Cellule solaire monocristalline à pyramides inversées à haut rendement (20,19 %) fabriquée par gravure chimique assistée par métal optimisée

Résumé

Nous rapportons une cellule solaire en silicium monocristallin (sc-Si) dotée d'une microstructure à pyramides inversées atteignant un rendement de conversion record de 20,19 % sur une tranche standard de 156,75 × 156,75 mm². La structure est produite par un processus en deux étapes : (1) gravure chimique assistée par métal (MACE) utilisant une concentration ultra-faible en ions argent, et (2) texturage alcalin anisotrope optimisé. En ajustant soigneusement les paramètres de MACE et de texturage, nous contrôlons les dimensions des pyramides à une largeur de 1 µm, produisant une réflectivité normale de 9,2 %. Comparée aux tranches à pyramides droites conventionnelles, la conception inversée offre un gain de 0,19 % en rendement et 0,22 mA cm⁻² supplémentaires en densité de courant de court-circuit (J_sc), surpassant les structures précédemment rapportées. Cette approche offre une voie évolutive vers le photovoltaïque sc-Si à haut rendement.

Contexte

Le silicium monocristallin (sc-Si) reste le matériau de référence pour le photovoltaïque commercial, grâce à son efficacité de photoconversion supérieure et sa fiabilité éprouvée. Cependant, les avancées récentes en sciage au fil diamanté, couches de passivation et configurations cristallines alternatives ont réduit l'écart de performance, forçant un réexamen des stratégies de piégeage de lumière en surface. Le texturage conventionnel à pyramides droites, limité par la chimie alcaline en une étape, atteint une réflectivité de 10–12 % — un plateau offrant des rendements décroissants sur les gains d'efficacité.

Le silicium noir, réputé pour sa réflectivité sous 0,3 % sur le spectre UV–NIR, a émergé comme alternative convaincante. Bien que l'ablation laser femtoseconde, la gravure ionique réactive (RIE) et la gravure chimique assistée par métal (MACE) puissent produire du silicium noir, la MACE offre le meilleur équilibre de compatibilité, coût et évolutivité pour les tranches sc-Si.

Les défis clés incluent la gestion du compromis entre nanostructures profondes (améliorant le piégeage de lumière) et recombinaison de surface (dégradant les durées de vie des porteurs). Des travaux récents ont démontré que la MACE optimisée peut générer des couches nanoporeuses à haute densité sans introduction excessive de défauts. Dans cette étude, nous étendons cette approche en intégrant une étape MACE à base d'Ag à faible concentration avec une étape de texturage alcalin contrôlé, produisant des microstructures à pyramides inversées uniformes adaptées à la production de masse.

Méthodes

Des tranches sc-Si (100) orientées, de type p, provenant du commerce (200 ± 20 µm d'épaisseur, 1–3 Ω cm) ont été pré-nettoyées dans un bain NaOH/H₂O₂ (30 % p/p) et rincées à l'eau ultrapure. Pour la MACE, les tranches ont d'abord été immergées dans HF 0,2 M / AgNO₃ 3 × 10⁻⁵ M à 25 °C pour déposer des nanoparticules d'Ag. La gravure subséquente dans un acide mixte (H₂O₂ 3,13 M / HF 2,46 M) avec un additif commercial à 0,1 % (C) pendant 3 min a produit une couche de silicium nanoporeux. Les résidus d'Ag ont été éliminés par un rinçage de 5 minutes dans NH₃ 0,1 M / H₂O₂ 0,1 M et un rinçage final à l'eau ultrapure.

Les tranches nanoporeuses ont ensuite été soumises à un texturage alcalin anisotrope : une solution de NaOH 0,003 M contenant 0,4 % d'additif (A) à 60 °C pendant 7 min. Cette étape convertit le réseau poreux en pyramides inversées uniformes avec une largeur de base de 1 µm. Le traitement industriel subséquent — formation de jonction p-n par diffusion de phosphore, élimination du verre phosphosilicate, revêtement antireflet SiNx par PECVD, et métallisation des électrodes — a complété la fabrication du dispositif.

