後部に黒色シリコン層を備えた結晶シリコン太陽電池の調査

背景

金属または非金属イオンがロードまたはドープされた高度に表面エッチングされたSiは、強力で広帯域の吸収性を示す可能性があります[1,2,3,4,5,6]。このタイプのSi、または黒色Si（b-Si）は、広帯域応答太陽光発電でのその潜在的な用途で大きな注目を集めています[7、8、9]。これまで、b-Si太陽電池の研究は、b-Si層が太陽電池の前面にあるような構成に焦点を合わせてきました[10、11、12、13、14、15、16、17、18、19 ]。この場合、b-Si層でのサブバンドギャップ近赤外（NIR）吸収によって引き起こされる電子正孔対は、PN接合ゾーンから遠く離れており、ビルトインフィールドによって分解されて電荷キャリアになることはできません。サブバンドギャップNIR光起電力応答を不可能にします。次に、b-Si層を後部に配置すると、NIR吸収によって誘発された電子正孔対が後部のSi /酸化物界面場[20]またはそこに組み込まれた場によって分解される可能性があると考えられます。インターデジタルバックコンタクト（IBC）構成が採用されている場合[21]、そのような結晶（c）-Si太陽電池の光起電力（PV）応答をサブバンドギャップNIR範囲まで拡張します。残念ながら、b-Siの比表面積が大きいと、通常、表面の再結合が大きくなり、太陽電池の性能が大幅に低下します[10、15、22]。したがって、c-Si太陽電池のサブバンドギャップNIR応答の研究を開始する前に、b-Siの表面再結合がどれほど大きくなる可能性があるか、およびその影響を最小化または回避する方法を知る必要があります[23]。この作業では、背面にb-Siを備えたc-Si太陽電池のPV応答を研究し、観測の基礎となる物理学を調査しました。

メソッド

資料

P型Si <100>ウェーハ（CZ、両面研磨、10×10×0.2 mm ³ サイズは1〜10Ωcm）を基板として使用しました。 Siウェーハを超音波洗浄した後、希薄なHF（1％）に浸し、NaOH /アルコール/ H ₂ でエッチングしました。 O（0.5 g / 200 ml / 200 ml）溶液、90°Cで15分間、反射防止のために表面をわずかにテクスチャリングしてから、脱イオン水ですすいでください。後部にb-Siを調製するために、ベース圧力が5×10 ^{-未満の自家製真空チャンバー内で抵抗加熱することにより、触媒として見かけの厚さ3nmのAg層をSi基板の片面に蒸着しました。 4} Pa。SiウェーハをHF（40％）に浸漬した後：H ₂ O ₂ （30％）：H ₂ O =1：5：10の溶液を室温で120秒間使用すると、そのSi表面または太陽電池の背面にb-Si層が形成されました。次に、リンペーストをもう一方のSi表面または太陽電池の前面に堆積させた後、窒素中で900°Cで20分間アニーリングして、PN接合を形成しました。厚さ20nmのSiO ₂ 表面パッシベーションのために、層を太陽電池の前面に蒸着しました。裏面パッシベーションの場合、厚さ10nmのAl ₂ O ₃ 層は、原子層堆積（ALD）（Beneq TFS 200）の技術を使用して堆積されました。前面電極として80nmの厚さのITO層を前面に堆積させた。後部電極として抵抗加熱により厚さ2μmのAl層を蒸着した。 c-Si太陽電池の準備を完了するために、425°Cで5分間窒素中で熱アニーリングを行いました。この作業では、PV応答に対する後部のb-Siの影響に焦点を当てたことを指摘しておく必要があります。したがって、前面はわずかにテクスチャリングされており、b-Siを形成するために高度にエッチングされていませんでした。

測定値

反射スペクトルは、ＵＶ－ｖｉｓ－ＮＩＲ分光光度計（島津製作所、ＵＶ－３１０１ＰＣ）を使用して測定された。表面形態は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（フィリップス、ＸＬ３０）で測定された。太陽電池のPVパラメータは、太陽シミュレータ（Oriel / Newport、モデル94023A）を使用して1-SunAM1.5G条件下で取得されました。太陽電池の外部量子効率（EQE）は、Oriel / NewportのQEシステムで取得されました。透過型電子顕微鏡（TEM）測定は、JEOLEM-3000システムで実行されました。表面発光フォトルミネッセンス（PL）スペクトルは、励起源として325 nm He-Cdレーザー（Melles Griot、モデルシリーズ74）を使用して、分光光度計（Ocean Optics USB2000）によって記録されました。 p型Siおよびb-Siの表面電位は、ケルビンプローブシステム（KP Technology SKP5050）、いわゆる接触電位差、またはCPD識別によって測定されました。

