Cellules solaires à hétérojonction à nanofils de silicium avec un film de passivation Al2O3 fabriquées par dépôt de couche atomique

Introduction

Les cellules solaires au silicium cristallin (c-Si) sont largement utilisées dans le monde en raison de leur grande efficacité et de leur abondance [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Pour réduire les coûts de production d'électricité de telles cellules solaires, leur efficacité doit être augmentée et leur coût de fabrication doit être réduit. Cependant, l'efficacité des cellules solaires c-Si est proche de la limite d'efficacité théorique et une amélioration supplémentaire est difficile car la tension en circuit ouvert (V _oc ) est limitée par la recombinaison Auger [10, 11]. La création de films c-Si très fins est un moyen efficace d'améliorer le V _oc , mais les cellules solaires c-Si extrêmement minces présentent une faible densité de courant de court-circuit (I _sc ) en raison de leur faible coefficient d'absorption [12, 13]. Récemment, les nanofils de silicium (SiNW) ont attiré une attention considérable car ils présentent un fort effet de confinement optique qui est essentiel pour piéger la lumière dans les cellules solaires [14,15,16,17,18,19,20,21]. Dans nos expériences précédentes, nous avons réussi à évaluer les propriétés optiques des SiNW en les décollant de plaquettes de silicium à l'aide de polydiméthylsiloxane [22]. Un réseau SiNW de 10 μm de long peut absorber suffisamment de lumière, ce qui indique que les SiNW peuvent réduire l'épaisseur des cellules solaires c-Si. Comme il est difficile de fabriquer un réseau SiNW autonome, la plaquette de Si est nécessaire. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur la fabrication de matrices SiNW de 10 µm de long sur la plaquette de Si. Par conséquent, pour maximiser l'absorption dans la longueur d'onde inférieure à la région de 1200 nm par des réseaux SiNW de 10 µm de long, l'influence de la plaquette de Si peut être éliminée. D'autre part, pour appliquer des SiNW aux structures de cellules solaires, il est nécessaire de fabriquer un film de passivation sur leur surface pour réduire la recombinaison de surface. Nous avons constaté que les SiNW présentent un rapport d'aspect élevé, il est donc difficile de fabriquer un film de passivation par dépôt chimique en phase vapeur. Par conséquent, le film de passivation a été fabriqué sur la surface SiNW par dépôt de couche atomique (ALD) [23, 24]. En revanche, les tableaux SiNW contenant Al₂ O₃ ne peut pas être décollé de la plaquette de silicium en raison de la résistance mécanique améliorée. De plus, les porteurs ne peuvent pas se déplacer vers le circuit externe à cause de l'isolant Al₂ O₃ film. Dans cette étude, nous proposons une nouvelle structure (illustrée à la Fig. 1) dans laquelle des SiNW de 10 μm de long sont fabriqués sur une plaquette de Si.

Structure de cellule solaire SiNW avec Al₂ O₃

Pour établir un contact entre les SiNW et a-Si, l'Al₂ O₃ présent sur le dessus des SiNWs a été éliminé par polissage chimico-mécanique (CMP) et gravure. L'influence d'Al₂ O₃ la gravure sur les propriétés des cellules solaires a été étudiée.

Méthodes

Fabrication de baies SiNW et Al₂ O₃

Une plaquette de Si (100) de type p (8-10 Ω cm, 550 μm) a été immergée dans une solution d'acide fluorhydrique (HF) avec AgNO₃ déposer des particules d'argent. La plaquette de Si a été gravée chimiquement, en utilisant 4,8 M HF et 0,15 M H₂ O₂ à température ambiante, puis ajouté dans un HNO₃ solution pour enlever les pellicules d'argent. Enfin, la couche d'oxyde présente sur le réseau SiNW préparé a été éliminée à l'aide de la solution HF. Des SiNW avec des longueurs de 10, 15 et 20 m ont été fabriqués en modifiant le temps de gravure. L'espace entre les SiNW étant grand, des particules de silice d'un diamètre d'environ 80 µnm (dispersées dans une solution d'éthanol) ont été introduites dans l'espace entre les fils. Puis, 66 nm d'épaisseur Al₂ O₃ a été déposé par ALD pour passiver les liaisons pendantes. La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM, JEOL JSM-7001F) a été appliquée pour examiner la structure des réseaux SiNW préparés.

