Enquête sur une cellule solaire au silicium cristallin avec une couche de silicium noir à l'arrière

Contexte

Le Si fortement gravé en surface qui a été chargé ou dopé avec des ions métalliques ou non métalliques pourrait présenter une absorptivité forte et à large bande [1,2,3,4,5,6]. Ce type de Si, ou Si noir (b-Si), a beaucoup attiré l'attention pour son application potentielle dans le photovoltaïque à réponse large bande [7,8,9]. À ce jour, les recherches sur la cellule solaire b-Si se sont concentrées sur une configuration telle que la couche b-Si se trouve à l'avant de la cellule solaire [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]. Dans ce cas, les paires électron-trou induites par l'absorption de la sous-bande dans le proche infrarouge (NIR) au niveau de la couche b-Si sont éloignées de la zone de jonction PN et ne peuvent pas être décomposées par le champ intégré pour devenir des porteurs de charge, rendant la réponse photovoltaïque NIR sous-bande interdite impossible. On conçoit alors que si la couche b-Si est placée à l'arrière, les paires électron-trou induites par l'absorption NIR pourraient être décomposées par le champ interfacial Si/oxyde à l'arrière [20] ou par un champ intégré là-bas. si une configuration de contact arrière interdigité (IBC) est adoptée [21], la réponse photovoltaïque (PV) d'une telle cellule solaire cristalline (c)-Si s'étend jusqu'à la plage NIR de sous-bande interdite. Malheureusement, la grande surface spécifique du b-Si provoquerait généralement une recombinaison de surface élevée, ce qui dégraderait gravement les performances des cellules solaires [10, 15, 22]. Par conséquent, avant de commencer à étudier la réponse NIR de sous-bande interdite de la cellule solaire c-Si, il est nécessaire de savoir quelle pourrait être la taille de la recombinaison de surface du b-Si et comment minimiser ou éviter son influence [23]. Dans ce travail, nous avons étudié la réponse PV de la cellule solaire c-Si avec b-Si à l'arrière et exploré la physique sous-jacente à nos observations.

Méthodes

Matériaux

Plaquette Si<100> de type P (CZ, polissage double face, 10 × 10 × 0,2 mm ³ en taille, 1-10 Ω cm) a été utilisé comme substrat. La plaquette de Si a été nettoyée aux ultrasons puis plongée dans du HF dilué (1 %), suivi d'une gravure dans un NaOH/alcool/H₂ O (0,5 g/200 ml/200 ml) solution à 90 °C pendant 15 min pour texturer légèrement la surface pour l'antireflet puis rincer à l'eau déionisée. Pour préparer le b-Si à l'arrière, une couche d'Ag d'une épaisseur apparente de 3 nm a été évaporée sur une surface du substrat de Si en tant que catalyseur par chauffage par résistance dans une chambre à vide artisanale avec une pression de base inférieure à 5 × 10 ^{− 4} Pa. Après immersion de la plaquette Si dans un HF (40 %) : H₂ O₂ (30%):H₂ O = 1:5:10 pendant 120 s à température ambiante, une couche de b-Si s'est formée à cette surface de Si ou à l'arrière de la cellule solaire. Une pâte de phosphore a ensuite été déposée sur l'autre surface Si ou l'avant de la cellule solaire, suivie d'un recuit à 900 °C pendant 20 min dans de l'azote pour former une jonction PN. Un SiO₂ de 20 nm d'épaisseur couche a été évaporée sur le devant de la cellule solaire pour la passivation de surface. Pour la passivation de la face arrière, un Al₂ de 10 nm d'épaisseur O₃ couche a été déposée en utilisant la technique de dépôt de couche atomique (ALD) (Beneq TFS 200). Une couche d'ITO de 80 nm d'épaisseur a été déposée sur la surface avant en tant qu'électrode avant. Une couche d'Al de 2 µm d'épaisseur a été évaporée par chauffage par résistance en tant qu'électrode arrière. Un recuit thermique dans l'azote à 425 °C pendant 5 min a été effectué pour finaliser la préparation de la cellule solaire c-Si. Il convient de souligner que dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur l'effet du b-Si à l'arrière sur la réponse PV; par conséquent, la surface avant n'était que légèrement texturée et pas fortement gravée pour former du b-Si.

Mesures

Les spectres de réflectance ont été mesurés à l'aide d'un spectrophotomètre UV-vis-NIR (Shimadzu, UV-3101PC). La morphologie de surface a été mesurée avec un microscope électronique à balayage (MEB) (Philips, XL 30). Les paramètres PV de la cellule solaire ont été obtenus avec un simulateur solaire (Oriel/Newport, modèle 94023A) sous la condition 1-Sun AM1.5G. L'efficacité quantique externe (EQE) de la cellule solaire a été acquise sur un système QE d'Oriel/Newport. Des mesures de microscopie électronique à transmission (MET) ont été effectuées sur un système JEOL EM-3000. Les spectres de photoluminescence à émission de surface (PL) ont été enregistrés par un spectrophotomètre (Ocean Optics USB2000), avec un laser He-Cd de 325 nm (Melles Griot, série de modèles 74) comme source d'excitation. Les potentiels de surface du Si de type p et du Si b ont été mesurés par un système de sonde Kelvin (KP Technology SKP5050), ce qu'on appelle la différence de potentiel de contact, ou identification CPD.

