文摘

不同腐蚀时间用于蚀刻硅片。表面形态对晶片少数载流子寿命的影响,钝化质量和异质结太阳能电池(HJ)性能研究。的山脉和峡谷,在晶片表面定义为转折点,少数载流子寿命的变化来解释。晶片的一个小数量的转折点,氢化非晶硅(硅:H)钝化质量可以与理想iodine-ethanol溶液钝化。如果晶片有明显的转折点,承运人一生会随着晶硅:H层将无法well-deposited转折点。此外,PC1D仿真表明,最优的设备可以实现21.94%的转换效率的蚀刻时间60分钟,最佳组合的短路电流和开路电压。

1。介绍

近年来,异质结(HJ)硅太阳能电池已经吸引了越来越多的关注由于其高转换效率(24.7%)1- - - - - -3),较低的加工温度(4)、低温度转换效率依赖(5),制造时间短。HJ细胞利用大带隙的氢化非晶硅(硅:H)与硅片发射器,和电子或空穴只能朝一个方向由于大型乐队抵消。然而,晃来晃去的债券在晶片表面作为运营商的复合中心。这种重组损失将主要影响设备开路电压(),阻力损失影响填充因数(FF)和光学损失直接影响短路电流密度()。已报告了一些改进。最重要的一个方法是内在的插入(i -)晶硅:H晶硅之间的接口:H发射器和薄片被动悬挂债券在晶圆表面,从而减少重组损失(6]。另一个问题是前表面的反射损失由于大晶硅的折射率:H。减少光损失有两种实用方法,(我)使用一个增透膜(7和(2)晶片表面纹理8- - - - - -10]。目前,湿蚀刻的碱性溶液的标准流程工业太阳能电池变形。使用最广泛的蚀刻溶液是一种低浓度氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(氢氧化钠)解决方案在水中的异丙醇(IPA)来实现良好的横向均匀性锥体结构的硅晶圆片表面通过修改表面润湿性(11,12]。湿式蚀刻过程不仅连接处晶片表面,也同时删除锯损害。然而,只有少数团体取得了高效率HJ太阳能电池(13,14因为湿蚀刻texturization可以对载波一生产生重大影响。Iencinella et al。15)报道,K⁺和钠⁺释放腐蚀解决方案非常fast-diffusing碱金属离子,可能导致污染的晶片和限制承运人一生。此外,异丙醇是高度不稳定,这样的分数蚀刻溶液不容易保持不变。提出了几种方法,以提高texturization。开纪录等人,凯格尔et al。16,17]表明,晶硅:H /同单晶硅太阳能电池印制在IPA-free纹理晶片上转换效率20%以上是通过定量评价和优化的结构和界面钝化。Deligiannis et al。18)使用重复周期的氮化酸氧化过程去除污染和纳米级粗糙度对锥体结构的方面提高钝化质量。李等人。19]NaClO用于生产小金字塔比由KOH或氢氧化钠,和小金字塔可以带来更好的覆盖和硅之间的联系:H和薄片。一些组织还用干蚀刻技术(20.),但到目前为止,他们没有报告的HJ太阳能电池转换效率高于17%。

在这项研究中,我们采用工业标准texturization使用KOH和异丙醇混合解决方案。不同腐蚀时间用于蚀刻硅晶片,以消除看到损伤和产生粗糙表面。腐蚀的影响时间和合成表面形态载体寿命和表面钝化质量调查。此外,进行了仿真评估细胞的特征。

2。实验

单一的抛光,类型,单晶硅片厚度为250μ1 - 10Ω-cm m,电阻率,面积15.6×15.6厘米²被用作基质。晶圆清洗,然后蘸2%高频解30年代删除本地氧化,腐蚀前的过程。5 wt锥体texturization进行。与2 wt % KOH溶液。% IPA在85°C对不同腐蚀时间(从0到120分钟)。碱性溶液可引起锥体结构在晶片表面由于蚀刻率的差异(100)和(111)飞机。涉及的化学反应可以在[21]。在腐蚀、氢泡沫产生和音标是用来去除的泡沫,以便更好的金字塔在晶片表面的横向均匀性。蚀刻后,一个RCA2干净,组成的解决方案6:1:1 H₂O:盐酸:H₂O₂在80°C,进行5分钟去除金属离子,可能仍在晶片表面。晶片表面的钝化晃来晃去的债券是由两种方法,iodine-ethanol溶液钝化和硅:H钝化。晶硅:H被PECVD, "沉积和详细的沉积条件可以找到(22]。

HJ太阳能电池仿真、设备结构氧化铟锡(ITO) / (n)晶硅/ (i)晶硅/ (p)同单晶硅/ Al背表面场(Al-BSF)。设备结构的主要属性层得到每一层的实验表征。(我),(n)晶硅:H厚度分别是5和10 nm,。ITO薄膜的厚度90海里使用电子枪蒸发沉积为了提高横向导电率,减少反射损失。铝膜的厚度5μm是气急败坏的晶圆背面和退火30年代的800°C。

膜厚度是评价通过使用alpha-step分析器。晶片少数载流子寿命是衡量使用准稳态光电导(QSSPC)系统。纹理形态观察通过扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)。

3所示。结果与讨论

图1显示晶片蚀刻的SEM显微图和表面配置文件为0 - 120分钟。金字塔是形成的腐蚀率远高于这个方向定位(23,24]。金字塔的尺寸增加而增加腐蚀时间和似乎达到最大值为90分钟。蚀刻时间120分钟的进一步增加导致过腐蚀,降低了金字塔的大小。值得注意的是,从表面概要文件,金字塔的边缘不光滑,而是包含几个较小的subpyramids。我们定义了一个“转折点”指着山上或金字塔的山谷基准宽度大于1μm。统计数字的转折点,也标记在图中,是0,17日,21日,45岁和33为0,晶片蚀刻30、60、90和120分钟。注意,90分钟蚀刻硅片因此不仅最高的表面粗糙度也最多的转折点。