Suppression d'Al₂ O₃ au sommet des SiNW

Ensuite, une pâte à graver et la méthode CMP ont été appliquées pour enlever le haut des SiNWs et l'Al₂ O₃ sur eux. La figure 2a montre l'Al₂ O₃ procédure de gravure à l'aide d'une pâte à graver. La pâte à graver s'est formée sur l'Al₂ O₃ couche, suivie d'un recuit pour l'éliminer. Enfin, la pâte de gravure a été retirée. Dans le cas du CMP, le processus détaillé est illustré à la Fig. 2b. Avec la structure de cellule solaire fabriquée, la longueur du réseau SiNW est restée constante à 10 m et, par conséquent, l'épaisseur de gravure a été modifiée en modifiant la longueur initiale des réseaux SiNW. Lorsque la longueur initiale des SiNW était de 10 μm, la gravure a été arrêtée au sommet des nanofils (épaisseur de gravure 0 μm, longueur de SiNW 10 μm, épaisseur de plaquette de Si restante 540 μm), ce qui signifie que l'Al2 O₃ au-dessus du SiNWs était seulement gravé. Pour une longueur initiale de SiNW de 15 μm, la longueur de gravure a été définie à 5 μm, incluant les 5μm SiNWs et Al₂ O₃ (épaisseur de gravure 5 μm, longueur de SiNW 10 μm, épaisseur de la plaquette de Si restante 535 μm). Lorsque la longueur de gravure était définie à 10 m, la longueur initiale était de 20 m (épaisseur de gravure 10 m, longueur de SiNW 10  μm, épaisseur de la plaquette de Si restante 530  μm).

Al₂ O₃ procédure de gravure et procédure de fabrication de la cellule solaire :a pâte à graver et b CMP. c Cellule solaire à hétérojonction (cellule solaire de référence)

Fabrication de la structure des cellules solaires

La figure 1 montre les structures de cellules solaires fabriquées ici ; la structure d'hétérojonction de a-Si et Si a été adoptée. La procédure de fabrication et les conditions de la structure à hétérojonction sont les mêmes que celles de la cellule solaire SiNW et de la cellule solaire de référence de la Fig. 2. Dans le cas des cellules solaires de référence, la plaquette Si (100) de type p (8–10 Ω cm, 550 m) a été utilisé sans SiNW. Une double hétérojonction a été formée en déposant une couche de silicium amorphe hydrogéné de type i (ia-Si:H, épaisseur 5 nm), une couche de a-Si:H de type n (épaisseur 10 nm), et une couche de type p a- Couche Si:H (épaisseur 10 nm) via dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). De l'oxyde d'indium-étain (ITO) (épaisseur 80 nm) et une grille d'Ag ont été utilisés pour fabriquer l'électrode avant. La réflectance des cellules solaires a été mesurée dans la région ultraviolet-visible-proche infrarouge. Des expériences de photoconductance quasi-stationnaire (QSSPC, Sin-ton Instruments) ont été réalisées pour mesurer la durée de vie des porteurs minoritaires des SiNW. Les cellules solaires SiNW étaient également caractérisées par un courant-tension illuminé (I-V ) et des mesures d'efficacité quantique. Les paramètres d'une cellule solaire de référence fabriquée sur la même plaquette sans aucun traitement sont indiqués dans le tableau 1.

