Réseaux de nanofils de silicium à grande échelle sur cellules solaires mono- et multi-cristallines 6 pouces via MacEtch amélioré

Résumé

Nous démontrons une technique de gravure chimique assistée par métal (MacEtch) traitée en solution, scalable, qui produit des réseaux uniformes de nanofils de silicium (SiNW) sur des tranches mono- et multi-cristallines de 6 pouces. Les SiNW, longs de 470 nm et denses de 3,02 × 10¹¹ cm⁻², fournissent un effet anti-réfléchissant à large bande avec <6 % de réflectance de 300 à 1100 nm. L'uniformité sur la tranche est excellente — variation de réflectance centre-bord <22 %. Malgré une réduction modeste de la durée de vie effective des porteurs minoritaires due à l'augmentation de la surface, les cellules Al-BSF multi-cristallines texturées SiNW atteignent un rendement moyen de 17,83 %, surpassant les homologues texturés à l'acide conventionnels. Le procédé à faible coût, à température ambiante et à haut débit rend cette approche prête pour le déploiement photovoltaïque commercial.

Introduction

Les nanostructures de silicium offrent un piégeage de lumière et un anti-réflexion supérieurs au silicium planaire, permettant des rendements de cellules solaires plus élevés sans revêtements antireflets coûteux. La gravure chimique assistée par métal (MacEtch) fournit une voie rentable, à température ambiante, pour fabriquer de telles nanostructures, pourtant la production uniforme à grande surface est restée limitée. Cette étude comble cet écart en raffinant le MacEtch pour des tranches de 6 pouces et en validant les réseaux SiNW résultants dans des cellules solaires Al-BSF à échelle industrielle.

Méthodes expérimentales

Mécanisme MacEtch

Dans une solution AgNO₃/HF, Ag⁺ oxyde le Si en SiO₂, tandis que l'Ag réduit se dépose sur la surface. HF élimine l'oxyde, laissant les régions protégées par l'Ag s'attaquer anisotropiquement pour former des SiNW. Le processus est hautement contrôlable via la concentration d'oxydant et le motif de dépôt métallique.

Fabrication de SiNW sur tranches 6 pouces

Des tranches mono-cristallines (100) et multi-cristallines de type p (180 µm d'épaisseur, 0,5-3 Ω·cm) ont été nettoyées, puis immergées dans 23 mM AgNO₃/6,4 M HF pendant 3 min 19 s à température ambiante. Deux protocoles de gravure ont été comparés : (1) immersion traditionnelle en lot unique, et (2) une méthode modifiée à base de porte-échantillon assurant l'exposition simultanée de toute la tranche à l'attaquant, produisant des SiNW uniformes.

Fabrication de cellules solaires Al-BSF

Après texturation SiNW, les tranches ont subi une diffusion POCl₃ (850 °C, 30 min) pour former un émetteur N⁺ (résistance de feuille ≈75 Ω/□), suivi d'une attaque HF pour éliminer le PSG. Une couche anti-réflexion SiNx:H de 70 nm a été déposée par PECVD, et une impression sérigraphique standard de pâte Ag (face avant) et Al (face arrière) a été réalisée. Deux jeux de dispositifs — texturés SiNW et références texturés à l'acide — ont été fabriqués et testés sous illumination AM 1.5G.

Résultats et discussion

Réseaux SiNW uniformes sur tranches 6 pouces

La méthode 2 a produit des réseaux SiNW avec une excellente uniformité : les coupes MEB montrent 470 nm de longueur et haute densité sur toute la tranche. La méthode 1 a exhibé une non-uniformité prononcée bord-centre due à la concentration différentielle d'Ag⁺ pendant l'immersion.

Morphologie de surface

Les figures (omises) illustrent la transition des surfaces pyramidales ou brutes vers des réseaux denses de SiNW. Les tranches multi-cristallines révèlent une croissance SiNW dépendante de l'orientation (<100>, <110>, <111>), affectant la coloration optique et la réflectance.

Réflectance optique

La réflectance mesurée des tranches mono-cristallines SiNW reste <6 % sur 400-1000 nm, avec un minimum de 3 % à 500 nm. La variation de réflectance sur la tranche est <22 %. Les tranches multi-cristallines présentent <10 % de réflectance (minimum 4 % à 400 nm). L'uniformité est préservée entre substrats 1,5 × 1,5 cm et 6 pouces (différence <1 %).

Durée de vie des porteurs minoritaires

La durée de vie effective des porteurs minoritaires diminue de 2,55 µs à 2,11 µs (mono-cristallin) et de 1,51 µs à 1,37 µs (multi-cristallin) après formation des SiNW, attribuable à l'augmentation de la vitesse de recombinaison de surface (S_eff). Malgré cela, la performance du dispositif s'améliore grâce à la réduction de la réflectance.

Performance du dispositif

Les cellules Al-BSF texturées SiNW délivrent un rendement moyen de 17,83 % versus 17,23 % pour les contrôles texturés à l'acide — un gain absolu de 0,6 %. La densité de courant de court-circuit augmente de 1,2 %, la tension de circuit ouvert de 1,35 %, et le facteur de forme s'améliore, probablement grâce au piégeage de lumière amélioré et à la plus grande surface de contact d'électrode.

Conclusions

Le processus MacEtch amélioré produit de façon fiable des réseaux SiNW uniformes à faible réflectance sur tranches mono- et multi-cristallines de 6 pouces. Les cellules Al-BSF résultantes atteignent >17,8 % de rendement, confirmant la viabilité commerciale de la technique. Son faible coût, sa simplicité et sa scalabilité la positionnent comme un candidat fort pour la fabrication photovoltaïque de prochaine génération.