₓ, kami memproduksi sel silikon piramida terbalik baru (PERC) dengan emitor dan pasivasi belakang. Berkat keunggulan optik dari IP yang dioptimalkan dan peningkatan kinerja listrik perangkat, kami mencapai efisiensi tinggi 21,4% dari sel PERC berbasis piramida terbalik silikon, yang dapat dibandingkan dengan efisiensi rata-rata sel surya PERC komersial. Optimasi morfologi tekstur IP adalah kunci peningkatan arus pendek dari 9,51 A menjadi 9,63 A; sementara, pasivasi tumpukan SiO₂/SiNₓ bersamaan untuk emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon dan pasivasi tumpukan Al₂O₃/SiNₓ untuk permukaan belakang menjamin tegangan sirkit terbuka tinggi 0,677 V. Pencapaian perangkat PV berkininerja tinggi ini menunjukkan teknik tekstur yang bersaing dan prospek yang menjanjikan untuk produksi massal sel PERC berbasis piramida terbalik silikon.

Pendahuluan

Peningkatan efisiensi adalah tema abadi industri sel surya, yang terutama berfokus pada dua aspek: kinerja optik dan kinerja listrik. Teknik tekstur permukaan depan sangat penting untuk meningkatkan kinerja optik perangkat. Piramida terbalik (IP) sebagai struktur penangkap cahaya yang menarik telah mendapatkan perhatian besar karena efek anti-refleksi yang superior dan karakteristik strukturalnya [1,2,3,4,5,6,7]. Secara spesifik, cahaya panjang gelombang pendek yang masuk ke dalam silikon (Si) piramida terbalik mengalami tiga atau lebih pantulan sebelum dipantulkan jauh, memiliki satu atau lebih pantulan daripada dalam piramida tegak lurus tradisional [7,8,9]. Sementara itu, silikon dengan struktur piramida terbalik ini akan menghindari kerugian rekombinasi parah yang dihadapi oleh silikon hitam berstruktur nano [10,11,12,13,14,15,16] karena karakteristik struktur yang besar dan terbuka.

Dengan menggunakan tekstur piramida terbalik litografi pada permukaan depan dan pasivasi SiO₂ pada permukaan belakang, kelompok Green [17] berhasil memproduksi sel surya PERL (sel surya difusi lokal emitor dan pasivasi belakang) dengan efisiensi 25,0% dan luas 4 cm². Namun, teknik litografi tidak cocok untuk produksi massal karena biayanya yang mahal, kapasitas produksi rendah, dan ketidakcocokan. Akhirnya, banyak minat penelitian beralih ke piramida terbalik luas besar MACE karena teknik MACE sederhana, berbiaya rendah, luas besar, dan kompatibel dengan lini produksi saat ini [14, 18,19,20,21]. Misalnya, Jiang et al. [7] telah melaporkan struktur nano piramida terbalik yang dipersiapkan oleh proses MACE diikuti dengan perlakuan solusi pembangunan ulang struktur nano dan efisiensi konversi sel surya silikon kristal banyak (mc-Si) berbasis piramida terbalik dengan ukuran besar 156 × 156 mm² mencapai hingga 18,62%. Dengan menggunakan partikel logam untuk mengkatalis etching kimia Si, Yang et al. [8] telah mencapai sel surya silikon berstruktur piramida terbalik dengan efisiensi 18,87% dan luas besar. Zhang et al. [9] telah memproduksi sel surya sc-Si dengan mikrostruktur piramida terbalik melalui tekstur alkali yang dimodulasi dengan metode MACE yang dioptimalkan dan telah mencapai perangkat bertekstur piramida terbalik berukuran 1 μm dengan efisiensi 20,19% dan luas besar. Sejauh ini, kinerja sel surya silikon piramida terbalik dengan luas besar belum memuaskan karena keseragaman morfologi piramida terbalik pada luas besar, kontrol ukuran fitur piramida terbalik, dan pasivasi perangkat. Akibatnya, tekstur piramida terbalik silikon depan yang dioptimalkan bersama dengan pasivasi belakang diharapkan dapat meningkatkan kinerja sel lebih lanjut.

