Application de matrices de nanostructures en silicium pour une cellule solaire mono et multicristalline de 6 pouces

Introduction

Récemment, les propriétés optiques des nanostructures de silicium ont attiré une attention considérable en raison de leur excellent effet de piégeage de la lumière, qui se traduit par une faible réflexion et maintient simultanément une absorption élevée. Cet effet ne peut pas être trouvé dans le silicium planaire. Les nanostructures de silicium peuvent être appliquées sur des diodes [1, 2], des biocapteurs [3, 4], des cellules solaires [2, 5,6,7,8,9,10,11,12,13], etc. De plus, un chercheur rapproche les nanostructures de couches antireflet pour expliquer leur effet de piégeage de la lumière [12]. Par conséquent, les nanostructures de silicium peuvent remplacer les couches antireflet traditionnelles et coûteuses.

Une grande partie de la littérature scientifique a étudié les caractéristiques électrochimiques du silicium dans une solution d'ions fluor [13, 14] et a utilisé la méthode assistée par métal pour fabriquer des nanostructures en solution afin de rendre les processus simples et rapides. Par conséquent, nous adoptons une gravure chimique assistée par métal traitée en solution pour fabriquer des nanostructures de silicium [15]. Contrairement à l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) [16], à l'ablation laser [17], au dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [18] et à la gravure par ions réactifs (RIE) [19], qui dépendent d'un vide poussé et d'une énergie élevée, la gravure chimique assistée par métal peut réduire les coûts de fabrication et peut être traitée à température ambiante.

De plus, les plaquettes multicristallines sciées au fil de diamant (DWS) ont été largement utilisées dans les industries solaires pour réduire les coûts de fabrication, ce qui se traduit par une surface de plaquette brillante, ce qui rend difficile le maintien de la réflectance appropriée grâce à la texture acide traditionnelle. Certains chercheurs utilisent une texture acide avec des additifs supplémentaires [20]. En outre, la méthode de texturation RIE a été étudiée pour les cellules solaires à champ de surface arrière en aluminium (Al-BSF) pour réduire la réflectance [21].

En utilisant la méthode de gravure chimique assistée par métal pour fabriquer des nanostructures de silicium, nous pouvons contrôler la concentration en oxydant de la solution pour déterminer la direction de gravure des nanostructures de silicium et contrôler le motif déposé de métal pour atteindre le rapport d'aspect requis des nanostructures [14, 15]. Les orientations de surface et les niveaux de dopage affecteront également la formation de SiNW [22].

Par conséquent, l'utilisation d'une gravure chimique assistée par métal traitée en solution pour fabriquer des nanostructures de silicium est avantageuse en raison de son faible coût, de son processus simple et de sa structure contrôlable. C'est-à-dire qu'il est très approprié pour des applications pratiques commerciales. Cependant, dans la littérature, la gravure chimique assistée par métal traitée en solution pour former des nanostructures de silicium n'est utilisable que sur une petite surface (par exemple, ≤ 4 × 4 cm ² ) [9, 22, 23]. Par conséquent, cette recherche se concentre sur la question de l'uniformité sur les plaquettes de 6 pouces. Nous explorons une nouvelle approche et étudions les mécanismes permettant de fabriquer avec succès des nanostructures de silicium sur des plaquettes commerciales monocristallines de type P et multicristallines de type p de 6 pouces avec une très grande uniformité et une faible réflexion grâce à une méthodologie améliorée de gravure chimique assistée par métal. Nous examinons également les morphologies et les caractéristiques optiques des nanostructures pour prouver davantage leur potentiel et leur faisabilité pour de futures applications commerciales à vocation industrielle.

Enfin, des plaquettes de Si nanostructurées multicristallines de type p DWS de 6 pouces sont soumises à des cellules solaires synthétisées à champ de surface arrière en aluminium à jonction p-n (Al-BSF). De plus, nous avons comparé les performances des cellules solaires avec la plaquette de référence texturée acide.

Pour la mesure de la caractéristique densité-tension des cellules solaires, les appareils ont été éclairés sous 1 soleil AM1.5G 100 mW cm ⁻² à l'aide du simulateur solaire SUN 2000, Abet Technologies, Inc. et mesuré à l'aide du compteur source Keithley 2400. Des images de microscopie électronique à balayage (MEB) de textures de matrices SiNW ont été observées à l'aide de l'émission de champ LEO 1530-MEB. La réflectance optique des réseaux SiNW a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre JASCO V-670 UV-V avec une sphère d'intégration. La cartographie de la durée de vie des porteurs minoritaires des matrices SiNW a été mesurée par Semilab μ-PCD WT-2000.