Résultats et discussion

La durée de vie de la porteuse pour la baie SiNW sans Al₂ O₃ n'a pas pu être mesuré par le QSSPC. Plusieurs défauts étaient présents sur la surface SiNW; ceux-ci sont liés à des liaisons pendantes qui peuvent conduire à une recombinaison considérable de porteurs minoritaires. Pour passiver la surface SiNW, Al₂ O₃ a été déposé par ALD, comme le montre la Fig. 3b, avec l'Al₂ O₃ dépôt étant intégré dans le réseau SiNW sans espace. S'il y a de la place dans le SiNW/Al₂ O₃ , ce film est facilement cassé par CMP. De plus, la plaquette Si à vie avec Al₂ O₃ augmenté avec l'augmentation de l'épaisseur de l'Al₂ O₃ et il avait tendance à être constant à partir de 66  nm, comme le montre la figure 4a. A partir de ces résultats, l'épaisseur de l'Al₂ O₃ couche a été fixée à 66  nm. La figure 4b montre la durée de vie des porteurs minoritaires de chaque échantillon en fonction de la densité des porteurs minoritaires. La durée de vie du porteur minoritaire de SiNW avec Al₂ O₃ augmenté considérablement jusqu'à 65 s (Fig. 4). Depuis que les liens pendants ont été modifiés par l'Al₂ O₃ , la densité des défauts a diminué. Améliorer en outre la durée de vie des porteurs minoritaires de SiNW/Al₂ O₃ , un recuit dans le gaz de formation (FG) a été effectué et la durée de vie du support a été améliorée à 157 µs. Lorsque la durée de vie du support de Si wafer/Al₂ O₃ en fonction de la densité de porteurs a été considérée, la tendance de celle avec et sans recuit est différente. Dans la région de faible densité de porteurs, la durée de vie des porteurs augmente de la charge fixe négative. D'autre part, la durée de vie des porteurs minoritaires sans recuit a diminué en raison de la prédominance de la recombinaison Shockley-Read-Hall. Étant donné que la charge fixe négative influence la formation de la bande de flexion à l'interface entre Al₂ O₃ et surface Si, la recombinaison à la surface Si peut être réduite [25]. Nous pouvons obtenir des informations sur l'existence d'une charge fixe négative par tendance de la durée de vie des porteurs en fonction de la densité des porteurs. Par conséquent, nous avons trouvé que SiNW/Al₂ O₃ après recuit a été amélioré par la charge fixe négative. Bien que les SiNW aient été entièrement couverts par Al₂ O₃ , les porteurs ne se sont pas déplacés vers le circuit externe. Ainsi, pour fabriquer la structure de la cellule solaire, l'Al₂ O₃ présent sur le dessus des SiNWs doit être enlevé à l'aide d'une pâte à graver et en appliquant la technique CMP.

un La durée de vie des porteurs minoritaires de la plaquette Si/Al₂ O₃ en fonction de l'Al₂ O₃ épaisseur du film. b La durée de vie des porteurs minoritaires de chaque échantillon en fonction de la densité des porteurs minoritaires

Vues de dessus des images SEM des SiNW a sans et b avec Al₂ O₃

Dans un premier temps, une pâte à graver a été utilisée pour éliminer l'Al₂ O₃ du haut du tableau SiNW. Après gravure, la structure de cellule solaire à hétérojonction a été fabriquée en formant un système n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si. La figure 5a montre le I-V caractéristiques de la cellule solaire SiNW et paramètre de la cellule solaire, résistance série (R _s ), résistance shunt (R _ch ), le facteur d'idéalité et les rapports de rectification (RR). RR est défini comme I _F /Je _R , où Je _F (à 0.5 V) et I _R (à − 0 .5 V) désignent respectivement le courant en polarisation directe et inverse. L'effet photovoltaïque a été observé pour la cellule solaire SiNW contenant de l'Al₂ O₃ , et le résultat montre la suppression de Al₂ O₃ du haut des SiNW. Cependant, le rendement est faible (0,14 %) en raison du faible courant de court-circuit (I _sc ) et la tension en circuit ouvert (V _oc ) valeurs. Dans le cas de V _oc , les durées de vie des porteurs de SiNW avec Al₂ O₃ diminué à 9 μs après l'utilisation de la pâte à graver. La figure 5b montre une vue de dessus à fort grossissement de l'image SEM d'un réseau SiNW avec Al₂ O₃ après gravure. La zone dans laquelle les SiNW sont exposés est petite et le nombre de supports pouvant être retirés a diminué. La figure 5c montre la vue de dessus à faible grossissement de l'image SEM. Étant donné que la gravure se déroule de manière non uniforme et que la forme avant la gravure était déjà non uniforme, la non-uniformité de Al₂ O₃ augmente après la gravure. Nous avons constaté qu'il est difficile de supprimer l'Al₂ O₃ uniformément en utilisant la pâte à graver, mais pour améliorer le I _sc de cellules solaires SiNW, une gravure uniforme est requise.

un I–V caractéristiques d'une cellule solaire SiNW avec Al₂ O₃ enlevé à l'aide d'une pâte à graver. b Vue de dessus à fort grossissement de l'image SEM de SiNW avec Al₂ O₃ après avoir utilisé une pâte à graver. c Vue de dessus à faible grossissement de l'image SEM de SiNW avec Al₂ O₃ après avoir utilisé une pâte à graver

