Cellules silicium ultra-haute efficacité avec passivation pyramides inversées : percée photovoltaïque

Résumé

La texturation de surface est l'une des techniques les plus importantes pour améliorer la performance des dispositifs photovoltaïques (PV). La pyramide inversée (PI), texture de face avant attrayante, suscite un vif intérêt grâce à son effet antireflet supérieur et ses caractéristiques structurelles. Nous préparons des structures de pyramides inversées (PI) en silicium (Si) à haute uniformité sur wafer monocristallin commercial 156 × 156 mm² par gravure chimique assistée par métal (MACE) et gravure anisotrope alcaline. En combinant les textures PI avant avec la passivation arrière Al₂O₃/SiN_x, nous fabriquons une nouvelle cellule PERC (passivated emitter and rear cell) à base de PI Si. Grâce à la supériorité optique des PI optimisées et à l'amélioration de la performance électrique, nous atteignons un rendement élevé de 21,4 % pour la PERC Si PI, comparable au rendement moyen des cellules PERC commerciales. L'optimisation de la morphologie des PI est la clé de l'amélioration du courant de court-circuit I_sc de 9,51 A à 9,63 A ; la passivation simultanée par empilement SiO₂/SiN_x pour l'émetteur n⁺ Si PI et Al₂O₃/SiN_x pour la face arrière garantit une tension de circuit ouvert V_oc élevée de 0,677 V. Cette réalisation démontre une technique de texturation compétitive et une perspective prometteuse pour la production en série de PERC Si PI.

Introduction

L'amélioration du rendement est le thème éternel de l'industrie des cellules solaires, axée sur deux aspects : performance optique et électrique. La texturation de face avant est cruciale pour l'optique. La pyramide inversée (PI), structure piège-lumière attrayante, attire l'attention pour son antireflet supérieur et ses caractéristiques structurelles [1-7]. La lumière incidente à courte longueur d'onde dans le Si PI subit trois rebonds ou plus avant réflexion, soit un ou deux de plus que dans les pyramides droites traditionnelles [7-9]. Par ailleurs, le Si structuré en PI évite les pertes de recombinaison sévères du Si noir nanostructuré [10-16] grâce à sa structure grande et ouverte.

En utilisant des textures PI par lithographie en face avant et passivation SiO₂ arrière, le groupe Green [17] a fabriqué une cellule PERL (passivated emitter and rear local-diffused) 25,0 % efficace sur 4 cm². Mais la lithographie n'est pas adaptée à la production de masse (coût, faible capacité, incompatibilité). Récemment, l'intérêt se porte sur les pyramides inversées grande surface par MACE, technique simple, peu coûteuse, grande surface, compatible avec les lignes de production actuelles [14,18-21]. Jiang et al. [7] : nanostructures PI par MACE + traitement post-reconstruction, rendement 18,62 % sur mc-Si 156 × 156 mm². Yang et al. [8] : NP Cu pour catalyser gravure Si, 18,87 % sur grande surface. Zhang et al. [9] : cellule sc-Si PI par texturation alcaline modulée + MACE optimisé, 20,19 % pour PI 1 μm grande surface. Jusqu'ici, les performances des cellules Si PI grande surface restent insatisfaisantes : uniformité morphologie PI, contrôle taille PI, passivation du dispositif. L'optimisation des textures PI avant couplée à la passivation arrière devrait améliorer davantage la performance.

Nous avons fabriqué avec succès des PERC Si PI à 21,4 % de rendement sur wafer standard 156 × 156 mm² en combinant textures PI MACE optimisées en face avant avec passivation simultanée par empilement SiO₂/SiN_x pour l'émetteur n⁺ Si PI et Al₂O₃/SiN_x pour la face arrière. La clé : supériorité optique des textures PI et pertes électriques réduites par passivation simultanée émetteur n⁺ PI et face arrière. Cette nouvelle structure et technique Si PI PERC montrent un grand potentiel pour la production en série de cellules solaires silicium haute efficacité.