Méthodes expérimentales

Mécanisme pour la formation de réseaux de nanofils de silicium (SiNW) par MacEtch

La méthode et le flux de processus de MacEtch sont illustrés à la figure 1a. La solution de gravure contient du nitrate d'argent (AgNO₃ ) et l'acide fluorhydrique (HF); l'Ag ⁺ prend l'électron de Si puis oxyde Si en SiO₂ car la négativité électronique de Ag ⁺ est plus grand que celui de Si. De plus, Peng et al. [24] ont comparé qualitativement les potentiels électrochimiques de cinq métaux et ont trouvé que le potentiel électrochimique de l'Ag ⁺ est plus grande que la bande de valence de Si. Ainsi, Ag ⁺ aura tendance à transférer les trous à Si et à réduire à Ag. En d'autres termes, Ag ⁺ prendra des électrons de Si et se réduira [24]. Par conséquent, l'Ag réduit est déposé sur la surface de Si, et la surface est oxydée en SiO₂ . Par la suite, le HF dilué est utilisé pour éliminer l'oxyde. En conséquence, la zone avec Ag déposé subit une gravure anisotrope, puis des matrices SiNW sont formées [22].

Illustration schématique du principe de la méthode MacEtch (a ). Flux de processus de la méthode MacEtch (b )

Fabrication de SiNW

Dans l'expérience, le 6 pouces avec la taille de 156 × 156 mm ² Des plaquettes monocristallines à texture pyramidale de type P (100) mm et des plaquettes multicristallines de type p telles que coupées ont été utilisées avec une plage de résistivité de 0,5 à 3 -cm (épaisseur 180 + 20/-10 m). Les tailles des pyramides vont de 1 à 10 m. Pour la fabrication de nanostructures de silicium sur des plaquettes de 6 pouces, le processus de solution de MacEtch a été utilisé. Le déroulement du processus a été montré sur la figure 1b. Tout d'abord, les plaquettes ont été respectivement immergées dans de l'acétone, de l'alcool isopropanol et de l'eau désionisée (DIW) et nettoyées dans un bain à ultrasons pendant 3 min, puis séchées avec un coup d'azote. Par la suite, les plaquettes ont été trempées dans une solution aqueuse d'AgNO₃ , HF et H₂ O dans un rapport de 0,6 g:36 ml:120 ml pendant 3 min et 19 s à température ambiante pour graver le réseau SiNW [13]. La concentration en solution aqueuse d'AgNO₃ et HF est de 23 mM et 6,4 M, respectivement, en fonction des conditions de gravure.

L'influence physique supplémentaire doit être prise en compte lorsque la méthode MacEtch est utilisée pour former du SiNW sur des plaquettes de silicium de 6 pouces, afin de garantir des réseaux SiNW uniformes à grande échelle. Par la suite, deux méthodes de fabrication sont comparées. Pour la méthode 1, la solution de gravure quantitative MacEtch est d'abord versée dans le grand conteneur de gravure, puis la plaquette est placée dans le grand conteneur de gravure avec la solution MacEtch, qui est également une méthode traditionnelle pour la gravure de plaquettes de petite surface (<4 × 4 cm ² ) [9, 22, 25] comme le montre la Fig. 2. Pour la méthode 2, une méthode de gravure modifiée avec un support spécialement conçu est utilisée pour les plaquettes à grande échelle afin d'obtenir des nanostructures de silicium uniformes à grande échelle et de réduire la non-uniformité de la gravure. à mesure que la taille de la plaquette augmente et que le support peut mettre 4 morceaux de plaquettes de 6 pouces, le déroulement du processus est illustré à la figure 3. Les nombres 1 et 2 notés sur la figure représentent la séquence de mise en place de la solution de gravure et de la plaquette de silicium, respectivement , dans de grands conteneurs. Ensuite, les plaquettes ont été plongées dans une solution diluée d'acide nitrique (HNO3) pendant 1 min pour éliminer le reste des dendrites d'argent. Enfin, tous les échantillons ont été trempés dans une solution HF diluée pendant 1 min pour éliminer les oxydes de surface puis séchés avec un coup d'azote.

