Amélioration de l'efficacité des cellules PERC en minimisant les pièges d'interface par un traitement hydrogène haute densité

Résumé

Dans ce travail, un traitement hydrogène haute densité (HDH) est proposé pour réduire les pièges d'interface et améliorer l'efficacité des dispositifs à contact arrière passivé (PERC). Le gaz hydrogène est comprimé à une pression d'environ 70 atm et à une température relativement basse (~ 200 °C) afin de réduire les pièges d'interface sans modifier aucune autre étape du processus de fabrication original du dispositif. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) a confirmé le renforcement des liaisons Si–H, et la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) a confirmé la réduction des pièges d'interface SiN/Si après le traitement HDH. De plus, des mesures électriques de conductance-tension ont été effectuées et analysées pour vérifier la densité de pièges d'interface (Dit). Par ailleurs, la densité de courant de court-circuit (Jsc), la résistance série (Rs) et le facteur de forme (F.F.) ont été analysés sous une source lumineuse simulée de 1 kW m⁻² spectre global AM1.5 pour confirmer l'augmentation de l'efficacité de la cellule. L'efficacité quantique externe (EQE) a également été mesurée pour confirmer l'amélioration de l'efficacité de conversion entre différentes longueurs d'onde. Enfin, un modèle est proposé pour expliquer les résultats expérimentaux avant et après le traitement.

Introduction

Les cellules solaires constituent l'une des nombreuses énergies renouvelables dans le monde et sont considérées comme les plus aptes à remplacer l'énergie pétrochimique traditionnelle. Il existe plusieurs types de cellules solaires basés sur différents systèmes de matériaux, tels que le silicium [1,2,3], la pérovskite [4, 5] ou les composés III–V [6, 7]. Parmi eux, la cellule solaire à base de silicium est couramment utilisée pour son faible coût, sa grande stabilité et son excellent rendement pouvant atteindre 26 % [8,9,10]. Le dispositif à contact arrière passivé (PERC) est considéré comme l'un des dispositifs potentiels pour remplacer les cellules solaires à champ arrière (BSF) [11, 12]. En 1983, le Pr. Martin Green a proposé pour la première fois une cellule PERC à l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW), dont le concept consistait à combiner l'émetteur et la couche de passivation arrière pour réduire les défauts d'interface et augmenter l'efficacité de la cellule. Bien que la couche de passivation de l'émetteur et de l'arrière PERC puisse passiver les défauts d'interface, la qualité du film de l'émetteur ou de la couche antireflet (ARC) affecte l'interface [13,14,15].

Selon des travaux antérieurs, outre l'amélioration de la qualité des couches minces pour réduire les pièges d'interface, le traitement de recuit post-déposition est une autre méthode pour diminuer les défauts [16,17,18]. Un traitement postérieur consistant en un recuit sous gaz formateur (azote 95 % et hydrogène 5 %) à 400 °C est utilisé pour réduire les pièges d'interface avec l'hydrogène et améliorer l'efficacité de la cellule. Malheureusement, un tel traitement nécessite une réaction à environ 400 °C, une température trop élevée pour des cellules solaires telles que les hétérojonctions à couche mince intrinsèque (HIT) qui sont fabriquées à des températures inférieures à 200 °C.

Dans ce travail, nous proposons un traitement hydrogène haute densité (HDH) adapté pour réduire les pièges d'interface entre la couche de passivation de l'émetteur et la couche de Si de type n sans avoir à modifier aucun élément additionnel de la fabrication du dispositif. Similaire aux recherches précédentes, le traitement HDH est utilisé pour passiver les défauts à l'aide d'ions hydrogène. Les résultats expérimentaux suggèrent un renforcement de la liaison Si–H après le traitement HDH, selon les mesures de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et de spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS). De plus, des mesures électriques incluant la conductance, la densité de courant de court-circuit (Jsc), la résistance série (Rs) et le facteur de forme (F.F.) sont extraites pour confirmer la réduction de la densité d'états (Dit) et l'augmentation de l'efficacité de la cellule. Enfin, nous proposons également un modèle pour illustrer davantage les effets du traitement HDH sur la cellule solaire PERC.