Dalam paper ini, kami berhasil memproduksi sel PERC (sel emitor dan pasivasi belakang) berbasis piramida terbalik silikon dengan efisiensi 21,4% dan ukuran wafer surya standar 156 × 156 mm² dengan menggabungkan tekstur IP MACE depan yang dioptimalkan dengan pasivasi tumpukan SiO₂/SiNₓ bersamaan untuk emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon dan pasivasi tumpukan Al₂O₃/SiNₓ untuk permukaan belakang. Kunci kinerja tinggi terletak pada keunggulan optik tekstur piramida terbalik dan pengurangan kerugian listrik oleh pasivasi bersamaan emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon dan permukaan belakang. Struktur dan teknik perangkat PERC berbasis piramida terbalik silikon baru ini menunjukkan potensi besar untuk produksi massal sel surya berbasis silikon berkininerja tinggi.

Metode

Struktur perangkat PERC berbasis piramida terbalik silikon dirancang sebagai berikut: (i) Emitor n⁺ PERC berbasis piramida terbalik silikon dipasivasi dengan lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ (PECVD) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Struktur piramida terbalik silikon memiliki efek anti-refleksi panjang gelombang pendek yang baik karena lebih banyak kesempatan tiga atau lebih pantulan; sementara, lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ menyediakan refleksi yang lebih rendah dan efek pasivasi yang baik untuk emitor n⁺ piramida terbalik silikon. (ii) Reflektor belakang terdiri dari lapis tumpukan Al₂O₃ (ALD)/SiNₓ (PECVD) dan Al layar cetak seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Lapis dielektrik tumpukan dirancang untuk mengoptimalkan properti optik panjang gelombang panjang dengan meningkatkan refleksi belakang dalam sambil mempertahankan efek pasivasi listrik yang baik, yang dikaitkan dengan pasivasi medan dari muatan negatif tetap dalam lapis Al₂O₃ dan pasivasi kimia dari atom hidrogen dalam film SiNₓ. Dengan kata lain, baik properti optik maupun listrik dalam desain ini dipertimbangkan secara bersamaan untuk memastikan kinerja tinggi PERC berbasis piramida terbalik silikon.

Sel Silikon Efisiensi Ultra-Tinggi dengan Pasivasi Piramida Terbalik: Perkembangan Fotovoltaik

Substrat wafer kristal silikon (c-Si) boron-dop (1–3 Ω·cm) tipe p tebal 180 μm, berukuran 156 mm × 156 mm, orientasi (100) digunakan. Setelah proses pembersihan standar, tekstur piramida terbalik disiapkan pada permukaan wafer silikon sebagai berikut: (1) Wafer silikon yang dibersihkan direndam dalam larutan campuran AgNO₃(0,0001 M)/HF (4 M)/H₂O₂ (1 M) selama 300 s, menghasilkan silikon pori. (2) Wafer silikon dengan silikon pori di-etch dalam larutan NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:6 (volume) selama 200 s untuk menghapus partikel logam Ag yang tersisa. (3) Wafer dengan silikon pori dimodifikasi dalam larutan HNO₃:H₂O:HF = 4:2:1 (volume) untuk menyiapkan lubang nano. (4) Tekstur piramida terbalik diproduksi pada permukaan wafer silikon dengan etching aneotrop dari larutan NaOH 60 °C selama 30, 60, dan 90 s, masing-masing.

POCl₃ difusi selama 40 menit pada 800 °C dalam tungku tabung kuarsa dan kemudian emitor n⁺ terbentuk pada depan wafer (M5111-4WL/UM, CETC 48th Research Institute). Resistansi titik sel emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon adalah 105-110 Ω·sq⁻¹. Emitor selektif diproduksi pada permukaan depan wafer dengan doping laser (DR-SE-DY70, DR Laser). Setelah permukaan belakang dipoles, film pasivasi SiO₂ disiapkan oleh oksidasi termal pada depan wafer silikon. Lapis pasivasi Al₂O₃ ditambal pada permukaan belakang wafer oleh ALD (PEALD-156, HUGUANG Scientific Instruments of Beijing) selama ≈ 30 menit pada 150 °C. Lapis PECVD-SiNₓ terbentuk dari reaksi NH₄/SiH₄ (SC-TD-450C). Selanjutnya, lapis pasivasi tumpukan belakang wafer berbasis piramida terbalik silikon diablasi secara lokal oleh laser dengan panjang gelombang 532-nm dan panjang pulsa 10-ps (DR-AL-Y60, DR Laser), untuk membentuk pembukaan garis lokal dengan lebar 50 μm dan jarak 1 mm. Akhirnya, PERC berbasis piramida terbalik silikon melalui proses screen-printing komersial (PV1200, DEK) dan co-firing (CF-Series, Despatch), untuk membentuk kontak Ohm yang baik dan BSF lokal.