結果と考察

図1aは、前面と背面のパッシベーション後のわずかに表面のテクスチャが施されたc-Si太陽電池の概略図を示しています。図1bは、同様に構造化された太陽電池の概略図を示していますが、背面にb-Siがあります。太陽電池の厚さは約200μmです。

（ a なしのわずかに表面組織化されたc-Si太陽電池の概略図 ）およびwith（ b ）後部のb-Si

図2aは、テクスチャ前面の上面SEM画像を示しています。図2bは、b-Si表面の側面SEM画像を示しています。テクスチャード加工されたSiのナノ構造の平均高さは10〜20 nmですが、b-Siのナノ構造の平均高さは〜110nmです。図2cは、b-Siの高解像度（HR）TEM画像を示しています。ここでは、回折縞によって反射されたナノ結晶Siが識別できます。このb-Siの結晶化度は、図2dに示すようにSAED（選択領域電子回折）パターンによっても示されます。

表面組織化されたSiのSEM画像（ a ）および表面エッチングされたb-Si（ b ）、HRTEM（ c ）、およびSAED（ d ）のb-Si

図3aは、ウェーハSi（「Si」と呼ばれる）、入射光に面するb-Si（「b-Si上向き」と呼ばれる）、および入射光に背を向けたb-Si（「b」と呼ばれる）の吸収スペクトルを示しています。 -Si下向き」）。 「Si」の場合、光子エネルギーがc-Siバンドギャップ幅（1.1 eV）未満の場合、または同等に、波長が1100 nmより大きく、予想どおりに吸収がほとんど発生しないことがわかります。ただし、「b-Si上向き」の場合、b-Siのナノ構造による強力な光トラップによる300〜1100 nmの範囲での吸収の大幅な向上に加えて、[1,2,3,4,5、 6,7,8,9、24,25,26,27,28,29,30,31]、サブバンドギャップNIR吸収が現れます。このサブバンドギャップ吸収は、バンドギャップ内の不純物レベルの形成に起因する可能性があり、これにより、より低いエネルギーの光子の吸収が可能になります[25、26、27、28、32]。サブバンドギャップ吸収は、光トラッピングの助けを借りて効率的にすることができます[25、26、27、28、32]。 「b-Si下向き」の場合、「Si」に比べて300〜1100nmの範囲で吸収が増加します。この前面にはAgが堆積していませんが、背面でb-Siが形成されている間はわずかにテクスチャが発生していることがわかりました。この表面テクスチャリングは、光トラップを強化しました。サブバンドギャップNIRの一部は前面で反射されますが、NIR吸光度のほとんどは依然として残っていることがわかります。これは、将来、サブバンドギャップNIR応答c-Si太陽電池を開発するために必要なものです。図3bは、b-Siの測定されたPLスペクトルを示しています。挿入図は、325nmレーザーの照射下でのb-Siの写真です。 SiウェーハのPL発光は見られません。 b-SiからのPL発光は、図2c [10、33]に示すようにSiナノ結晶が存在することを示すもう1つの指標です。

ウェーハSi、入射光に面するb-Si、および入射光に背を向けたb-Siの吸収スペクトル（ a ）。 325 nm励起レーザー（ b ）の照射下でのSiとb-SiのPL ）。挿入図は、325nmレーザーの照射下でのb-Siを示しています