Résultats et discussion

La figure 1a montre un schéma d'une cellule solaire c-Si légèrement texturée en surface après les passivations avant et arrière. La figure 1b donne un schéma d'une cellule solaire de structure similaire mais avec du b-Si à l'arrière. L'épaisseur de la cellule solaire est d'environ 200 μm.

Schémas de cellules solaires c-Si légèrement texturées sans (a ) et avec (b ) b-Si à l'arrière

La figure 2a montre une image SEM vue de dessus de la surface avant texturée. La figure 2b donne une image SEM vue de côté de la surface b-Si. La hauteur moyenne de la nanostructure du Si texturé est de 10~20 nm, tandis que celle du b-Si est de ~ 110 nm. La figure 2c montre une image MET à haute résolution (HR) du b-Si, où le Si nanocristallin est discernable tel que reflété par les franges de diffraction. Cette cristallinité du b-Si est également indiquée par le schéma SAED (diffraction électronique à zone sélectionnée) comme le montre la figure 2d.

Images SEM de Si texturé en surface (a ) et b-Si gravé en surface (b ), HRTEM (c ), et SAED (d ) de b-Si

La figure 3a donne les spectres d'absorption pour une plaquette Si (appelée "Si"), b-Si qui fait face à la lumière incidente (appelée "b-Si vers le haut"), et b-Si avec son dos vers la lumière incidente (appelée "b -Si vers le bas"). Pour « Si », on constate que lorsque l'énergie des photons est inférieure à la largeur de bande interdite c-Si (1,1 eV), ou de manière équivalente, la longueur d'onde est supérieure à 1 100 nm et presque aucune absorption ne se produit comme prévu. Cependant, pour « b-Si vers le haut », en plus de la grande amélioration de l'absorption dans la plage de 300 à 1 100 nm en raison du fort piégeage de la lumière par les nanostructures de b-Si [1,2,3,4,5, 6,7,8,9, 24,25,26,27,28,29,30,31], l'absorption NIR sous-bande interdite apparaît. Cette absorption de sous-bande interdite pourrait être attribuée à la formation de niveaux d'impuretés dans la bande interdite, ce qui permet l'absorption de photons de plus faible énergie [25,26,27,28, 32]. L'absorption de la sous-bande interdite peut être efficace à l'aide d'un piégeage de la lumière [25,26,27,28, 32]. Pour « b-Si vers le bas », l'absorption dans la plage de 300 à 1 100 nm augmente par rapport à celle de « Si ». Il a été remarqué que même s'il n'y avait pas d'Ag déposé sur cette face avant, il serait encore légèrement texturé lors de la formation de b-Si à l'arrière. Cette texturation de surface a renforcé le piégeage de la lumière. On voit que bien qu'une partie de la sous-bande interdite NIR soit réfléchie à la surface avant, la majeure partie de l'absorbance NIR est toujours restée. C'est ce dont on a besoin pour développer à l'avenir une cellule solaire c-Si à réponse NIR à sous-bande interdite. La figure 3b donne un spectre PL mesuré du b-Si, et la figure en médaillon est une photographie du b-Si sous l'éclairage du laser 325 nm. Aucune émission de PL n'est trouvée pour la tranche de Si. L'émission PL du b-Si est une autre indication de l'existence de nanocristaux de Si, comme le montre la figure 2c [10, 33].

Spectres d'absorption d'une plaquette Si, b-Si qui fait face à la lumière incidente, et b-Si avec son dos tourné vers la lumière incidente (a ). PL de Si et b-Si sous illumination d'un laser excitant à 325 nm (b ). L'encart montre le b-Si sous l'éclairage du laser 325 nm