Morfologi dan struktur sampel dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindaian JEOL JSM-6390LA. Umur minority carrier diukur dengan Sinton WCT-120. Spektrum serapan ditentukan oleh FTIR (Tensor 27, BRUKER). Kurva C-V diukur dengan analis impedansi (E4900A, KEYSIGHT). Foto fotoluminescensi dan elektroluminescensi diambil oleh sistem analisis citra PL/EL (LIS-R2, BTimaging). Spektrum refleksi, serta IQE dan EQE, diukur pada platform pengukuran efisiensi kuantum (QEX10, PV Measurements). Parameter listrik sel surya diteliti dengan pengukuran arus-tegangan (I–V) di bawah iluminasi AM1.5 (Crown Tech IVTest Station 2000). Efisiensi sel diukur dengan menggunakan Penguji Sel Tunggal BERGER Lichttechnik.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a–e menunjukkan citra SEM tampak atas dari berbagai langkah proses untuk tekstur permukaan silikon. Gambar 2a menunjukkan silikon pori 50–80 nm pada permukaan wafer silikon yang di-etch oleh metode MACE dalam larutan campuran AgNO₃/HF/H₂O₂. Selanjutnya, silikon pori dimodifikasi oleh etching isotroplik dalam larutan air campuran HF/HNO₃ dan berubah menjadi struktur lubang nano dengan diameter 800 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Akhirnya, piramida terbalik mikron (IP) dengan berbagai ukuran (Gambar 2c–e) diperoleh oleh natrium hidroksida dalam larutan air pada 60 °C selama 30, 60, dan 90 s, masing-masing. Dari Gambar 2c–e, kami dapat melihat bahwa setelah perlakuan alkali, ukuran struktur IP untuk waktu etching 30, 60, dan 90 s adalah ~ 1, 1,3, dan 1,8 μm, masing-masing, yang berarti ukuran IP meningkat seiring peningkatan waktu perlakuan alkali. Juga, kami memperhatikan bahwa IP cenderung runtuh dan bertransisi menjadi piramida tegak lurus seiring peningkatan waktu etching. Seperti yang diketahui, piramida terbalik memiliki keuntungan penangkap cahaya dibandingkan yang tegak lurus karena cahaya akan mengalami satu atau dua pantulan tambahan dalam piramida terbalik daripada dalam piramida tegak lurus. Oleh karena itu, struktur dengan waktu etching lebih pendek cocok untuk tekstur penangkap cahaya perangkat PV karena keuntungan dalam anti-refleksi panjang gelombang pendek. Gambar 2f adalah foto perbandingan untuk berbagai struktur permukaan yang sesuai dengan Gambar 2a–e.

Sekarang kita beralih ke properti optik Si IP-strus. Dari refleksi pada seluruh rentang panjang gelombang 300–1100 nm (Gambar 3a), kami mengamati bahwa silikon pori memiliki refleksi rendah karena kinerja penangkap cahaya yang baik dari struktur nano [22,23,24]. Untuk struktur lubang nano, refleksi pada seluruh rentang panjang gelombang meningkat secara nyata, yang dikaitkan dengan penurunan kepadatan dan peningkatan ukuran fitur lubang nano. Setelah perlakuan NaOH selama 30 s, berkat 3–4 pantulan antara bidang (111) dari IP, struktur IP menampilkan refleksi yang lebih rendah pada rentang panjang gelombang 300–1100 nm, terutama pada rentang panjang gelombang pendek 300–500 nm. Seiring peningkatan waktu etching alkali, IP menjadi lebih besar dan cenderung menjadi piramida tegak lurus, yang mengakibatkan peningkatan refleksi. Ketika semua sampel dilapisi dengan lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ yang sama, refleksi menurun tajam lebih dari 10%, yang dikaitkan dengan refleksi gabungan dari interferensi optik film tipis tumpukan SiO₂/SiNₓ dan struktur permukaan. Dalam hal ini, spektrum refleksi sampel dari berbagai proses terutama berbeda pada rentang panjang gelombang 300–600 nm, yang disebabkan oleh perbedaan ukuran fitur IP. Secara khusus, Si IP-strus yang dilapisi dengan lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ menampilkan kemampuan anti-refleksi panjang gelombang pendek yang lebih baik daripada yang lain, menunjukkan efisiensi kuantum eksternal (EQE) yang baik pada rentang panjang gelombang pendek.