ここで、c-Si太陽電池の背面にあるb-Siがその性能にどのように影響するかを調査します。以下において、ｂ－Ｓｉ太陽電池とは、後部にｂ－Ｓｉ層を有するｃ－Ｓｉ太陽電池を意味する。比較のために、4つのc-Si太陽電池、つまり、ウェーハSi太陽電池（「ウェーハ」と呼ばれる）、Al ₂ を使用したウェーハSi太陽電池を作成しました。 O ₃ 後部のパッシベーション（「ウェーハ+ Al ₂ 」と呼ばれる） O ₃ 」）、b-Si太陽電池（「b-Si」と呼ばれる）、およびAl ₂ を備えたb-Si太陽電池 O ₃ 後部のパッシベーション（「b-Si + Al ₂ 」と呼ばれる） O ₃ 」）。 4つの太陽電池はすべて前面にテクスチャが施されています。電流密度-電圧（ J - V ）4つの太陽電池の曲線を図4aに示し、それらのEQE曲線を図4bに示します。開回路電圧（ V を含む対応するPVパラメータ _OC ）、短絡電流密度（ J _SC ）、曲線因子（FF）、および光電変換効率（η ）を表1に示します。「ウェーハSi」太陽電池と比較して、Al ₂ によるリアパッシベーション後 O ₃ 、「ウェーハ+ Al ₂ 」のセル O ₃ 」は、はるかに優れたパフォーマンスを示しています。 J _SC 、 V _OC 、FF、およびη が増加し、測定された波長範囲全体でEQEの大幅な向上が見られます。この結果は、表面の再結合がAl ₂ によって十分に抑制されているため、以前のレポートと一致しています。 O ₃ 不動態化[34,35,36]。後部にb-Si層が存在する場合、 J が大幅に減少します。 _SC 、 V _OC 、およびη 「ウェーハ」セルと比較して、b-Siの比表面積が大きいために表面再結合が高いため、「b-Si」セルの特性が期待されます[15、22]。しかし、それどころか、「b-Si」の性能は大幅に向上し、その効率は「ウェーハ+ Al ₂ 」の効率にさえ近いことがわかりました。 O ₃ 、」と相対的な27.7％の増加があります。 EQE曲線は、ブロードバンドの大幅な強化も示しています。ここでは、大きな表面積によって引き起こされる高い表面の再結合は起こらないようです。次に、「b-Si + Al ₂ 」のセルを確認します。 O ₃ 」と、Al ₂ の後にそれを見つけます O ₃ 後部のパッシベーション、 J _SC 、 V _OC 、FF、およびη さらに増加し​​、EQEも増加します。これは、Al ₂ O ₃ 「ウェーハ+ Al ₂ 」の場合と同様に、裏面を効率的に不動態化します。 O ₃ 。」後部でb-Siが果たす役割は予想外に興味深いものであり、さらに調査する必要があります。

太陽光発電 J - V （ a ）およびEQE曲線（ b ）「ウェーハ」の太陽電池の場合、「ウェーハ+ Al ₂ O ₃ 、」、「b-Si」、および「b-Si + Al ₂ O ₃ 」

図5は、背面にb-SiがあるPN接合のエネルギーバンド図を示しています。 b-Siの伝導帯の最小値がp型Siの伝導帯の最小値より0.4eV高いことは、CPD測定の結果です。 b-Siは非常にp型のSi上で直接成長するため、ドーピング濃度が同じであるため、フェルミ準位と価電子帯の最大値の間の距離は基本的に同じに保つ必要があります[37]。したがって、b-Siのバンドギャップ幅はウェーハSiのバンドギャップ幅よりも大きくなります。これは、ナノ結晶Siの形成と一致しており、図1および2に示すようにそれらのPL発光があります。それぞれ2cと3b、および量子閉じ込め効果[38]。後部にこのような段階的なバンドギャップがあると、自由電子はb-Siと後部電極から放出されます[39]。一方、図5に示すように、後部電極に向かう正孔のドリフトは影響を受けません。このようにして、b-Siでの電子正孔再結合の確率を大幅に低減でき、表面再結合の問題を効率的に回避できます。 。形成された段階的なバンドギャップは、比表面積がはるかに大きいにもかかわらず、「b-Si」セルが「ウェーハ」セルよりもはるかに優れた性能を発揮する理由を説明しています。

後部にb-SiがあるPN接合のエネルギーバンド図

図6a、bに示すように、光起電における後部でのb-Siの積極的な役割は、ヘテロ接合構造のPVデバイスでさらに明らかになりました。図6cに示すように、背面にb-SiがあるこのPVデバイスの場合、背面にb-Siがない場合と比較して、EQEが明らかに向上しました。 P-Siとb-Siの界面での段階的なバンドギャップは、EQEの向上に関与しているはずです[39、40]。この結果は、図4bの結果と定性的に一致しています。図4bと図6cのPV構成は異なりますが、背面のb-Siが果たす役割は基本的に同じです。

（ a なしのヘテロ接合構造化PVデバイスの概略図 ）およびwith（ b ）後部のb-SiとそのEQE曲線（ c ）

結論

後部にb-Si層を備えたc-Si太陽電池を研究しました。このような構成のc-Si太陽電池は、同様の構造のc-Si太陽電池よりもはるかに優れた性能を示しましたが、背面にb-Siがありません。この結果は、後部での段階的なバンドギャップの形成に起因し、後部での表面再結合の可能性を大幅に低減し、c-Si太陽電池の性能を向上させることができます。この研究の結果は、将来、サブバンドギャップNIR応答を含むブロードバンドPV応答を備えたc-Si太陽電池の開発に適用できます。