Diagrammes schématiques des étapes MacEtch pour la méthode 1 (a –d )

Diagrammes schématiques des étapes MacEtch pour la méthode 2 (a –c ). Photos avec le support spécial (d , e )

Fabrication d'une cellule solaire Al-BSF de 6 pouces

En termes de fabrication de cellules solaires Al-BSF, nous choisissons une plaquette de silicium multicristallin (mc-Si). La résistivité de la plaquette est de 2 -cm, son épaisseur est de 180 m et sa surface est de 156 × 156 mm ² de taille. La figure 4 montre le flux de processus de la cellule Al-BSF pour référence et SiNW [26].

Flux de processus pour la fabrication de champ de surface arrière en aluminium sérigraphié industriel conventionnel (Al-BSF) pour les cellules solaires de référence et SiNW

Les plaquettes sont nettoyées avec de l'eau déminéralisée (eau DI), de l'acétone (ACE), une solution de piranha (H₂ SO₄ :H₂ O₂ ) et de l'isopropanol (IPA) pendant 5 à 10 minutes chacun, une gravure des dommages à la scie (SDE) avec une solution de KOH à 20 % en poids à 60 °C pendant 7 minutes et une solution d'acide HF/acide nitrique/acide acétique (HNA) standard mélangée dans le rapport de volume 1:3:5 pour une texturation de 5 minutes en tant que groupe de référence.

Un autre groupe de test a formé SiNW via MacEtch décrit dans la section « Mechanism for the Formation of Silicon Nanowire Arrays (SiNW) by MacEtch", une diffusion de POCl3 à 850 °C pendant 30 min pour former une couche émettrice N+ et la profondeur était de 0,3 mm au face avant. Une résistance de feuille de 75 Ω/sq. Après le processus de diffusion, nous avons plongé la plaquette de silicium dans un HF dilué pendant 5 min pour éliminer le verre de silicate de phosphore (PSG). Une épaisseur de film de ~ 70 nm SiNx:H couche formée à partir d'un dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD) pour le revêtement antireflet et la passivation, la métallisation utilise la méthode de sérigraphie standard Ag-paste et Al-paste, argent avant et aluminium arrière électrode, et co-cuisson successivement. Au total, il y a deux groupes en cours.

Résultats et discussion

La méthode pour obtenir des matrices SiNW uniformes sur des substrats Si de 6 pouces

Pour la méthode 1, l'ion argent quantitatif est d'abord réparti uniformément dans le grand récipient lorsque la solution de gravure quantitative y est versée et place la plaquette dans la solution Fig. 2b. Cependant, lorsque la grande plaquette est placée dans la solution de gravure, la solution de gravure répondra à une force de résistance. Cette force fera que la solution de gravure ne se répartira pas immédiatement et uniformément sur la surface de la plaquette, mais diffusera lentement des bords et des coins de la plaquette vers son centre, comme le montre la figure 2c. A ce moment, l'Ag ⁺ dans la solution commence à réagir avec les régions des coins et des bords de la plaquette, provoquant l'Ag ⁺ de la solution concentration diminue et provoque alors une gravure non uniforme de la plaquette. Plus tard, malgré la concentration restante d'Ag ⁺ dans la solution, il se répartit uniformément sur le dessus de la plaquette de silicium pour la gravure, comme le montre la figure 2d, et les réseaux SiNW uniformes ne peuvent pas être obtenus. Le résultat est montré sur la figure 5a pour les réseaux SiNW fabriqués à partir de la méthode 1, montrant que le SiNW n'est pas uniforme. Le centre et les coins de la plaquette sont étudiés par SEM, comme le montre la figure 5b, c. Les images SEM sont toutes du même grossissement. La plaquette contenait déjà une structure pyramidale avec des hauteurs allant de 1  à 10 μm, donc la structure SiNW formée par la méthode MacEtch sur des pyramides est étudiée. Les réseaux SiNW autour du centre de la plaquette sont illustrés à la figure 5b. Seuls quelques réseaux SiNW se sont formés. D'autre part, les matrices SiNW près des coins de la plaquette sont illustrées à la figure 5c. La profondeur de la structure SiNW augmente. Par conséquent, l'inspection et l'analyse à l'œil nu ou des images SEM révèlent que les matrices SiNW formées par la méthode 1 ont une faible uniformité.