Méthodes

Structure dispositif PERC Si PI (Fig. 1a) : (i) Émetteur n⁺ Si PI passivé par empilement SiO₂/SiN_x (PECVD). Structures PI : bon antireflet courte longueur d'onde (3+ rebonds) ; empilement SiO₂/SiN_x : réflectance encore réduite + excellente passivation émetteur n⁺ PI. (ii) Réflecteur arrière : empilement Al₂O₃ (ALD)/SiN_x (PECVD) + Al sérigraphié. Couches diélectriques empilées optimisent propriétés optiques longue longueur d'onde (réflexion interne arrière accrue) tout en maintenant bonne passivation électrique : passivation effet de champ par charges fixes négatives Al₂O₃ + passivation chimique atomes H dans SiN_x. Optique et électricité considérées simultanément pour haute performance PERC Si PI.

Substrats : wafers c-Si 180 μm, 156×156 mm, orientation (100), dopés bore (1-3 Ω·cm) type p. Après nettoyage standard, textures PI préparées : (1) Immersion wafers Si dans AgNO₃ (0,0001 M)/HF (4 M)/H₂O₂ (1 M) 300 s → Si poreux. (2) Gravure NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 1:1:6 (volume) 200 s → élimination résidus NP Ag. (3) Modification HNO₃:H₂O:HF = 4:2:1 (volume) → nanorégions. (4) Textures PI par gravure anisotrope NaOH 60 °C 30, 60, 90 s.

Diffusion POCl₃ 40 min à 800 °C four tube quartz → émetteur n⁺ face avant (M5111-4WL/UM, CETC 48e Institut). Résistance de feuillet émetteur n⁺ Si PI : 105-110 Ω/□. Émetteur sélectif par dopage laser (DR-SE-DY70, DR Laser). Après polissage face arrière, passivation SiO₂ par oxydation thermique face avant. Couches Al₂O₃ par ALD (PEALD-156, HUGUANG Beijing) ~30 min à 150 °C. Couches PECVD-SiN_x par réaction NH₄/SiH₄ (SC-TD-450C). Passivation arrière localement ablatée par laser 532 nm, 10 ps (DR-AL-Y60, DR Laser) → ouvertures lignes locales 50 μm largeur, pas 1 mm. Enfin, sérigraphie commerciale (PV1200, DEK) et co-cuisson (CF-Series, Despatch) → contacts ohmiques et BSF locaux.

Caractérisations : morphologies/structures MEB JEOL JSM-6390LA. Durée de vie porteurs minoritaires Sinton WCT-120. Spectres absorption FTIR (Tensor 27, BRUKER). Courbes C-V analyseur d'impédance (E4900A, KEYSIGHT). Photos photoluminescence/électroluminescence système PL/EL (LIS-R2, BTimaging). Spectres réflectance, IQE, EQE plateforme mesure efficacité quantique (QEX10, PV Measurements). Paramètres électriques I-V sous AM1.5 (Crown Tech IVTest Station 2000). Rendement cellule testeur cellule unique BERGER Lichttechnik.

Résultats et discussion

Fig. 2a-e : images MEB vue de face des différentes étapes texturation Si. Fig. 2a : Si poreux 50-80 nm par MACE (AgNO₃/HF/H₂O₂). Fig. 2b : nanorégions diamètre 800 nm après gravure isotrope HF/HNO₃. Fig. 2c-e : micro-pyramides inversées (PI) tailles différentes par NaOH aqueux 60 °C 30, 60, 90 s. Tailles PI : ~1, 1,3, 1,8 μm selon temps alcalin. Taille PI augmente avec temps gravure. PI tendent à s'effondrer et devenir pyramides droites avec temps plus long. PI avantagent piégeage lumière vs droites (1-2 rebonds extra). Structures temps court mieux adaptées textures piégeage lumière PV (avantage antireflet courte longueur d'onde). Fig. 2f : photos comparées structures surfaces.