La caractérisation comprenait SEM (Hitachi S-4800), métrologie 3D pour le dimensionnement des micro-caractéristiques, mesures de réflectance UV-VIS-NIR (UV-3101PC avec sphère intégrante), épaisseur et indice de réfraction SiNx (Filmetrics F20-UV), et tests photovoltaïques (Enlitech QE-R et PVIV-411V). Des simulations FDTD (λ = 631,57 nm) ont évalué la distribution du champ optique dans les géométries inversées versus droites.

Résultats et Discussion

Le dépôt de nanoparticules d'Ag a été optimisé à 5 ppm AgNO₃ pendant 2 min à température ambiante, produisant une couche dense et uniforme de 15 nm de diamètre (Fig. 1). Des concentrations plus élevées ou des temps de séjour plus longs produisaient des particules irrégulières et allongées qui compromettent l'uniformité de surface.

Images SEM de nanoparticules d'Ag déposées sur sc-Si : a–c 5, 10, 15 ppm (2 min, 25 °C) ; d–f 5 ppm (2, 4, 6 min). L'encart montre l'EDS confirmant l'Ag.

Après MACE, le Si nanoporeux présentait des diamètres variant de 20 nm (1 min) à 110 nm (5 min) et des profondeurs de 1,3–3 µm (Fig. 2). Les conditions optimales étaient 3 min à 35 °C, équilibrant rugosité de surface minimale et piégeage de lumière maximal (Fig. 3). Une gravure plus longue (>4 min) introduisait des pores cylindriques courbés augmentant la réflectivité.

SEM de Si nanoporeux à 35 °C : a tel que fabriqué ; b–f 1–5 min.

Réflectivité moyenne du Si nanoporeux versus temps MACE à 30–50 °C.

Le texturage alcalin anisotrope a transformé le réseau poreux en pyramides inversées. Des temps de processus de 5–9 min ont produit des pyramides de largeurs 500 nm à 1 µm et profondeurs de 350 nm à 400 nm (Fig. 4). À 7 min, les pyramides étaient uniformément distribuées, 1 µm de large, et présentaient une réflectivité moyenne de 9,2 % — une amélioration sur les textures droites standard.

Surfaces de pyramides inversées SEM : a Si nanoporeux ; b–f temps de texturage 1–9 min.

Spectres de réflectance des pyramides inversées pour différents temps de texturage.

L'évaluation électrique a révélé que la cellule à pyramides inversées surpassait son homologue droite : rendement 20,19 % versus 19,95 %, J_sc de 38,47 mA cm⁻² versus 38,25 mA cm⁻², V_oc de 647 mV versus 645 mV, et un facteur de remplissage supérieur de 0,05 % (Tableau 2). L'IQE restait comparable, tandis que l'EQE montrait un gain de 5–10 % dans la gamme 300–600 nm, cohérent avec la réflectivité de surface réduite (Fig. 6). Les simulations FDTD ont confirmé que la géométrie inversée concentre le champ électromagnétique dans le volume de silicium, améliorant l'absorption photonique par rapport aux pyramides droites (Fig. 7).

Comparaison de (a) réflectance, (b) IQE, et (c) EQE pour pyramides inversées versus droites.

Distribution de champ électrique 3D FDTD à 631,57 nm pour pyramides inversées (gauche) et droites (droite).

Conclusions

L'intégration de MACE à concentration ultra-faible avec une étape de texturage alcalin finement ajustée produit une microstructure uniforme à pyramides inversées de 1 µm qui réduit la réflectivité de surface à 9,2 % et augmente le rendement de conversion à 20,19 %. Le J_sc résultant de 38,47 mA cm⁻² démontre le potentiel de cette approche pour la fabrication photovoltaïque sc-Si évolutive à haut rendement. Une optimisation supplémentaire des couches de passivation et des paramètres de piégeage de lumière pourrait pousser les rendements au-delà de 21 %.

Abréviations

3D

Tridimensionnel

ALD

Dépôt de couches atomiques

EDS

Spectromètre à dispersion d'énergie

EQE

Efficacité quantique externe

FDTD

Différence finie domaine temporel

FF

Facteur de remplissage

IQE

Efficacité quantique interne

J_sc

Densité de courant de court-circuit

MACE

Gravure chimique assistée par métal

mc-Si

Silicium multicristallin

PECVD

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

RIE

Gravure ionique réactive

sc-Si

Silicium monocristallin

SEM

Microscope électronique à balayage

STD

Écart type

V_oc

Tension de circuit ouvert