Réduction des pièges d'interface avec un traitement à l'hydrogène haute densité pour augmenter l'efficacité des cellules de contact arrière de l'émetteur passivé

Introduction

Les cellules solaires sont l'une des nombreuses énergies renouvelables dans le monde et sont considérées comme les plus capables de remplacer l'énergie pétrochimique de transition. Il existe plusieurs types de cellules solaires basées sur différents systèmes de matériaux, tels que le silicium [1,2,3], la pérovskite [4, 5] ou les composés III-V [6, 7]. Parmi elles, la cellule solaire à base de silicium est couramment utilisée pour son faible coût, sa grande stabilité et son excellente efficacité jusqu'à 26% [8,9,10]. Le dispositif de contact arrière d'émetteur passivé (PERC) est considéré comme l'un des dispositifs potentiels pour remplacer les cellules solaires à champ de surface arrière (BSF) [11, 12]. En 1983, le professeur Martin Green a proposé pour la première fois une cellule PERC à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW), dont le concept était de combiner l'émetteur et la couche de passivation arrière pour réduire les défauts d'interface et augmenter l'efficacité de la cellule. Bien que l'émetteur PERC et la couche de passivation arrière puissent passiver les défauts de l'interface, la qualité du film de l'émetteur ou de la couche de revêtement antireflet (ARC) affecte l'interface [13,14,15].

Selon des travaux antérieurs, outre l'amélioration de la qualité du film mince pour réduire les pièges à l'interface, le traitement post-recuit est une autre méthode pour réduire les défauts [16,17,18]. Un post-traitement consistant à former un recuit de gaz dans de l'azote (95 %) et de l'hydrogène (5 %) à 400 °C est utilisé pour réduire les pièges d'interface avec l'hydrogène et améliorer l'efficacité de la cellule. Malheureusement, un tel traitement nécessite une réaction à environ 400 °C, une température trop élevée pour les cellules solaires telles que l'hétérojonction à couche mince intrinsèque (HIT) qui sont fabriquées à des températures inférieures à 200 °C.

Dans ce travail, nous proposons un traitement approprié à l'hydrogène haute densité (HDH) pour réduire les pièges à l'interface entre la couche de passivation de l'émetteur et la couche de Si de type n sans qu'il soit nécessaire de modifier aucun élément supplémentaire de fabrication du dispositif. Semblable aux recherches précédentes, le traitement HDH est utilisé pour passiver les défauts à l'aide d'ions hydrogène. Le résultat expérimental suggère une amélioration de la liaison Si-H après le traitement HDH, selon la spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) de mesure de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). De plus, des mesures électriques comprenant la conductance, la densité de courant de court-circuit (Jsc), la résistance série (Rs) et le facteur de remplissage (F.F.) sont extraites pour confirmer la réduction de la densité d'état (Dit) et l'augmentation de l'efficacité de la cellule. Enfin, nous avons également proposé un modèle pour illustrer davantage les effets du traitement HDH sur la cellule solaire PERC.

Méthodes expérimentales

Fabrication de cellules solaires PERC

Le processus de fabrication du PERC est illustré ci-dessous. Le silicium Czochralski de type p est utilisé comme substrat avec une épaisseur d'environ 150 µm. La solution de KOH est utilisée pour graver la surface du substrat Si et former la morphologie à texture pyramidale de la surface. Afin de former la jonction p-n, POCl₃ est utilisé pour diffuser dans la surface du substrat Si et former la couche de type n. Ensuite, la couche de passivation SiN de l'émetteur est déposée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en tant que couche de revêtement antireflet (ARC). Une fois la couche ARC déposée, une solution HF est utilisée pour éliminer la couche de type n de la face arrière. Ensuite, l'Al₂ O₃ est déposée en tant que couche de passivation arrière d'une épaisseur de 25 nm par dépôt de couche atomique (ALD). La couche de SiN de 95 nm d'épaisseur est ensuite déposée par CVD. Une fois le processus de passivation arrière terminé, l'ablation laser est appliquée aux rainures découpées pour la préparation du processus de sérigraphie de l'électrode supérieure en argent (Ag) utilisée sur la couche ARC, tandis que l'aluminium (Al) est utilisé pour l'électrode inférieure. Enfin, le dispositif est chauffé dans un processus de cuisson afin d'assurer un bon contact entre le métal et le semi-conducteur. La structure du dispositif PERC est illustrée à la Fig. 1.