Propriétés optiques PI Si (Fig. 3). Réflectance 300-1100 nm (Fig. 3a) : Si poreux réflectance faible (excellent piégeage lumière nanostructures [22-24]). Nanorégions : réflectance augmente sur tout spectre (baisse densité, augmentation taille). Après NaOH 30 s : PI montrent réflectance plus faible 300-1100 nm, surtout 300-500 nm (3-4 rebonds plans (111) PI). Temps alcalin croissant : PI plus grandes, tendent vers pyramides droites → réflectance croissante. Tous échantillons couverts même empilement SiO₂/SiN_x : réflectance chute >10 % (interférence optique empilement + structures). Différences spectres réflexion principalement 300-600 nm (différence taille PI). PI Si couverts SiO₂/SiN_x : meilleur antireflet courte longueur d'onde → excellentes EQE courte longueur d'onde.

Réflectance solaire moyenne R_ave (Fig. 3b) calculée sur 300-1100 nm : R_ave = ∫R(λ)S(λ)dλ / ∫S(λ)dλ (équation 1), R(λ) réflectance mesurée, S(λ) distribution spectrale photonique AM1.5. R_ave : Si poreux 8,22 %, nanorégions 17,96 %, PI 15,18 % (30 s)/17,35 % (60 s)/20,3 % (90 s), PI+SiO₂/SiN_x 3,91 % (30 s)/4,48 % (60 s)/5,60 % (90 s). PI meilleur antireflet que nanorégions, tendance décroissante avec taille. PI + SiO₂/SiN_x : R_ave minimum 3,91 % → structure piégeage lumière idéale PV.

Passivation empilement SiO₂ (~2 nm)/SiN_x (~75 nm) émetteur n⁺ Si PI : voie efficace pour performance électrique PERC PI, effet et mécanisme étudiés antérieurement [14]. Pour montrer supériorité électrique empilement Al₂O₃/SiN_x arrière, étude influence recuit et trempe lumière sur durée de vie effective porteurs minoritaires (τ_eff) vs niveau injection (Δn) (Fig. 4a). Wafers Si polis : τ_bulk ~350 μs. Al₂O₃/SiN_x déposés symétriquement deux faces. Épaisseurs Al₂O₃ interne ~3 nm, SiN_x externe ~125 nm. Deux recuits air : 300 °C et 800 °C 15 min. Illumination 25 °C, lampe halogène spectre complet 50 mW/cm² 100 s. Fig. 4a : τ_eff 48 μs (300 °C) et 126 μs (800 °C) post-recuit >> 22 μs (as-deposé) à Δn = 1,2×10¹⁵ cm⁻³.

Important : τ_eff échantillons recuits après 100 s illumination = 230 μs et 150 μs, >> 126 μs et 48 μs avant illumination → passivation surfacique c-Si Al₂O₃/SiN_x nettement améliorée par lumière. Piégeage charges pendant trempe lumière [25-28] = mécanisme principal passivation lumière-améliorée. Al₂O₃ : densité charges fixes négative [29-32] → électrons excédentaires lumière injectés/tunnelisés dans états pièges Al₂O₃ interne → passivation effet de champ accrue. Passivation lumière-améliorée meilleure à 300 °C qu'à 800 °C → trempe lumière à recuit basse température plus efficace pour PV.

FTIR pour effet recuit sur modification surface (Fig. 4b) : liaisons Si-N, Si-O, Si-H, N-H → pics étirement ~840, 1070, 2200, 3340 cm⁻¹. Densités Si-N et Si-O augmentent nettement post-recuit ; densité Si-H augmente légèrement. Augmentation Si-O et Si-H → diminution liaisons pendantes interface Si/SiO₂ → meilleure passivation [33]. Recuit favorise densité Si-N → structure plus dense empêche sortie H vers environnement au lieu de Si bulk. Recuit trop chaud : H des groupes Si-H et N-H s'échappe vers environnement → déclin passivation. FTIR cohérent avec τ_eff.

Pour comprendre différence mécanisme passivation recuit thermique vs trempe lumière, analyse densité charges fixes (N_f) et densité pièges interface (N_it) interface Si/Al₂O₃(SiN_x) par mesures C-V modèle MOS rigoureux. N_f = Q_f/(S·e) = C_OX(V_MS-V_FB)/(S·e) (2), V_FB = V_MS - Q_f/C_OX (3). S = surface électrode métal, e = charge électronique, C_OX = capacitance film diélectrique, V_MS = différence fonction travail métal/Si type p, V_FB = tension bande plate. Méthode Lehovec [34] pour N_it depuis courbe C-V : N_it = (C_OX-C_FB)C_FB / [3(δC/δV)_FBekT_S] - C_OX² / [(C_OX-C_FB)Se²] (4). (δC/δV)_FB = pente près bande plate (valeur absolue). C_FB, e, k = capacitance MOS bande plate, charge électronique, constante Boltzmann.