Selanjutnya, kami menghitung refleksi rata-rata surya R_ave (lihat Gambar 3b) pada rentang panjang gelombang 300–1100 nm dan membandingkan refleksi Si IP-strus dengan struktur lain yang sesuai dengan berbagai proses menengah yang ditunjukkan pada Gambar 2a–c. R_ave dapat dihitung dengan ekspresi

$$ R\mathrm{ave}=\frac{\int_{300\ \mathrm{nm}}^{1100\ \mathrm{nm}}\mathrm{R}\left(\uplambda \right)\ast \mathrm{S}\left(\uplambda \right)\ast \mathrm{d}\uplambda}{\int_{300\ \mathrm{nm}}^{1100\ \mathrm{nm}}\mathrm{S}\left(\uplambda \right)\ast \mathrm{d}\uplambda} $$ (1)

di mana R(λ) dan S(λ) masing-masing menunjukkan refleksi yang diukur dan distribusi spektral foton surya AM1.5. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, R_ave silikon pori, lubang nano, IP, dan IP dengan lapis SiO₂/SiNₓ adalah 8,22, 17,96, 15,18 (kelompok 1—30 s)/17,35% (kelompok 2—60 s)/20,3% (kelompok 3—90 s), dan 3,91% (kelompok 1—30 s)/4,48% (kelompok 2—60 s)/5,60% (kelompok 3—90 s), masing-masing. R_ave menunjukkan bahwa IP-strus memiliki kemampuan anti-refleksi yang lebih baik daripada lubang nano dan menunjukkan tren menurun seiring peningkatan ukuran fitur. Ketika IP-Strus dilapisi dengan lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ, R_ave terendah adalah 3,91%, yang mengungkap struktur penangkap cahaya yang ideal untuk perangkat PV.

Pasivasi tumpukan SiO₂ (~ 2 nm)/SiNₓ (~ 75 nm) untuk emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon adalah cara yang efektif untuk mencapai kinerja listrik yang baik dari PERC berbasis piramida terbalik dan efek pasivasinya [1] dan mekanismenya telah dipelajari secara sistematis dalam karya kami sebelumnya [14]. Untuk menunjukkan keunggulan listrik lapis tumpukan pasivasi Al₂O₃/SiNₓ pada belakang perangkat kami, kami menyelidiki pengaruh berbagai kondisi pengapalan dan perebusan cahaya terhadap umur efektif minority carrier (τ_eff) terhadap tingkat injeksi (Δn), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Perhatikan bahwa wafer silikon yang dipoles memiliki umur minority carrier bulk ~ 350 μs, dan lapis tumpukan Al₂O₃/SiNₓ ditambal secara simetris di kedua sisi wafer silikon yang dipoles. Ketebalan Al₂O₃ dalam dan lapis SiNₓ luar diperkirakan masing-masing ~ 3 dan ~ 125 nm. Dua kondisi pengapalan dilakukan di atmosfer udara: 300 °C dan 800 °C selama 15 menit. Kemudian wafer diiluminasi pada 25 °C di bawah lampu halogen rentang panjang gelombang penuh dengan intensitas daya 50 mW cm⁻² selama 100 s. Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 4a, τ_eff 48 μs (300 °C) dan 126 μs (800 °C) setelah pengapalan jauh lebih tinggi daripada τ_eff 22 μs dari sampel yang dipasivasi Al₂O₃/SiNₓ segera setelah ditambal pada tingkat injeksi 1,2 × 10¹⁵ cm⁻³.