Flux de processus de fabrication de PERC et structure de cellule de contact arrière d'émetteur passivé (PERC)

Traitement HDH

Le traitement HDH est ensuite appliqué au dispositif PERC. Le processus de traitement HDH est tel que représenté sur la figure 2. L'hydrogène gazeux est utilisé comme source de traitement et est pompé dans la chambre de réaction contenant le dispositif PERC. Ensuite, le gaz est comprimé à 70 atm et la température de réaction est fixée à 200 °C pendant 1 h. Le gaz est ensuite pompé pour terminer le traitement HDH.

Flux du processus de traitement à l'hydrogène haute densité (HDH)

Caractérisation des matériaux

Bruker VERTEX 70v FTIR est utilisé pour analyser la liaison Si-H avant et après traitement et ION-TOF, TOF-SIMS V est utilisé pour analyser le rapport hydrogène à l'interface SiN/Si.

Caractérisation électrique

Les caractéristiques I-V et G-V sont mesurées avec un analyseur de semi-conducteurs Agilent B1500 et une station de sonde Cascade M150 dans une boîte noire pour les conditions claires et sombres. Les paramètres d'efficacité (Jsc, Rs et facteur de remplissage) sont extraits à une source lumineuse simulée de 1 kW M ⁻² spectre global AM1.5 à 25 °C. L'efficacité quantique externe (EQE) de la cellule solaire QEX10 est utilisée pour analyser l'efficacité de 300 à 1200  nm.

Résultat et discussion

La couche de passivation SiN de l'émetteur avec et sans traitement HDH est examinée à l'aide d'une analyse FTIR. Comme le montre la figure 3, le SiN avec et avec traitement HDH présente tous les deux 3350 cm ⁻¹ de la liaison d'étirement N–H et 2165 cm ⁻¹ de la liaison d'étirement Si-H [19,20,21]. Cependant, les rapports d'intensité de pic d'absorption des liaisons N-H et Si-H sont tous deux améliorés après le traitement, ce qui implique que de l'hydrogène est injecté dans la couche de SiN.

Emetteur couche mince de passivation SiN mesurée avec spectre FTIR

Afin de confirmer que le traitement HDH réduit les pièges d'interface SiN/Si, la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) est utilisée pour confirmer la distribution d'hydrogène [22, 23]. Sur la figure 4, du fait que la couche de SiN est déposée par CVD, l'intensité d'hydrogène dans cette couche de SiN est plus élevée que dans le Si. Après le traitement, alors que l'intensité de l'hydrogène n'est évidemment pas augmentée en masse, l'intensité est nettement augmentée à l'interface SiN et Si, et ce résultat indique que le traitement HDH réagit à l'interface SiN/Si.

Emetteur couche mince de passivation SiN mesurée avec SIMS

Pour confirmer davantage la différence de Dit entre la couche SiN de l'émetteur et le substrat p-Si après traitement HDH sur la figure 5, la structure Al/SiN/p-Si/Al métal-isolant-semiconducteur (MIS) est fabriquée. Étant donné que l'interface SiN et p-Si a une grande quantité de défauts, le résultat G-V peut être appliqué pour extraire la densité de piège d'interface (Dit) [24]. L'équation de conductance est donnée par :

Le dispositif Al/SiN/p-Si/Al est analysé par caractéristique conductance-tension avec des pièges d'interface

où ω est la fréquence angulaire, τ est la durée de vie du transporteur, et Gp est la conductance dépendante de la fréquence. Pour simplifier l'équation. 1, le Dit est lié à la conductance et le pic de conductance est réduit après le traitement, ce qui suggère que le traitement HDH peut réduire les pièges de l'interface PERC.

Ensuite, des mesures électriques sont effectuées sur le dispositif de cellule PERC dans des conditions claires et sombres. La polarisation du dispositif est appliquée à l'électrode inférieure en Al, tandis que l'électrode supérieure est mise à la terre. La plage de balayage de la tension est de − 1 à 0,75   V. La figure 6 montre la caractéristique I-V dans des conditions d'obscurité. La fuite de courant est réduite de manière significative après le traitement HDH, le rapport de la diminution étant d'environ 0,5 ordre. De plus, sur le côté droit de la caractéristique I-V, la bosse du courant d'activation se trouve réduite après le traitement. Nous extrayons également la courbe I-V et la convertissons en facteur idéal suivant l'équation du courant de diode :

Analyse des caractéristiques I-V dans des conditions sombres avec fuite de courant et facteur idéal.

où je _s est le courant de saturation, q est la charge électronique, V est la tension appliquée, n est le facteur idéal, k est la constante de Boltzmann, et T est la température absolue. L'équation 2 peut être encore simplifiée en \( I={I}_s\left[\mathit{\exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] \); lorsque le n la valeur est proche de 1, le courant d'enclenchement est proche du courant de diffusion. Lorsque le n est proche de 2, cela signifie que le courant d'enclenchement est proche du courant combiné [25]. Après le traitement, la pente du courant passant est réduite de 1,5 à 1,42, ce qui signifie que le courant passant est proche du courant de diffusion après traitement du fait de la diminution du nombre de défauts.