La CMP a été réalisée pour graver uniformément l'Al₂ O₃ déposés sur les SiNWs. La figure 6a et b montre l'image SEM vue de dessus des SiNW avec Al₂ O₃ après CMP. Premièrement, le réseau SiNW ne s'est pas rompu après CMP, indiquant que la résistance mécanique du réseau SiNW avec Al₂ O₃ est amélioré en intégrant l'espace entre les SiNW. Étant donné que CMP peut graver uniformément Al₂ O₃ , le sommet du SiNW/Al₂ O₃ le film est devenu plat.

un Vue de dessus à faible grossissement de l'image SEM de SiNW avec Al₂ O₃ après CMP. b Vue de dessus à fort grossissement de l'image SEM de SiNW avec Al₂ O₃ après CMP. c Vue en coupe de l'image SEM de SiNWs avec Al₂ O₃ après CMP

Après CMP, la structure de cellule solaire à hétérojonction a été fabriquée en formant un n-a-Si/i-a-Si/p-SiNW/i-a-Si/n-a-Si en utilisant un système PECVD. La figure 7 montre le I-V caractéristiques des cellules solaires SiNW avec des épaisseurs de gravure de 0, 5 et 10 μm et le paramètre de cellule solaire, R _s , R _ch , le facteur d'idéalité et le RR sont répertoriés dans le tableau 2. Pour une épaisseur de gravure de 0  μm (lorsque le sommet des SiNW a été observé, la gravure a été arrêtée), l'effet photovoltaïque a été confirmé, avec un rendement de conversion de 0,8 %. Je _sc de 6.11 mA/cm ² a été observé. Bien que le Je _sc valeur augmentée par rapport aux résultats obtenus pour la pâte à graver, c'est encore une valeur faible. Le sommet des réseaux SiNW a été agrégé par tension superficielle sur la figure 4a. Comme une partie des SiNW n'avait pas de contact avec la couche a-Si, les porteurs se sont déplacés avec difficulté vers le circuit externe. Pour améliorer la zone de contact, l'épaisseur de gravure a été augmentée à 5 μm, et le I _sc augmenté à 10,3 mA/cm ² . A une épaisseur de gravure de 10 μm, le I _sc amélioré à 14,0  mA/cm ² . Au fur et à mesure que les réseaux SiNW agrégés ont été supprimés, la zone de contact entre SiNW et a-Si a augmenté. En revanche, un V extrêmement faible _oc de 0,3 µV a été obtenu. Les porteurs minoritaires ont été mesurés après CMP, et la durée de vie des porteurs minoritaires a considérablement diminué de 157 à 19 μs en raison de la qualité de passivation de l'Al₂ O₃ dépôt diminué de CMP. Étant donné que la durée de vie des porteurs minoritaires dans la région de faible densité de porteurs minoritaires a diminué après CMP, la charge fixe négative a diminué. Le centre de recombinaison sur la surface SiNW a augmenté conduisant à un faible V _oc . De plus, dans le cas des fils, la mobilité des porteurs est abaissée, du fait de la diffusion des porteurs sur la surface, et la conductivité est abaissée. Bien que ces résultats aient indiqué que la charge fixe négative pourrait être réduite par le CMP, le mécanisme n'est toujours pas clair. En revanche, lorsque le R _s , R _ch , le facteur d'idéalité et le RR de la pâte de gravure et le résultat du CMP ont été comparés, chaque paramètre de la pâte de gravure est meilleur que celui du CMP. Depuis R _s de CMP est supérieur à celui de la pâte à graver et R _ch de CMP est inférieur à celui de la pâte de gravure, la contamination pourrait rester sur le dessus du SiNW, ce qui empêcherait un bon contact entre le SiNW et l'a-Si. Par conséquent, une étude plus approfondie est nécessaire pour étudier l'amélioration de la qualité de passivation pour améliorer le V _oc et Je _sc de cellules solaires.