Nous étudions maintenant comment le b-Si à l'arrière de la cellule solaire c-Si affecterait ses performances. Dans ce qui suit, la cellule solaire b-Si signifie la cellule solaire c-Si avec une couche b-Si à l'arrière. À titre de comparaison, nous avons fabriqué quatre cellules solaires c-Si, c'est-à-dire une cellule solaire en plaquette de silicium (appelée « plaquette »), une pile solaire en plaquette de silicium avec Al₂ O₃ passivation à l'arrière (dite « wafer + Al₂ O₃ "), la cellule solaire b-Si (appelée "b-Si") et la cellule solaire b-Si avec Al₂ O₃ passivation à l'arrière (dite « b-Si + Al₂ O₃ »). Les quatre cellules solaires ont été texturées sur la surface avant. Le courant densité-tension (J -V ) les courbes des quatre cellules solaires sont illustrées à la Fig. 4a, et leurs courbes EQE sont illustrées à la Fig. 4b. Les paramètres PV correspondants, y compris la tension en circuit ouvert (V _OC ), densité de courant de court-circuit (J _SC ), facteur de remplissage (FF) et efficacité de conversion photoélectrique (η ) sont donnés dans le tableau 1. Par rapport à la cellule solaire « wafer Si », après passivation arrière par Al₂ O₃ , la cellule de "wafer + Al₂ O₃ ” montre une bien meilleure performance. Le J _SC , V _OC , FF et η sont augmentés et une amélioration considérable de l'EQE est observée dans toute la gamme de longueurs d'onde mesurées. Ce résultat est cohérent avec les rapports précédents car la recombinaison de surface a été bien supprimée par Al₂ O₃ passivation [34,35,36]. Lorsque la couche de b-Si existe à l'arrière, des diminutions significatives de J _SC , V _OC , et η de la cellule « b-Si » serait attendue en raison de la recombinaison de surface élevée due à la grande surface spécifique du b-Si, par rapport à la cellule « wafer » [15, 22]. Cependant, au contraire, les performances du « b-Si » s'avèrent nettement améliorées, avec son efficacité même proche de celle du « wafer + Al₂ O₃ , et ayant une augmentation relative de 27,7 %. La courbe EQE montre également une amélioration considérable de la bande passante. La recombinaison de surface élevée induite par une grande surface ne semble pas se produire ici. Nous allons ensuite vérifier la cellule de « b-Si + Al₂ O₃ " et trouve qu'après Al₂ O₃ passivation à l'arrière, J _SC , V _OC , FF et η augmenter encore et les EQE aussi. Cela indique que Al₂ O₃ passive toujours efficacement la surface arrière comme dans le cas de "wafer + Al₂ O₃ . " Le rôle joué par b-Si à l'arrière est étonnamment intéressant et doit être exploré plus avant.

Photovoltaïque J -V (un ) et les courbes EQE (b ) pour les cellules solaires de "wafer", "wafer + Al₂ O₃  », « b-Si » et « b-Si+Al₂ O₃ ”

La figure 5 montre un diagramme de bande d'énergie de la jonction PN avec b-Si à l'arrière. Le fait que le minimum de bande de conduction du b-Si soit supérieur de 0,4 eV à celui du Si de type p résulte de la mesure CPD. Étant donné que le b-Si est directement cultivé sur le Si de type p, la distance entre le niveau d'énergie de Fermi et le maximum de la bande de valence devrait être essentiellement la même car la concentration de dopage est la même [37]. Par conséquent, la largeur de bande interdite du b-Si est plus grande que celle de la plaquette Si. Ceci est cohérent avec la formation de Si nanocristallin, leur émission PL comme le montrent les Fig. 2c et 3b, respectivement, et l'effet de confinement quantique [38]. Avec une telle bande interdite à l'arrière, les électrons libres seraient expulsés du b-Si et de l'électrode arrière [39] ; pendant ce temps, la dérive des trous vers l'électrode arrière n'est pas affectée, comme indiqué sur la figure 5. De cette manière, la probabilité de recombinaison électron-trou à b-Si peut être largement réduite et le problème de la recombinaison de surface élevée peut être efficacement évité . La bande interdite graduée formée explique pourquoi la cellule « b-Si » a de bien meilleures performances que la cellule « wafer », même si sa surface spécifique est beaucoup plus grande.

Diagramme de bande d'énergie de la jonction PN avec b-Si à l'arrière

Le rôle positif du b-Si à l'arrière dans le photovoltaïque s'est en outre manifesté dans les dispositifs PV structurés à hétérojonction, comme indiqué sur les Fig. 6a, b. Comme le montre la Fig. 6c, pour ce dispositif PV avec b-Si à l'arrière, l'EQE a évidemment été amélioré par rapport à celui sans b-Si à l'arrière. La bande interdite graduée à l'interface du P-Si et du b-Si devrait être responsable de l'amélioration de l'EQE [39, 40]. Ce résultat est cohérent qualitativement avec celui de la figure 4b. Bien que les configurations PV de la Fig. 4b et de la Fig. 6c soient différentes, le rôle joué par le b-Si à l'arrière est fondamentalement le même.

Schémas d'un dispositif PV structuré à hétérojonction sans (a ) et avec (b ) b-Si à l'arrière et leurs courbes EQE (c )

Conclusions

Nous avons étudié la cellule solaire c-Si avec une couche b-Si à l'arrière. La cellule solaire c-Si d'une telle configuration a montré de bien meilleures performances qu'une cellule solaire c-Si de structure similaire mais sans b-Si à l'arrière. Ce résultat a été attribué à la formation d'une bande interdite graduée à l'arrière, qui peut grandement réduire la probabilité de recombinaison de surface à l'arrière, améliorant ainsi les performances de la cellule solaire c-Si. La découverte de ce travail peut être appliquée au développement d'une cellule solaire c-Si avec une réponse PV à large bande, y compris la réponse NIR à sous-bande interdite, à l'avenir.