Forme de structure SiNW par la méthode 1. a Vue de dessus d'une plaquette de 6 pouces avec structure SiNW. b Vue en coupe SEM de la structure SiNW au centre de la plaquette. c Vue en coupe SEM de la structure SiNW sur le coin de la plaquette

Dans la méthode 1, l'Ag+ commence d'abord à réagir avec le coin et le bord de la plaquette, ce qui entraîne la réduction de la concentration d'Ag+ dans la solution et provoque ensuite une gravure non uniforme de la plaquette.

Pour la méthode 2, nous améliorons l'effet en modifiant les étapes MacEtch avec un support pour augmenter l'uniformité de la surface SiNW. Par la suite, dans ce procédé, la plaquette avec un support est d'abord placée dans un grand conteneur, comme illustré sur la figure 3b, puis la solution de gravure est versée rapidement et uniformément sur la plaquette et le conteneur. De cette façon, la surface de la plaquette de silicium à grande échelle peut toucher la même concentration d'Ag+ en même temps, ce qui rend la structure SiNW gravée uniforme. Ensuite, la plaquette est trempée dans HNO3 pour éliminer les dendrites d'argent restantes, puis immergée dans du HF dilué pour éliminer l'oxyde de surface. Les structures SiNW formées par la méthode 2 sont représentées sur la figure 6a. D'après la figure, la structure SiNW a une bonne uniformité. Le MEB est également utilisé pour inspecter la structure de surface, comme illustré sur la figure 6b ; la longueur de SiNW est de 470 nm ¹¹ et la densité est de 3,02 × 1011 cm ⁻² .

Forme de structure SiNW par la méthode 2. a Vue de dessus d'une plaquette de 6 pouces avec structure SiNW. b Vue en coupe SEM de la structure SiNW

Analyse de la structure SiNW gravée et de son uniformité de surface

Morphologie de surface des plaquettes de silicium de 6 pouces

Nous modifions les étapes MacEtch pour obtenir des structures SiNW uniformes à grande échelle de 6 pouces, afin de réduire l'effet de la différence de temps et de concentration d'Ag ⁺ contact avec la surface de la plaquette. Ici, la méthode MacEtch améliorée est appliquée sur des plaquettes de 6 pouces, à grande échelle, monocristallines et multicristallines pour fabriquer des structures SiNW, comme le montre la figure 7. Une fois les matrices SiNW formées avec succès sur des plaquettes de 6 pouces, la morphologie de la surface avant et après la formation des matrices SiNW est étudiée. Les figures 7 a et c sont des plaquettes monocristallines et multicristallines de type P de 6 pouces avant de devenir des matrices SiNW gravées, respectivement. Les figures 7 b et d sont des matrices SiNW formées dans les mêmes conditions de fabrication que celles décrites dans l'expérience. Ils sont formés en utilisant la méthode MacEtch améliorée et les matrices SiNW sont gravées en même temps. Par conséquent, les structures de réseau uniformes SiNW sont fabriquées avec succès sur des plaquettes de 6 pouces en adoptant une méthode MacEtch améliorée. De plus, cette méthode démontre qu'elle peut être appliquée à différents substrats d'orientation cristalline, tels que des plaquettes monocristallines et multicristallines.

Avant et après la structure SiNW gravée sur des plaquettes de Si monocristallines et multicristallines de 6 pouces. un , b Avant et après gravure de plaquettes monocristallines. c , d Avant et après gravure de plaquettes multicristallines

Images SEM de baies SiNW

Les images SEM sont utilisées pour observer la morphologie SiNW sur les surfaces des tranches. La figure 8a est la vue de dessus de la structure de réseau pyramide/SiNW formée sur une plaquette monocristalline de type P, et la structure de réseau pyramide/SiNW agrandie est représentée sur la figure 8b. On peut clairement observer que la densité de SiNW en haut de la pyramide est plus faible qu'en bas. En effet, le sommet de la pyramide entre en contact avec beaucoup plus de solution de gravure, puis plus de métal Ag se dépose à la surface. Par conséquent, le SiNW gravé a une densité plus faible.