Méthodes expérimentales

Fabrication de la cellule solaire PERC

Le processus de fabrication PERC est illustré ci-dessous. Du silicium de type Czochralski p-type est utilisé comme substrat avec une épaisseur d'environ 150 µm. Une solution de KOH est utilisée pour graver la surface du substrat Si et former une morphologie de pyramides texturées. Afin de former la jonction p-n, du POCl₃ est utilisé pour diffuser dans la surface du substrat Si et former la couche de type n. Ensuite, la couche de passivation SiN de l'émetteur est déposée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) comme couche antireflet (ARC). Après le dépôt de la couche ARC, une solution HF est utilisée pour éliminer la couche de type n du côté arrière. Ensuite, une couche d'Al₂O₃ est déposée comme couche de passivation arrière avec une épaisseur de 25 nm par dépôt par couches atomiques (ALD). Une couche de SiN de 95 nm d'épaisseur est ensuite déposée par CVD. Une fois le processus de passivation arrière terminé, une ablation laser est appliquée pour creuser des rainures en préparation du processus de sérigraphie de l'électrode supérieure en argent (Ag) sur la couche ARC, tandis que l'aluminium (Al) est utilisé pour l'électrode inférieure. Finalement, le dispositif est chauffé dans un processus de cuisson afin d'assurer un bon contact entre le métal et le semi-conducteur. La structure du dispositif PERC est montrée à la Fig. 1.

Traitement HDH

Le traitement HDH est ensuite appliqué au dispositif PERC. Le processus de traitement HDH est représenté à la Fig. 2. Le gaz hydrogène est utilisé comme source de traitement et est pompé dans la chambre de réaction contenant le dispositif PERC. Ensuite, le gaz est compressé à 70 atm et la température de réaction est fixée à 200 °C pendant 1 h. Le gaz est ensuite évacué pour terminer le traitement HDH.

Caractérisation des matériaux

Un spectromètre FTIR Bruker VERTEX 70v est utilisé pour analyser les liaisons Si–H avant et après le traitement, et un ION-TOF, TOF-SIMS V est utilisé pour analyser le rapport d'hydrogène à l'interface SiN/Si.

Caractérisation électrique

Les caractéristiques I-V et G-V sont mesurées avec un analyseur de semi-conducteurs Agilent B1500 et une station de sondes Cascade M150 dans une boîte noire, tant en conditions claires que sombres. Les paramètres d'efficacité (Jsc, Rs et facteur de forme) sont extraits sous une source lumineuse simulée de 1 kW m⁻² spectre global AM1.5 à 25 °C. Un système QEX10 d'efficacité quantique externe (EQE) pour cellules solaires est utilisé pour analyser l'efficacité de 300 à 1200 nm.

Résultats et discussion

La couche de passivation SiN de l'émetteur avec et sans traitement HDH est examinée par analyse FTIR. Comme le montre la Fig. 3, le SiN avec et sans traitement HDH présentent tous deux une liaison d'étirement N–H à 3350 cm⁻¹ et une liaison d'étirement Si–H à 2165 cm⁻¹ [19,20,21]. Cependant, les rapports d'intensité des pics d'absorption des liaisons N–H et Si–H sont tous deux renforcés après le traitement, ce qui implique que l'hydrogène est injecté dans la couche SiN.

Afin de confirmer que le traitement HDH réduit les pièges d'interface SiN/Si, la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS) est utilisée pour confirmer la distribution de l'hydrogène [22, 23]. Sur la Fig. 4, comme la couche SiN est déposée par CVD, l'intensité d'hydrogène dans cette couche SiN est plus élevée que dans le Si. Après le traitement, bien que l'intensité d'hydrogène n'augmente pas de manière évidente dans le volume, elle est clairement renforcée à l'interface SiN/Si, ce qui indique que le traitement HDH réagit à l'interface SiN/Si.

Pour confirmer davantage la différence de Dit entre la couche SiN de l'émetteur et le substrat p-Si après traitement HDH sur la Fig. 5, une structure métal-isolant-semiconducteur (MIS) Al/SiN/p-Si/Al est fabriquée. Comme l'interface SiN/p-Si présente une grande quantité de défauts, le résultat G-V peut être appliqué pour extraire la densité de pièges d'interface (Dit) [24]. L'équation de conductance est donnée par :

$$ \frac{Gp}{\omega }=\frac{D_{it}\omega {\tau}_{it}}{1+{\omega}^2{\tau}_{it}^2} $$ (1)

où ω est la fréquence angulaire, τ la durée de vie des porteurs, et Gp la conductance dépendante de la fréquence. Pour simplifier l'équation 1, le Dit est lié à la conductance, et le pic de conductance est réduit après le traitement, ce qui suggère que le traitement HDH peut réduire les pièges d'interface du PERC.