Fig. 4c : courbe C-V Al₂O₃/SiN_x montre régions accumulation, déplétion, inversion nettes. D'après courbes C-V et équations (2-4), propriétés interface structures MOS préparées (Tableau 1). Densités charges fixes négatives augmentent d'un ordre de grandeur post-recuit ; densités états interface diminuent significativement → recuit améliore passivation chimique et effet de champ. Trempe lumière : N_it stable, charges fixes négatives augmentent davantage. Électrons excédentaires lumière injectés/tunnelisés dans pièges Al₂O₃ interne → trempe lumière renforce passivation effet de champ. Bien que N_it élevé, échantillon 300 °C + 100 s lumière : τ_eff max 230 μs grâce à N_f max -2,87×10¹² cm⁻² → passivation effet de champ prime sur chimique ici.

Fig. 4d : photos photoluminescence/électroluminescence cellules PI 1, 1,3, 1,8 μm même passivation. Luminosité trois groupes même niveau pour PL et EL → trois groupes performance égale passivation défauts. Processus passivation détermine performance électrique, pas taille PI (confirmé par paramètres sortie cellules fabriquées).

Basé sur excellente performance optique/électrique empilements SiO₂/SiN_x face avant émetteur n⁺ Si PI et Al₂O₃/SiN_x face arrière, fabrication PERC Si PI.

Fig. 5a : IQE et réflexions face avant PERC Si PI fabriquées. Groupe 30 s (PI gravure alcaline 30 s) : réflectance la plus faible 300-600 nm (taille PI plus petite). IQE最高 dans cette gamme → EQE最高 (Fig. 5b). Dispositifs : EQE quasi identiques longue longueur d'onde (même réflectance/IQE). Groupe 30 s meilleure performance sortie (confirmé courbes I-V, P-V Fig. 5c). Fig. 5d : dispositif champion η = 21,41 %, V_oc = 0,677 V, I_sc = 9,63 A, FF = 80,30 %. À notre connaissance, rendement最高 parmi cellules solaires MACE-PI. Inset Fig. 5d : photo faces avant/arrière dispositif champion.

Tableau 2 : paramètres détaillés dispositifs. I_sc moyen groupe 30 s (9,63 A) > autres groupes (meilleure capacité antireflet face avant). Différence I_sc détermine principalement performances. FF plus élevé et résistance série R_s plus faible garantissent η plus élevé groupe 30 s. Tous V_oc moyens PERC Si PI entre 674-676 mV → même excellente passivation faces avant/arrière tous groupes. Gain performance optique/électrique → η最高 21,4 % PERC Si PI.

Conclusions

En conclusion, nous optimisons les morphologies des structures PI Si MACE et fabriquons la nouvelle cellule PERC Si PI standard 156 × 156 mm² en combinant textures PI revêtues empilement SiO₂/SiN_x avec passivation arrière empilement Al₂O₃/SiN_x. Propriétés optiques : R_ave textures PI + SiO₂/SiN_x jusqu'à 3,91 % → PI structure piégeage lumière idéale PV. Analyse électrique : face arrière polie passivée Al₂O₃/SiN_x τ_eff 230 μs (recuit + trempe lumière) → passivation c-Si lumière-améliorée Al₂O₃/SiN_x excellente. FTIR explique τ_eff élevés face arrière Al₂O₃/SiN_x. Densité charges fixes N_f -2,87×10¹² cm⁻² (mesures C-V) → forte passivation effet de champ Al₂O₃/SiN_x. Enfin, grâce à excellente performance optique/électrique face avant émetteur n⁺ Si PI et réflecteur arrière, η最高 21,4 %, V_oc 0,677 V, I_sc 9,63 A, FF 80,30 %. Réalisation PERC Si PI haute efficacité → voie effective production en série cellules Si haute efficacité.