Vue de dessus des images SEM. un , b Structure en réseau pyramide/SiNW sur une plaquette monocristalline de type P. c , d Structure de réseau SiNW sur plaquette multicristalline de type P

En revanche, les figures 8c et d sont des matrices SiNW sur une plaquette multicristalline de type P. En effet, la figure 8d est l'image agrandie de la figure 8c. Pour un substrat multicristallin, les différentes orientations de SiNW peuvent être clairement observées, et la dimension d'un SiNW et de son amas sont de 1 à 10 microns. Le SiNW est incliné selon un angle par rapport au substrat du côté gauche de la figure 8d, mais les SiNW sont alignés verticalement par rapport au substrat du côté droit de la figure 8d. La théorie de la rupture de liaison peut être utilisée pour expliquer pourquoi l'orientation de gravure de MacEtch n'est pas alignée verticalement sur le substrat [15, 20, 22, 25]. Un atome de Si a deux liaisons arrière sur la surface d'un substrat (100), mais il a trois liaisons arrière sur la surface des substrats (110) ou (111). De plus, s'il y a plus de liaisons arrière, il est alors plus difficile à graver ou à enlever. Ainsi, l'atome de Si sur un substrat (100) est plus facile à éliminer et la solution de gravure aura tendance à choisir la direction <100> pour la gravure, ce qui entraîne des orientations différentes des matrices SiNW.

Différentes orientations des réseaux SiNW présentent différentes couleurs de surface sous observation à l'œil nu, comme le montre la figure 7d. En effet, un substrat de Si multicristallin contient diverses orientations de cristaux, comme le montre la figure 7c, ce qui entraîne différentes orientations gravées de SiNW et différents effets antireflet. De plus, une fois les réseaux SiNW formés sur une plaquette multicristalline, les limites des différentes directions cristallines peuvent être distinguées par différentes orientations SiNW, comme représenté par la ligne pointillée sur la figure 8d.

Spectres de réflectance

La propriété optique des réseaux SiNW fabriqués est examinée ici. La réflectance de différents points d'une plaquette à structure pyramidale monocristalline de type P/SiNW de 6 pouces est illustrée à la figure 9. Les points mesurés sont au centre et à 6 cm du centre de la plaquette de 6 pouces. La réflectance optique de tous les spots mesurés est inférieure à 6% pour la plage de longueurs d'onde de 400  à 1000 nm, la réflectance la plus faible est de 3% à une longueur d'onde de 500 nm, et le SiNW sur la pyramide est d'un diamètre constant de 1 micron. Cela montre que cette structure a une excellente propriété antireflet. De plus, la cartographie de réflectance pour différents points de la figure 9 est illustrée à la figure 10, dans laquelle différents points mesurés ont presque la même réflectance :la moyenne pour le centre est de 4,358%, la position 1 est de 4,266%, la position 2 est de 4,328% , la position 3 est de 4,263% et la position 4 est de 4,265%. Le delta est dans les 22%. Cela démontre que les différents spots des pyramides monocristallines de type P/réseaux SiNW de 6 pouces ont une propriété optique cohérente et, en même temps, prouve également qu'ils ont une très grande uniformité en utilisant la technique MacEtch améliorée pour former des réseaux SiNW .

Réflectance totale de différents points d'une plaquette à structure pyramidale monocristalline de type P/SiNW de 6 pouces. L'encart marque la zone mesurée au centre et à 6 cm du centre

Cartographie de la réflectance de différents points d'une plaquette de structure pyramidale monocristalline de type P/SiNW de 6 pouces