Ensuite, des mesures électriques sont effectuées sur le dispositif de cellule PERC en conditions claires et sombres. Le biais du dispositif est appliqué à l'électrode inférieure en Al, tandis que l'électrode supérieure est mise à la masse. La plage de balayage de la tension va de −1 à 0,75 V. La Fig. 6 montre la caractéristique I-V en conditions sombres. La fuite de courant est réduite de manière significative après le traitement HDH, avec un rapport de diminution d'environ 0,5 ordre. De plus, du côté droit de la caractéristique I-V, la bosse du courant passant est réduite après le traitement. Nous extrayons également la courbe I-V et la convertissons en facteur d'idéalité suivant l'équation du courant de diode :

$$ I={I}_s\left[\mathit{\exp}\left(\frac{qV}{nkT}\right)-1\right] $$ (2)

où I_s est le courant de saturation, q la charge électronique, V la tension appliquée, n le facteur d'idéalité, k la constante de Boltzmann, et T la température absolue. L'équation 2 peut être simplifiée ; lorsque la valeur n est proche de 1, le courant passant est proche du courant de diffusion. Lorsque la valeur n est proche de 2, cela signifie que le courant passant est proche du courant de recombinaison [25]. Après le traitement, la pente du courant passant passe de 1,5 à 1,42, ce qui signifie que le courant passant se rapproche du courant de diffusion après traitement en raison de la diminution du nombre de défauts.

Pour examiner davantage les caractéristiques électriques, les paramètres d'efficacité (Jsc, Rs et facteur de forme) sont extraits sous une source lumineuse simulée de 1 kW m⁻² spectre global AM1.5 à 25 °C. Après le traitement HDH, l'efficacité moyenne passe de 17,3 % à 18,2 %, comme le montre la Fig. 7a. Le Jsc augmente également de 37,6 à 38,2 mA, comme le montre la Fig. 7b. De plus, la Rs a été réduite de 0,712 à 0,487 après traitement, comme sur la Fig. 7c. Quant au facteur de forme, il augmente de 70,5 à 73,3, comme le montre la Fig. 7d.

Afin de confirmer l'efficacité de conversion à différentes gammes de longueurs d'onde, l'efficacité quantique externe (EQE) est utilisée pour analyser les longueurs d'onde de 300 à 1200 nm [26, 27]. Comme le montre la Fig. 8, l'efficacité quantique avant traitement HDH a une EQE moyenne de 94 % entre 400 et 600 nm. Cependant, après le traitement HDH, on obtient un résultat EQE encore plus élevé. Les résultats montrent une augmentation à 97 % entre 400 et 600 nm, induite par la suppression des pièges d'interface de l'émetteur SiN/Si.

Enfin, nous proposons un modèle pour expliquer les effets du HDH sur le dispositif PERC. La structure de l'émetteur PERC Ag/SiN/n-type Si et sa relation avec la structure de pièges d'interface SiN/Si sont démontrées à la Fig. 9. Lorsque le couple électron-trou est généré dans la jonction p-n, induit par la lumière, l'électron se déplace vers l'électrode supérieure Ag. S'il y a des pièges d'interface à l'interface SiN/Si, ils assisteront la recombinaison des électrons avec les trous. Pour réduire les pièges d'interface, le traitement HDH est appliqué au dispositif PERC, avec un gaz haute pression utilisé pour injecter l'hydrogène dans le dispositif et réagir avec l'interface. Après le traitement, l'hydrogène se lie aux liaisons pendantes à l'interface SiN/Si et les pièges d'interface sont réduits. Par conséquent, la recombinaison diminue, ce qui réduit la fuite de courant et améliore le Jsc et l'efficacité de la cellule.

Conclusion

Dans cette étude, le traitement HDH est proposé avec succès pour réduire les pièges d'interface et améliorer l'efficacité du dispositif. Le spectre FTIR montre que la liaison Si–H est renforcée et que le pic conductance-tension diminue après le traitement. Par conséquent, la réduction du nombre de pièges d'interface entraîne une réduction de la fuite de courant, et la valeur du facteur d'idéalité diminue également. De plus, l'efficacité est améliorée après le traitement, et le Jsc, la Rs et le facteur de forme sont augmentés. Enfin, le résultat EQE démontre une amélioration des courtes longueurs d'onde, ce qui témoigne d'une réduction des pièges d'interface de l'émetteur.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont disponibles auprès des auteurs sur demande raisonnable.

Abréviations

HDH :

Traitement hydrogène haute densité

PERC :

Cellule à contact arrière passivé

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

SIMS :

Spectrométrie de masse d'ions secondaires

Dit :

Densité de pièges d'interface

Jsc :

Densité de courant de court-circuit

Rs :

Résistance série

F.F. :

Facteur de forme

EQE :

Efficacité quantique externe

BSF :

Champ arrière

UNSW :

Université de Nouvelle-Galles du Sud

ARC :

Couche antireflet

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

ALD :

Dépôt par couches atomiques

MIS :

Structure métal-isolant-semiconducteur