背面有黑硅层的晶体硅太阳能电池的研究

背景

负载或掺杂有金属或非金属离子的高度表面蚀刻的 Si 可以表现出强大的宽带吸收率 [1,2,3,4,5,6]。这种类型的硅，或黑色硅 (b-Si)，因其在宽带响应光伏方面的潜在应用而备受关注 [7,8,9]。迄今为止，对 b-Si 太阳能电池的研究主要集中在 b-Si 层位于太阳能电池前部的配置上 [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 ]。在这种情况下，由 b-Si 层的亚带隙近红外 (NIR) 吸收引起的电子-空穴对远离 PN 结区，不能被内置场分解成为电荷载流子，使子带隙 NIR 光伏响应变得不可能。然后设想，如果 b-Si 层放置在背面，NIR 吸收诱导的电子-空穴对可以被背面的 Si/氧化物界面场分解 [20] 或被那里的内置场分解如果采用叉指背接触 (IBC) 配置 [21]，则使这种晶体 (c)-Si 太阳能电池的光伏 (PV) 响应扩展到子带隙 NIR 范围。不幸的是，b-Si 的大比表面积通常会导致高表面复合，这会严重降低太阳能电池的性能 [10, 15, 22]。因此，在我们开始研究 c-Si 太阳能电池的子带隙 NIR 响应之前，有必要知道 b-Si 的表面复合有多大以及如何最小化或避免其影响 [23]。在这项工作中，我们研究了背面 b-Si 的 c-Si 太阳能电池的 PV 响应，并探索了我们观察的物理基础。

方法

材料

P型Si<100>晶圆（CZ，双面抛光，10 × 10 × 0.2mm ³ 尺寸为 1-10 Ω cm) 用作基材。对硅晶片进行超声波清洗，然后浸入稀释的 HF（1%）中，然后在 NaOH/酒精/H2O（0.5 克/200 毫升/200 毫升）溶液中在 90°C 下蚀刻 15 分钟，使表面略微纹理化用于抗反射，然后在去离子水中冲洗。为了在背面制备b-Si，在底压小于5 × 10 ^{-的自制真空室中通过电阻加热将表观厚度为3nm的Ag层蒸发到Si衬底的一个表面上作为催化剂。 4} Pa. 在室温下将 Si 晶片浸入 HF(40%):H2O2(30%):H2O =1:5:10 溶液中 120 秒后，在该 Si 表面或在太阳能电池的背面。然后将磷糊沉积到另一个硅表面或太阳能电池的正面，然后在 900°C 下在氮气中退火 20 分钟以形成 PN 结。将 20 nm 厚的 SiO2 层蒸发到太阳能电池的正面以进行表面钝化。对于背面钝化，使用原子层沉积 (ALD) 技术 (Beneq TFS 200) 沉积 10 纳米厚的 Al2O3 层。 80 nm 厚的 ITO 层沉积在前表面上作为前电极。通过电阻加热蒸发 2 μm 厚的 Al 层作为背面电极。在氮气中在 425°C 下进行 5 分钟的热退火以完成 c-Si 太阳能电池的制备。需要指出的是，在这项工作中，我们重点研究了背面b-Si对PV响应的影响；因此，前表面只有轻微的织构，并没有被高度蚀刻以形成 b-Si。

测量

使用UV-vis-NIR分光光度计（Shimadzu，UV-3101PC）测量反射光谱。用扫描电子显微镜 (SEM) (Philips, XL 30) 测量表面形态。太阳能电池的光伏参数是在 1-Sun AM1.5G 条件下使用太阳能模拟器（Oriel/Newport，型号 94023A）获得的。太阳能电池的外量子效率 (EQE) 是在 Oriel/Newport 的 QE 系统上获得的。透射电子显微镜 (TEM) 测量在 JEOL EM-3000 系统上进行。表面发射光致发光 (PL) 光谱由分光光度计 (Ocean Optics USB2000) 记录，使用 325 nm He-Cd 激光器 (Melles Griot，型号系列 74) 作为激发源。 p型Si和b型Si的表面电位通过开尔文探针系统（KP Technology SKP5050）测量，即所谓的接触电位差，或CPD识别。

结果与讨论

图 1a 显示了正面和背面钝化后表面略微有纹理的 c-Si 太阳能电池的示意图。图 1b 给出了类似结构的太阳能电池的示意图，但背面有 b-Si。太阳能电池的厚度约为200μm。

略带表面纹理的 c-Si 太阳能电池示意图，不含 (a ) 和 (b ) b-Si 在后面

图 2a 显示了带纹理的前表面的俯视 SEM 图像。图 2b 给出了 b-Si 表面的侧视 SEM 图像。织构 Si 的纳米结构平均高度为 10~20 nm，而 b-Si 的平均高度为 ~ 110 nm。图 2c 显示了 b-Si 的高分辨率 (HR) TEM 图像，其中纳米晶 Si 由衍射条纹反射出来是可辨别的。 b-Si 的这种结晶度也可以通过 SAED（选区电子衍射）图来表明，如图 2d 所示。