De même, la réflectance de différents points d'une plaquette de structure de réseau multicristallin de type P de 6 pouces telle que coupée/SiNW est mesurée, comme indiqué sur la figure 11, et elle correspond aux points noir foncé et noir clair de la figure. 7d. La réflectance de la zone noire foncée est inférieure à celle de la zone noire claire. De plus, les structures latérales droite et gauche de la figure 8d peuvent correspondre à des points noirs foncés et noirs clairs, respectivement. La réflectance des matrices SiNW alignées verticalement est inférieure à celle des matrices SiNW légèrement inclinées par rapport au substrat. En effet, les réseaux SiNW alignés verticalement peuvent effectivement réfléchir la lumière plusieurs fois entre SiNW pour diminuer la réflexion et augmenter l'absorption. Ainsi, les matrices SiNW alignées verticalement peuvent conserver une bonne propriété de piégeage de la lumière. Globalement, la réflexion est inférieure à 10% de 400 à 1000 nm en longueur d'onde, et la plus faible réflexion est de 4% à 400 nm. De plus, la différence de réflectance des différentes couleurs de surface est inférieure à 5%, comme 1% à 400 nm et 5% à 1000 nm pour le noir foncé avec un diamètre SiNW de 1 à 2 μm; pour le noir clair avec un cluster SiNW de 7 à 10 m, et la réflectance moyenne est d'environ 10 %. Cela montre que différentes orientations de la structure et du cluster SiNW influencent la différence dans l'effet de piégeage de la lumière. En outre, la différence de réflectance maximale pour la structure de réseau pyramidale monocristalline de type P/SiNW de la figure 9 et la structure de réseau multicristallin brut de type P/SiNW de la figure 11 est d'environ 5 %. Cela vérifie que la technique MacEtch améliorée convient parfaitement à la fabrication de structures de réseau SiNW sur des plaquettes à grande échelle, qu'elles soient en silicium monocristallin ou multicristallin.

Réflectance totale de différents points d'une plaquette de structure de réseau multicristalline de type P de 6 pouces telle que coupée/SiNW

De plus, les étapes MacEtch améliorées proposées dans cet article sont utilisées pour créer des matrices SiNW sur différentes tailles de plaquettes. Dans les mêmes conditions de fabrication, la structure pyramidale monocristalline de type P/réseau SiNW est formée. La taille des plaquettes est de 1,5 cm × 1,5 cm et 6 pouces, puis la réflectance est mesurée et comparée, comme le montre la figure 12, dans laquelle la différence de réflexion est inférieure à 1 %. Cela montre que nous pouvons fabriquer avec succès presque les mêmes matrices SiNW sur des plaquettes à grande et petite échelle et conserver des propriétés optiques identiques en même temps. De plus, à partir de la figure 9, la réflexion de différents points des plaquettes de 6 pouces démontre qu'elles peuvent maintenir une grande uniformité des matrices SiNW même lorsque la taille de la plaquette Si est augmentée.

Réflectance totale de la structure pyramidale monocristalline de type P/réseau SiNW formée sur 1,5 × 1,5 cm ² et plaquettes de 6 pouces

L'influence de la structure SiNW sur la durée de vie des porteurs minoritaires

Ensuite, nous avons inspecté l'effet causé par les réseaux SiNW lorsque la surface passe d'une pyramide ou d'une surface brute à des réseaux de nanostructures. La méthode μ-PCD est adoptée pour mesurer la durée de vie effective non passivée des porteurs minoritaires de plaquettes monocristallines pyramidales de type P et multicristallines de type P de 6 pouces. Les données de mappage avant et après la fabrication des matrices SiNW sont présentées sur la figure 13, et la durée de vie moyenne effective des porteurs minoritaires est indiquée sur les figures. La durée de vie du P-mono diminue légèrement de 2,55 à 2,11 μs, et la durée de vie du P-multi diminue également légèrement de 1,51 à 1,37 μs. Avec un type mono ou multi-P, après avoir utilisé la méthode MacEtch améliorée pour former la structure SiNW, la durée de vie effective du porteur diminue. En effet, la surface effective est augmentée du fait du SiNW gravé sur un substrat de silicium. Ensuite, la probabilité de recombinaison de surface est augmentée, ce qui entraîne une diminution de la durée de vie des porteurs minoritaires, comme indiqué dans le tableau 1.

Mesure μ-PCD pour cartographier la durée de vie des porteurs minoritaires sur des plaquettes de 6 pouces

A partir de la durée de vie effective du porteur minoritaire Eq. 1, mène à

où τ _eff est la durée de vie effective du support, τ _{en ​​vrac} est la durée de vie du vraquier, S _eff est la vitesse effective de recombinaison de surface (SRV) et W est l'épaisseur de la plaquette.