un I–V caractéristiques des cellules solaires SiNW avec Al₂ O₃ supprimé par CMP

L'efficacité quantique de cellules solaires SiNW et c-Si de 10 µm de long a été comparée. Dans le cas de l'efficacité quantique externe (EQE), l'intensité de la cellule solaire SiNW est principalement inférieure à celle de la cellule solaire c-Si de la figure 8a. Cependant, l'EQE de la cellule solaire SiNW a été améliorée dans la région de 300 à 500  nm. La figure 8b montre la réflectance des cellules solaires SiNWs et c-Si, et on peut observer que la réflectance du dispositif SiNWs est inférieure à celle de la c-Si, en particulier dans la région des courtes longueurs d'onde (de 300 à 500 nm ) où il est considérablement diminué. Bien que la réflectance de la cellule solaire SiNW soit inférieure à celle de la cellule solaire c-Si, l'EQE du dispositif SiNW dans d'autres régions est inférieure à celle de la cellule solaire c-Si. Étant donné que la région de longue longueur d'onde de la lumière a été absorbée dans le fond des SiNW, l'EQE de la cellule solaire SINW a diminué. Les rendements quantiques internes (IQE) des cellules solaires SiNW et c-Si ont été discutés pour éliminer l'influence de la réflectance. La région de longueur d'onde dans laquelle l'IQE de la cellule solaire SiNW est supérieur à celui de la cellule solaire c-Si a diminué. Dans la région de longueur d'onde inférieure à 340  nm, l'IQE du dispositif SiNW est supérieur à celui de la cellule solaire c-Si, ce qui entraîne une augmentation de l'absorption des SiNW. L'augmentation de l'absorption est causée par un effet de piégeage de la lumière plutôt que par l'effet de cavité optique. [26, 27] Afin d'obtenir l'effet de cavité optique en utilisant SiNW, le diamètre et la position de SiNW doivent être contrôlés. Le diamètre et la position du SiNW fabriqué par MAE étant aléatoires, il est difficile d'obtenir l'effet de cavité optique en utilisant le SiNW. D'un autre côté, la structure aléatoire du SiNW peut avoir un fort effet de piégeage de la lumière, suggérant que les SiNW fabriqués par MAE sont prometteurs pour l'amincissement du silicium cristallin.

un EQE et IQE d'une cellule solaire SiNW et d'une cellule solaire de référence. b Réflectance d'une cellule solaire SiNW et d'une cellule solaire de référence

Conclusion

La passivation de surface des SiNW est cruciale pour leur application dans les dispositifs à cellules solaires. Al₂ O₃ a été fabriqué par ALD pour passiver les liaisons pendantes. Comme ALD peut déposer Al₂ O₃ sur l'ensemble des SiNW, la porteuse ne peut pas se déplacer vers le circuit externe. Dans cette étude, une pâte à graver et la technique CMP ont été appliquées pour graver Al₂ O₃ du haut des SiNW. Avec la pâte de gravure, des cellules solaires SiNW avec une efficacité de 0,14% ont été obtenues avec succès. Cependant, étant donné que le réseau SiNW était agrégé par tension superficielle, la zone de contact entre les SiNW et l'a-Si était petite, entraînant un faible I _sc . Pour améliorer encore l'efficacité, l'épaisseur de gravure a été augmentée et l'efficacité a pu être améliorée à 1,6% en augmentant I _sc . Dans le cas de l'EQE, l'intensité de la cellule solaire SiNW est inférieure à celle de la cellule solaire c-Si. Étant donné que la réflectance dans la région des courtes longueurs d'onde de 300 à 500  nm est considérablement réduite, l'EQE a été améliorée. Les IQE des cellules solaires SiNW et c-Si ont été discutés pour éliminer l'influence de la réflectance. Dans la région de longueur d'onde inférieure à 340  nm, l'IQE du dispositif SiNW est supérieur à celui de la cellule solaire c-Si, ce qui entraîne une augmentation de l'absorption des SiNW, suggérant que les SiNW sont prometteurs pour l'amincissement du silicium cristallin.

Abréviations

Al₂ O₃ :

Oxyde d'aluminium

CMP :

Polissage chimico-mécanique

EQE :

Efficacité quantique externe

Je _F :

Le courant à la polarisation directe

IQE :

Efficacité quantique interne

Je _R :

Le courant en polarisation inverse

Je _sc :

Courant de court-circuit

I-V :

Courant-tension

RR :

Taux de rectification

R _s :

Résistance série

R _ch :

Résistance shunt

SiNW :

Nanofil de silicium

V _oc :

Tension en circuit ouvert