Penting, umur minority carrier efektif sampel yang dipanaskan setelah 100 s iluminasi adalah 230 μs dan 150 μs, masing-masing, jauh lebih tinggi daripada 126 μs dan 48 μs sebelum iluminasi, yang menunjukkan pasivasi permukaan silikon kristal yang ditingkatkan oleh cahaya dari lapis Al₂O₃/SiNₓ yang sangat jelas. Efek penangkap muatan selama perebusan cahaya [25,26,27,28] bisa menjadi salah satu mekanisme utama untuk pasivasi permukaan silikon kristal yang ditingkatkan oleh cahaya dari film Al₂O₃/SiNₓ. Karena film Al₂O₃ dilaporkan memiliki densitas muatan negatif tetap [29,30,31,32], sebagian besar elektron berlebih yang dihasilkan oleh cahaya kemungkinan diekstrak atau terosil ke dalam keadaan jebakan dalam lapis Al₂O₃ dalam, yang menghasilkan tingkat pasivasi medan yang meningkat. Menariknya, efek pasivasi yang ditingkatkan oleh cahaya pada pengapalan 300 °C lebih baik daripada pada 800 °C, yang berarti perebusan cahaya pada suhu pengapalan yang lebih rendah adalah cara yang lebih efektif untuk aplikasi perangkat PV.

Untuk mempelajari efek proses pengapalan pada modifikasi permukaan, kami membandingkan spektrum serapan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dari sampel yang dipanaskan dengan sampel segera setelah ditambal. Gambar 4b menunjukkan bahwa ikatan Si–N, Si–O, Si–H, dan N–H terkait dengan puncak serapan gerangan pada nomor gelombang masing-masing ~ 840, 1070, 2200, dan 3340 cm⁻¹. Kami melihat bahwa kepadatan baik ikatan Si–N maupun Si–O menunjukkan peningkatan nyata setelah pengapalan; sementara, kepadatan ikatan Si–H meningkat sedikit. Peningkatan kepadatan ikatan Si–O dan Si–H mengimplikasikan penurunan ikatan menggantung di antarmuka Si/SiO₂, yang menghasilkan efek pasivasi yang lebih baik [33]. Juga, proses pengapalan mempromosikan kepadatan ikatan Si–N, yang menunjukkan struktur yang lebih padat yang dapat secara efektif mencegah difusi keluar H dari masuk ke lingkungan alih-alih ke dalam bulk Si. Namun, untuk suhu pengapalan yang terlalu tinggi, H dalam grup Si–H dan N–H dapat melarikan diri dari bulk Si dan lapis dielektrik ke lingkungan, yang menyebabkan penurunan efek pasivasi. Hasil FTIR konsisten dengan hasil umur minority carrier efektif.

Untuk lebih memahami perbedaan mekanisme pasivasi antara pengapalan termal dan perlakuan perebusan cahaya, kami menganalisis kepadatan muatan tetap (N_f) dan kepadatan jebakan antarmuka (N_it) di antarmuka Si dan lapis tumpukan Al₂O₃ (ALD)/SiNₓ (PECVD) dengan menggunakan pengukuran kapasitansi–tegangan (C-V) dari model metal–oksida–semikonduktor (MOS) yang ketat.

N_f dapat diperoleh dari persamaan berikut:

$$ {\mathrm{N}}_{\mathrm{f}}=\frac{{\mathrm{Q}}_{\mathrm{f}}}{\mathrm{S}\times \mathrm{e}}=\frac{{\mathrm{C}}_{\mathrm{OX}}\times \left({\mathrm{V}}_{\mathrm{MS}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{FB}}\right)}{\mathrm{S}\times \mathrm{e}} $$ (2)

di mana ekspresi berikut dapat menghitung V_FB

$$ {V}_{\mathrm{FB}}={V}_{\mathrm{MS}}-\frac{Q_f}{C_{\mathrm{OX}}} $$ (3)

Perhatikan bahwa S adalah luas elektroda logam, e adalah muatan elektron, C_OX adalah kapasitansi lapis film dielektrik, V_MS adalah selisih fungsi kerja antara elektroda logam dan Si tipe p, dan V_FB adalah tegangan datar pita.

Dengan menggunakan metode Lehovec [34], kita dapat memperoleh N_it dari kurva C-V:

$$ {\mathrm{N}}_{\mathrm{it}}=\frac{\left({\mathrm{C}}_{\mathrm{OX}}-{\mathrm{C}}_{\mathrm{FB}}\right){\mathrm{C}}_{\mathrm{FB}}}{3{\left(\updelta \mathrm{C}/\updelta \mathrm{V}\right)}_{\mathrm{FB}}\mathrm{ekTS}}-\frac{{\mathrm{C}}_{\mathrm{OX}}^2}{\left({\mathrm{C}}_{\mathrm{OX}}-{\mathrm{C}}_{\mathrm{FB}}\right)\mathrm{S}{\mathrm{e}}^2} $$ (4)

di mana (δC/δV)_FB adalah kemiringan dekat datar pita dan diambil sebagai nilai absolut. C_FB, e, dan k adalah kapasitansi struktur MOS pada datar pita, muatan elektron, dan konstanta Boltzmann, masing-masing.