Parce que le τ _{en ​​vrac} est le même pour avant et après gravure des matrices SiNW sur monocristal de type N ou multicristal de type P, Eq. (1) peut être simplifié à l'équation. (2) puis l'influence de τ _{en ​​vrac} Peut être enlevé. De plus, les substrats de plaquettes ont chacun une épaisseur de 180 µm; par conséquent, à partir de l'Éq. (2), S _eff a une corrélation négative avec τ _eff . Par la suite, pour différentes structures, le τ moyen _eff et calculé S _eff sont présentés dans le tableau 1 en utilisant l'équation simplifiée. (2). On peut observer que le τ _eff a une corrélation négative avec le S simplifié _eff . En conclusion, les matrices SiNW gravées peuvent considérablement augmenter la surface de l'effet antireflet pour augmenter la récolte de lumière. Cependant, les tableaux SiNW réduiront τ _eff et augmenter S _eff de la plaquette, ce qui réduira les performances de la cellule solaire. Ainsi, l'effet causé par les panneaux SiNW doit être pris en compte pour les applications de cellules solaires.

Performance de la cellule solaire multicristalline Al-BSF SiNW

En ce qui concerne les performances des cellules solaires, ces cellules sont mesurées sous un éclairage AM 1.5G avec une puissance de 100 mW cm ² dérivé d'un simulateur solaire et les paramètres de la cellule sont résumés dans le tableau 2. Le SiNW de grande surface et la cellule solaire de référence à texture acide avec une structure à base d'Al-BSF ont été fabriqués avec un processus de cellule industriellement standard, et le groupe d'essai moyen de cellules SiNW a été obtenu 17,83 % d'efficacité cellulaire. Par rapport au dispositif de référence, la cellule solaire avec SiNWs avait un gain d'environ 0,6% en efficacité, ce qui est un gain important pour une cellule industrielle. La propriété électrique de la densité de courant de court-circuit (J _sc ), tension en circuit ouvert (V _oc ) et le facteur de remplissage (FF) sont également améliorés. La différence de performance est attribuée à la réflectance plus faible fournie par les SiNW et conduit à un gain de 1,2 % de J _sc et 1,35% de gain V _oc , qui améliore le piégeage et l'absorption de la lumière dans une plage de longueurs d'onde courtes de 300 à 400  nm. Le gain FF pourrait être attribué à la zone de contact plus élevée des SiNW avec des électrodes en Al par rapport aux surfaces normales à texture acide. Le gain d'efficacité peut être encore amélioré avec une meilleure méthode de passivation pour les cellules SiNW.

Conclusions

Nous pouvons utiliser avec succès les étapes MacEtch améliorées pour fabriquer des matrices SiNW à grande échelle sur des plaquettes de 6 pouces. Pour la plaquette de silicium monocristallin de type P de 6 pouces, des structures pyramidales/SiNW uniformes et à faible réflexion à grande échelle peuvent être formées, car la réflexion est inférieure à 6% dans les longueurs d'onde de 400 à 1000  nm et la réflexion la plus faible est d'environ 3% à une longueur d'onde de 500  nm. De plus, des expériences ont démontré que la taille du substrat a très peu d'influence sur la réflexion du SiNW, qui est inférieure à 1%. Pour la plaquette de silicium multicristallin de type P de 6 pouces, les différentes orientations des cristaux de surface provoquent différentes orientations de gravure des matrices SiNW et influencent la réflexion et diverses couleurs de surface. La réflexion est inférieure à 10 % dans les longueurs d'onde de 400 à 1000 nm, et la réflexion la plus faible est d'environ 4 % à une longueur d'onde de 400  nm. In addition, the μ-PCD method is adapted to measure the effective minority carrier lifetime of 6-inch P-type mono-crystalline pyramided and P-type multi-crystalline as-cut wafers. We found that the increased surface area of SiNW structures decreases the effective carrier lifetime (τ _eff ) of wafers. Here, we use the improved solution-processed MacEtch to form large-scale, uniform SiNW arrays on commercial 6-inch wafers. Regarding cell performance, the device with SiNW arrays has reach averaged of 17.83%, and better J _sc , V _oc , and FF were observed. The improvement is attributed to the SiNW structure’s low reflectance. This process has the advantages of low cost, high compatibility, simplicity, and high throughput. As such, it is very suitable for commercially practical applications in the industry.

Disponibilité des données et des matériaux

Not applicable

Abréviations

FESEM :

Microscope électronique à balayage à émission de champ

MacEth:

Gravure chimique assistée par métal

SiNW:

Silicon nanowire

μ-PCD FESEM:

Microwave photoconductive decay