表面织构的 Si (a ) 和表面蚀刻的 b-Si (b ), HRTEM (c ) 和 SAED (d )的b-Si

图 3a 给出了晶片 Si（称为“Si”）、面向入射光的 b-Si（称为“b-Si 向上”）和背面朝向入射光的 b-Si（称为“b -Si 向下”）。对于“Si”，可以看出，当光子能量小于 c-Si 带隙宽度 (1.1 eV) 时，或者等效地，波长大于 1100 nm，并且几乎不会发生预期的吸收。然而，对于“b-Si 向上”，除了由于 b-Si 纳米结构的强光俘获而在 300-1100 纳米范围内的吸收大大增强 [1,2,3,4,5, 6,7,8,9,24,25,26,27,28,29,30,31]，出现子带隙近红外吸收。这种子带隙吸收可归因于带隙内杂质能级的形成，这允许吸收较低能量的光子 [25,26,27,28,32]。在光捕获的帮助下，子带隙吸收可以是有效的 [25,26,27,28,32]。对于“b-Si向下”，与“Si”相比，300-1100nm范围内的吸收增加。注意到，虽然在这个正面没有沉积 Ag，但在背面形成 b-Si 的过程中，它仍然会有轻微的织构。这种表面纹理加强了光捕获。可以看出，虽然部分子带隙 NIR 在前表面反射，但大部分 NIR 吸收仍然保留。这正是未来开发亚带隙 NIR 响应 c-Si 太阳能电池所需要的。图 3b 给出了 b-Si 的实测 PL 光谱，插图是 b-Si 在 325 nm 激光照射下的照片。未发现 Si 晶片的 PL 发射。 b-Si 的 PL 发射表明存在 Si 纳米晶体，如图 2c [10, 33]。

晶片 Si、面向入射光的 b-Si 和背面朝向入射光的 b-Si 的吸收光谱 (a ）。 Si 和 b-Si 在 325 nm 激发激光照射下的 PL (b ）。插图显示了在 325 nm 激光照射下的 b-Si

我们现在研究 c-Si 太阳能电池背面的 b-Si 如何影响其性能。在下文中，b-Si太阳能电池是指背面具有b-Si层的c-Si太阳能电池。为了比较，我们制作了四种 c-Si 太阳能电池，即晶圆 Si 太阳能电池（称为“晶圆”）、背面带有 Al2O3 钝化的晶圆 Si 太阳能电池（称为“晶圆 + Al2O3”）、b-Si 太阳能电池电池（称为“b-Si”），以及背面带有 Al2O3 钝化的 b-Si 太阳能电池（称为“b-Si + Al2O3”）。所有四个太阳能电池都在前表面进行了纹理处理。电流密度-电压 (J -V ) 四个太阳能电池的曲线如图 4a 所示，它们的 EQE 曲线如图 4b 所示。相应的光伏参数包括开路电压（V OC), 短路电流密度 (J SC)、填充因子 (FF) 和光电转换效率 (η )见表1。与“硅片”太阳能电池相比，经过Al2O3背面钝化后，“硅片+Al2O3”电池表现出更好的性能。 J SC，V OC、FF 和 η 增加，并且在整个测量波长范围内可以看到 EQE 的显着增强。该结果与之前的报告一致，因为 Al2O3 钝化已很好地抑制了表面复合 [34,35,36]。当b-Si层存在于背面时，J显着降低 SC，V OC 和 η 与“晶片”电池相比，由于 b-Si 的比表面积大，因此可以预期“b-Si”电池的高表面复合[15, 22]。然而，相反，“b-Si”的性能得到了很大的提高，其效率甚至接近“wafer + Al2O3”的效率，并且相对提高了27.7%。 EQE 曲线也显示出相当大的宽带增强。大表面积引起的高表面复合似乎不会在这里发生。然后我们继续检查“b-Si + Al2O3”的电池，发现在背面Al2O3钝化后，J SC，V OC、FF 和 η 进一步增加，EQE 也会增加。这表明 Al2O3 仍然有效地钝化背面，就像“晶片 + Al2O3”的情况一样。背面b-Si所扮演的角色出乎意料地有趣，有待进一步探索。

光伏J -V (a ) 和 EQE 曲线 (b ) 用于“wafer”、“wafer + Al2O3”、“b-Si”和“b-Si+Al2O3”太阳能电池

图 5 显示了背面有 b-Si 的 PN 结的能带图。 b-Si 的导带最小值比 p 型 Si 的导带最小值高 0.4 eV，这是由 CPD 测量得出的。由于 b-Si 直接生长在非常 p 型的 Si 上，费米能级和价带最大值之间的距离应基本保持相同，掺杂浓度相同 [37]。因此，b-Si 的带隙宽度大于晶片 Si 的带隙宽度。这与纳米晶 Si 的形成一致，它们的 PL 发射如图 1 和图 2 所示。分别为 2c 和 3b，以及量子限制效应 [38]。由于后部有这样一个渐变带隙，自由电子将被驱逐出 b-Si 和后电极 [39]；同时，空穴向背面电极的漂移不受影响，如图5所示。这样，可以大大降低b-Si处电子-空穴复合的概率，有效避免高表面复合的问题.形成的渐变带隙解释了为什么“b-Si”电池的性能远好于“晶圆”电池，尽管其比表面积要大得多。

背面b-Si的PN结能带图

如图 6a、b 所示，在异质结结构的 PV 器件中进一步体现了 b-Si 在光伏器件中的积极作用。如图 6c 所示，对于这种背面有 b-Si 的 PV 器件，与背面没有 b-Si 的光伏器件相比，EQE 明显增强。 P-Si 和 b-Si 界面处的渐变带隙应该是 EQE 增强的原因 [39, 40]。该结果与图 4b 中的结果定性一致。尽管图 4b 和图 6c 的 PV 配置不同，但后面的 b-Si 所起的作用基本相同。

没有 (a 的异质结结构光伏器件的示意图 ) 和 (b ) 背面的 b-Si 及其 EQE 曲线 (c )

结论

我们研究了背面有 b-Si 层的 c-Si 太阳能电池。这种配置的c-Si太阳能电池的性能远优于类似结构但背面没有b-Si的c-Si太阳能电池。这一结果归因于在后部形成了渐变带隙，这可以大大降低后部表面复合的可能性，从而提高c-Si太阳能电池的性能。该工作的发现可用于未来开发具有宽带PV响应，包括子带隙NIR响应的c-Si太阳能电池。