Dapat dilihat dari Gambar 4c bahwa kurva C-V yang diukur dari lapis tumpukan Al₂O₃/SiNₓ menunjukkan area akumulasi yang nyata, area pengempusan, dan area inversi. Menurut kurva C-V dan Eq. (2–4), kami memperoleh properti antarmuka dari struktur MOS yang disiapkan, seperti yang ditunjukkan dalam Tabel 1.

Kepadatan muatan negatif tetap menunjukkan peningkatan signifikan satu urutan orde setelah pengapalan termal sementara kepadatan keadaan antarmuka menurun secara signifikan, yang menunjukkan bahwa pengapalan meningkatkan pasivasi kimia dan pasivasi medan film dielektrik. Dengan perlakuan perebusan cahaya lebih lanjut, kepadatan keadaan antarmuka tetap pada level yang sama, sementara kepadatan muatan negatif tetap meningkat lebih lanjut. Seperti yang disebut di atas, sebagian besar elektron berlebih yang dihasilkan oleh cahaya kemungkinan diekstrak atau terosil ke dalam keadaan jebakan dalam lapis Al₂O₃ dalam, yang berarti perebusan cahaya dapat meningkatkan pasivasi medan film dielektrik. Meskipun nilai N_it tinggi, sampel dengan pengapalan 300 °C dan perebusan cahaya 100 s memiliki τ_eff tertinggi 230 μs karena N_f tertinggi − 2,87 × 10¹² cm⁻², yang berarti pasivasi medan memiliki keuntungan dibandingkan pasivasi kimia dalam kasus ini.

Gambar 4d menunjukkan foto fotoluminescensi dan elektroluminescensi sel surya IP 1, 1,3, dan 1,8 μm dengan proses pasivasi yang sama. Kecerahan tiga grup foto untuk baik fotoluminescensi maupun elektroluminescensi tetap pada level yang sama dasarnya, yang berarti tiga grup perangkat sel surya berkinerja sama baik dalam pasivasi cacat. Dengan kata lain, proses pasivasi menentukan kinerja listrik sel surya bukan ukuran fitur IP, yang akan dikonfirmasi oleh parameter keluaran sel surya yang diproduksi berikutnya.

Berdasarkan kinerja optik dan listrik yang luar biasa dari pasivasi tumpukan SiO₂/SiNₓ bersamaan emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon depan dan pasivasi tumpukan Al₂O₃/SiNₓ reflektor belakang, kami memproduksi PERC berbasis piramida terbalik silikon.

Gambar 5a menunjukkan efisiensi kuantum internal (IQE) dan refleksi permukaan depan dari PERC berbasis piramida terbalik silikon yang diproduksi. Kami dapat mengamati bahwa perangkat berbasis piramida terbalik etching alkali 30 s (kelompok 1—30 s) menunjukkan refleksi terendah pada panjang gelombang pendek 300–600 nm karena ukuran fitur IP yang lebih kecil. Penting, kelompok 1—30 s memiliki IQE tertinggi pada rentang panjang gelombang ini, dan sehingga menghasilkan EQE tertinggi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Juga, perangkat yang diproduksi menampilkan hampir EQE yang sama pada rentang panjang gelombang panjang karena level refleksi dan IQE yang sama pada rentang ini. Oleh karena itu, kelompok 1—30 s dengan ukuran fitur yang lebih kecil memiliki kinerja keluaran yang lebih baik daripada dua kelompok lain, yang dikonfirmasi lebih lanjut oleh kurva I-V dan P-V perangkat (lihat Gambar 5c). Gambar 5d menunjukkan η perangkat terbaik kami mencapai 21,41%, serta V_oc 0,677 V, I_sc 9,63 A, dan FF 80,30%. Menurut pengetahuan kami, ini adalah η tertinggi di antara sel surya berbasis MACE-piramida terbalik. Inset Gambar 5d adalah foto permukaan depan dan belakang perangkat terbaik.