Pour examiner plus en détail les caractéristiques électriques, les paramètres d'efficacité (Jsc, Rs et facteur de remplissage) sont extraits à une source lumineuse simulée de 1 kW M ⁻² spectre global AM1.5 à 25 °C. Après le traitement HDH, l'efficacité moyenne est augmentée de 17,3 à 18,2 %, comme le montre la figure 7a. Le Jsc augmente également de 37,6 à 38,2  mA, comme le montre la figure 7b. De plus, le Rs a été réduit de 0,712 à 0,487 après traitement, comme sur la figure 7c. Quant au facteur de remplissage, il passe de 70,5 à 73,3, comme le montre la figure 7d.

Caractéristiques PERC I-V pour a efficacité, b densité de courant de court-circuit (Jsc), c résistance série (Rs) et d facteur de remplissage (F.F.)

Afin de confirmer l'efficacité de conversion à différentes gammes de longueurs d'onde, l'efficacité quantique externe (EQE) est utilisée pour analyser la longueur d'onde de 300 à 1200  nm [26, 27]. Comme le montre la figure 8, l'efficacité quantique avant traitement HDH a un EQE moyen de 94 % entre 400 et 600  nm. Cependant, après le traitement HDH, nous pouvons obtenir un résultat EQE encore plus élevé. Les résultats montrent une augmentation à 97% entre 400 et 600 nm, qui est induite par la suppression des pièges de l'interface émetteur SiN/Si.

L'efficacité quantique externe (EQE) est mesurée de 300 à 1200 nm

Enfin, nous proposons un modèle pour expliquer les effets de la HDH sur le dispositif PERC. L'émetteur PERC de la structure Si de type Ag/SiN/n et la relation avec la structure du piège d'interface SiN/Si sont illustrés à la Fig. 9. Lorsque la paire électron-trou est générée dans la jonction pn, induite par la lumière, l'électron se déplace à l'électrode supérieure Ag. S'il y a des pièges d'interface à l'interface SiN/Si, ils faciliteront la recombinaison électronique avec des trous. Pour réduire les pièges à l'interface, un traitement HDH est appliqué au dispositif PERC, un gaz à haute pression étant utilisé pour injecter de l'hydrogène dans le dispositif et réagir avec l'interface. Après le traitement, les liaisons hydrogène avec la liaison pendante à l'interface SiN/Si et les pièges d'interface sont réduites. Par conséquent, la recombinaison diminue, ce qui réduit les fuites de courant et améliore le Jsc et l'efficacité de la cellule.

Émetteur PERC de structure Si de type Ag/SiN/n et structure piège d'interface SiN/Si au traitement initial et postérieur

Conclusion

Dans cette étude, le traitement HDH est proposé avec succès pour réduire les pièges d'interface et améliorer l'efficacité du dispositif. Le spectre FTIR montre que la liaison Si-H est améliorée et que le pic de conductance-tension diminue après le traitement. Par conséquent, le nombre réduit de pièges d'interface conduit à une réduction des fuites de courant, et la valeur idéale du facteur est également diminuée. De plus, l'efficacité est améliorée après le traitement, et Jsc, Rs et le facteur de remplissage sont augmentés. Enfin, le résultat EQE démontre une amélioration de la courte longueur d'onde, ce qui est la preuve d'une réduction des pièges à l'interface de l'émetteur.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont disponibles auprès des auteurs via une demande raisonnable.

Abréviations

HDH :

Traitement à l'hydrogène haute densité

PERC :

Cellule de contact arrière émetteur passivé

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

SIMS :

Spectrométrie de masse à ions secondaires

Dit :

Densité de trappe d'interface

Jsc :

Densité de courant du circuit

Rs :

Résistance série

F.F. :

Facteur de remplissage

EQE :

Efficacité quantique externe

BSF :

Champ de surface arrière

UNSW :

Université de Nouvelle-Galles du Sud

ARC :

Revêtement antireflet

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

ALD :

Dépôt de couche atomique

MIS :

Structure métal-isolant-semi-conducteur