Cellules solaires en silicium cristallin avec couche arrière en silicium noir : efficacité accrue par ingénierie de bande interdite graduelle

Résumé

Nous avons étudié des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) incorporant une couche de silicium noir (b-Si) à la surface arrière. La gravure chimique a produit le b-Si nanostructuré, et sa présence à l'arrière du dispositif a conduit à une augmentation remarquable de 27,7 % du rendement de conversion de puissance par rapport à une cellule équivalente sans couche b-Si. L'amélioration est attribuée à une bande interdite graduelle qui se forme à l'arrière, repoussant les électrons libres loin du b-Si à grande surface spécifique et supprimant ainsi la recombinaison de surface. Cette étude démontre qu'une couche b-Si côté arrière peut être exploitée pour étendre la réponse spectrale des cellules solaires c-Si dans la région proche infrarouge sous-bande interdite.

Contexte

Le silicium hautement texturé qui a été chargé ou dopé avec des ions métalliques ou non-métalliques présente une absorptivité à large bande, donnant naissance à l'effet dit silicium noir (b-Si). Un tel Si a attiré l'attention pour les applications photovoltaïques à large bande. Les travaux existants placent généralement la couche b-Si à l'avant de la cellule, ce qui empêche les photons proche infrarouge (NIR) sous-bande interdite de générer des porteurs de charge utilisables car les paires électron-trou générées sont trop éloignées de la jonction PN. Nous avons émis l'hypothèse que positionner la couche b-Si à l'arrière permettrait au champ interne à l'interface Si/oxyde, ou un champ de contact arrière interdigité, de séparer les porteurs générés par NIR et de permettre une phototension sous-bande interdite. Cependant, la grande surface spécifique du b-Si pourrait introduire une recombinaison de surface sévère. Ce travail explore la réponse photovoltaïque de cellules c-Si avec une couche b-Si côté arrière et élucide la physique sous-jacente.

Méthodes

Matériaux

Nous avons utilisé un wafer Si<100> de type p (CZ, double face polie, 10 × 10 × 0,2 mm³, 1-10 Ω·cm). Le wafer a été nettoyé par ultrasons, trempé dans 1 % HF, puis gravé dans une solution NaOH/alcool/H₂O (0,5 g / 200 mL / 200 mL) à 90 °C pendant 15 min pour créer une légère texture antireflet. Pour la formation du b-Si côté arrière, une couche catalyseur Ag de 3 nm a été évaporée sur une surface. Le wafer a ensuite été immergé dans une solution 1:5:10 HF(40%) : H₂O₂(30%) : H₂O pendant 120 s à température ambiante, produisant le b-Si nanostructuré. Une pâte phosphoreuse a été déposée sur la surface opposée, suivie d'un recuit 900 °C/20 min sous azote pour former la jonction PN. La passivation de surface a été réalisée avec 20 nm SiO₂ sur l'avant et 10 nm Al₂O₃ sur l'arrière (ce dernier par ALD). Une électrode avant ITO 80 nm et une électrode arrière Al 2 µm ont été déposées, et la cellule a été finalement recuite à 425 °C/5 min sous azote.

Mesures

Les spectres de réflectance ont été enregistrés avec un spectrophotomètre Shimadzu UV-3101PC. La morphologie de surface a été examinée par MEB Philips XL 30. Les paramètres photovoltaïques ont été mesurés avec un simulateur solaire Oriel/Newport 94023A sous AM 1.5G 1 Soleil. Le rendement quantique externe (EQE) a été obtenu sur un système Oriel/Newport QE. La microscopie électronique en transmission (MET) a utilisé un JEOL EM-3000. La photoluminescence (PL) a utilisé un Ocean Optics USB2000 avec laser He-Cd 325 nm. Les mesures de différence de potentiel de contact (CPD) ont été effectuées avec une sonde Kelvin KP Technology SKP5050.

Résultats et discussion

La Figure 1 montre les coupes transversales schématiques d'une cellule c-Si légèrement texturée avec et sans b-Si côté arrière. L'épaisseur de la cellule est ≈ 200 µm.

Les images MEB (Figure 2) révèlent que la surface avant a des nanostructures de 10-20 nm, tandis que le b-Si arrière présente une hauteur moyenne d'environ 110 nm. La MET haute résolution confirme du Si nanocristallin dans le b-Si, soutenu par le motif SAED.

Les spectres d'absorption (Figure 3a) démontrent que le b-Si face à la lumière incidente augmente significativement l'absorption sur 300-1100 nm et introduit une absorption NIR sous-bande interdite, attribuable à la formation de niveaux d'impureté dans la bande interdite. Quand le b-Si fait face à l'opposé de la lumière (b-Si vers le bas), l'absorption reste élevée dans la gamme 300-1100 nm, indiquant que le b-Si côté arrière peut encore capturer les photons NIR.

Quatre variantes de dispositif ont été fabriquées : (1) wafer Si ; (2) wafer Si + passivation Al₂O₃ arrière ; (3) b-Si arrière ; (4) b-Si arrière + Al₂O₃. Les données courant-tension et EQE (Figure 4) révèlent que le dispositif wafer + Al₂O₃ surpasse le wafer non passivé, confirmant la suppression efficace de la recombinaison de surface. Surprenamment, le dispositif b-Si arrière montre une augmentation de 27,7 % du rendement relatif par rapport au wafer nu, malgré la grande surface qui augmenterait normalement la recombinaison. L'ajout d'Al₂O₃ au b-Si arrière améliore encore la performance, soulignant que la passivation arrière reste efficace. La clé de cette amélioration est une bande interdite graduelle à l'arrière : le minimum de la bande de conduction du b-Si se trouve ≈ 0,4 eV au-dessus de celui du Si de type p (mesure CPD), créant une barrière qui repousse les électrons loin du b-Si à grande surface spécifique tout en permettant aux trous d'atteindre l'électrode arrière, supprimant ainsi la recombinaison.

Des dispositifs PV hétérojonction additionnels (Figure 6) confirment le rôle bénéfique du b-Si côté arrière. L'EQE du dispositif b-Si est nettement plus élevée que celle du dispositif sans b-Si, cohérent avec le mécanisme de bande interdite graduelle.

Conclusions

L'incorporation d'une couche de silicium noir à l'arrière d'une cellule solaire en silicium cristallin améliore dramatiquement la performance du dispositif en formant une bande interdite graduelle qui atténue la recombinaison de surface. Le gain de rendement de 27,7 % démontre la viabilité du b-Si côté arrière pour étendre la réponse spectrale des cellules c-Si dans la région NIR sous-bande interdite, ouvrant la voie aux technologies photovoltaïques à large bande.