Selanjutnya, Tabel 2 menunjukkan parameter rinci dari perangkat yang diproduksi. Jelas, rata-rata I_sc (9,63 A) perangkat kelompok 30 s lebih tinggi daripada dari dua kelompok lain, yang terletak pada kemampuan anti-refleksi terbaik permukaan depan seperti yang disebut di atas. Perbedaan I_sc terutama menentukan kinerja keluaran perangkat. Selain itu, FF yang lebih tinggi dan resistansi seri R_s yang lebih rendah menjamin η yang lebih tinggi untuk kelompok 30 s. Perlu diperhatikan bahwa semua rata-rata V_oc PERC berbasis piramida terbalik silikon berada dalam rentang 674–676 mV, yang menunjukkan pasivasi yang sama yang baik untuk permukaan depan dan belakang semua kelompok. Akhirnya, berkat peningkatan kinerja optik dan listrik, kami berhasil mencapai η tertinggi 21,4% dari sel surya PERC berbasis piramida terbalik silikon.

Kesimpulan

Simpulan, kami mengoptimalkan morfologi struktur piramida terbalik silikon MACE dan memproduksi sel surya PERC berbasis piramida terbalik silikon baru dengan ukuran standar 156 × 156 mm² dengan menggabungkan tekstur piramida terbalik yang dilapisi lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ dengan pasivasi tumpukan Al₂O₃/SiNₓ permukaan belakang. Properti optik menunjukkan bahwa refleksi rata-rata surya R_ave tekstur piramida terbalik yang dilapisi lapis tumpukan SiO₂/SiNₓ dapat mencapai hingga 3,91%, yang mengungkap piramida terbalik sebagai struktur penangkap cahaya yang ideal untuk perangkat PV. Juga, analisis listrik menunjukkan bahwa permukaan belakang yang dipoles yang dipasivasi dengan lapis tumpukan Al₂O₃/SiNₓ memiliki τ_eff sangat tinggi 230 μs karena perlakuan pengapalan termal dan perebusan cahaya, yang menunjukkan pasivasi permukaan silikon kristal yang ditingkatkan oleh cahaya dari lapis Al₂O₃/SiNₓ yang baik. Pengukuran FTIR memberikan penjelasan lebih lanjut untuk τ_eff tinggi dari permukaan belakang yang dipasivasi dengan lapis tumpukan Al₂O₃/SiNₓ. Penting, kepadatan muatan tetap N_f yang tinggi − 2,87 × 10¹² cm⁻² diperoleh melalui pengukuran C-V, yang mengungkap pasivasi medan yang kuat dari lapis Al₂O₃/SiNₓ. Akhirnya, berkat kinerja optik dan listrik yang luar biasa di emitor n⁺ berbasis piramida terbalik silikon depan dan reflektor belakang, kami mencapai η tertinggi 21,4%, serta V_oc 0,677 V, I_sc 9,63 A, dan FF 80,30%. Pencapaian sel surya PERC berbasis piramida terbalik silikon berkininerja tinggi menyediakan piramida terbalik dengan cara yang efektif untuk produksi massal sel surya berbasis silikon berkininerja tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Data yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel.

Singkatan

PV:: Fotovoltaik
IP:: Piramida Terbalik
Si:: Silikon
MACE:: Etching Kimia Bantu Logam
PERC:: Sel Emitor dan Pasivasi Belakang
PERL:: Sel Surya Difusi Lokal Emitor dan Pasivasi Belakang
c-Si:: Silikon Kristal Tunggal
mc-Si:: Silikon Kristal Banyak
PECVD:: Deposisi Uap Kimia Tingkatkan Plasma
ALD:: Deposisi Lapis Atom
Si IP-strus:: Struktur Piramida Terbalik Silikon
R_ave :: Refleksi Rata-rata
EQE:: Efisiensi Kuantum Eksternal
τ _eff :: Umur Minority Carrier Efektif
Δn :: Tingkat Injeksi
FTIR:: Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier
N _f :: Kepadatan Muatan Tetap
N _it :: Kepadatan Jebakan Antarmuka
C-V :: Kapasitansi–Tegangan
IQE:: Efisiensi Kuantum Internal
V _oc :: Tegangan Sirkit Terbuka
I _sc :: Arus Sirkit Pendek
FF:: Faktor Isi
R _s :: Resistansi Seri

Pemantauan Lanjutan In-Situ FT-IR/QMS Dekomposisi CpZr(NMe₂)₃ untuk Proses ALD Terpercaya Nano-Kli: Pertahanan Imun Nano Menjanjikan Terhadap COVID-19

bahan nano