图2显示晶片的载体寿命不同腐蚀时间和钝化的方法。特别是晶硅:H钝化iodine-ethanol溶液钝化相比,通常用来评估最优钝化条件。可以看出,没有任何钝化,晶片的所有承运人寿命很低,在25 - 50的范围μ年代,由于高的表面悬挂键。蚀刻时间从而覆盖的影响。考虑到晶片与iodine-ethanol溶液钝化,明显高于生命unpassivated晶圆和增加从148年到325年,321年,153年到225年μ年代腐蚀时间的增加从0到120分钟。nonetched晶片的低价值源于缺乏看到破坏去除,而一生蚀刻硅片之间的差异可能与增加表面缺陷状态由于扩大表面积和降低流动由于粗糙度的增加25]。的一生与晶硅晶片:H薄膜钝化类似晶片与iodine-ethanol溶液钝化的蚀刻时间0,30和60分钟,这意味着高钝化我们的晶硅质量:H的电影。然而,晶圆之间的寿命的差异与两种钝化方法在90分钟变大,表明显著削弱了晶硅钝化能力:H相比iodine-ethanol溶液钝化。

图3显示原理图使用iodine-ethanol解决方案和硅表面钝化:H薄膜。如图3 (b),大量的悬空键存在于一个晶片的表面。iodine-ethanol溶液钝化过程中,表面悬空债券()中,根据 详细的信息可以在[26]。因为乙醇是液相,它可以统一与晶片表面接触并提供伟大的钝化质量,如图3 (c)。另一方面,硅和氢原子是固相,所以他们可能不定期存款在晶圆表面,如图3 (d)。钝化质量特别是在山顶和山谷地区预计将减少。换句话说,晶硅:H是认为钝化能力更低的晶片(即有更多的山或山谷。,更多的转折点)。因此,这可能解释了90分钟的低寿命蚀刻与晶硅晶片:H钝化相比,iodine-ethanol钝化。

蚀刻片的横断面形态调查,和他们表现出类似的结果没有区分不同。作为一个代表人物4显示了TEM的横断面图像金字塔在90分钟的表面蚀刻与晶硅晶片:H钝化。数据4(一)和4 (b)确认(我)晶硅沉积的困难:H在山上和河谷地区,晶硅之间的接口:H和薄片恶化,和(2)非均匀厚度,这可能是一个严重的问题对于一个HJ自晶硅太阳能电池:H层通常很薄。即使是小厚度变化可能导致大偏离最优钝化状态。此外,晶硅:H沉积在高山和峡谷可能电影属性较低,据报道,这是不利于最终设备性能(27]。相反,山坡地区显示一个明确的晶片,晶硅之间的接口:H,如图4 (c)。因此,这些TEM图像支持晶硅的机理:H钝化之前提出。

晶片的载体寿命的实验值与不同腐蚀时间和硅:H钝化是一维仿真软件的输入PC1D [28,29日提供关于电池性能的理论分析。总结了主要参数表1。的仿真结果,这是主要的影响,和转换效率HJ太阳能电池的承运人一生绘制在图的函数5(一个)。一般来说,增加载体寿命会减少他二极管暗电流,从而提高根据(30.] 在哪里热电压和吗二极管暗电流。为了排除变量以外的一生,5%的反射率是保持恒定值,这样在(2)将由载体寿命的影响主要是由(31日] 在哪里是承运人代率,()是孔的扩散系数(电子)()是洞(电子)的生命周期。分为三个区域的讨论。首先,晶片寿命从25到50μ年代对应晶片没有钝化,所以大是由于大量的表面悬挂键。在这个地区,小于630 mV和低于20%。其次,寿命在80 - 150的范围μ年代从晶片结果看到损坏或相当大的转折点,导致可怜的晶硅:H钝化质量。中间约640 - 650 mV和的20.5% - -21%。第三,高寿命区域250 - 400μ年代可以对应晶片与小转折点和良好的晶硅:H钝化接近理想的钝化条件。结果和分别可以高于660 mV和22%。

图5 (b)显示了- - - - - - HJ太阳能电池的特性和外部参数与不同晶片蚀刻。注意,光反射的影响表面粗糙度引起的蚀刻硅片被输入考虑实验前的反射率值与ITO制造设备。ITO充当不仅前电极也减反射的层,这样设备反射显著低于晶片。设备反射率值是13.36%,4.95%,2.60%,2.71%,3.02%,蚀刻乘以0,30、60、90和120分钟。值仍然匹配图所示的结果5(一个),穷人钝化区域对应于0,90,和120分钟腐蚀时间,而良好的钝化区域对应于30和60分钟蚀刻时间。的趋势主要是由设备反射率和承运人一生,所示(3)。前者具有更大的依赖。FF硅片腐蚀时间变化不明显不同。应该注意的是,最优是由之间的权衡和。这两个参数增加腐蚀初期阶段(0-40 min)。然而,当腐蚀时间的增加,仍然是增加直到蚀刻时间超过90分钟,减少由于显著的数量生产的转折点。总的来说,最大的21.94%发生在60分钟的蚀刻时间。

4所示。结论

本研究调查的影响在晶硅蚀刻时间:H钝化能力,晶片载体一生,和HJ太阳能电池的性能。发现不同腐蚀时间将大大影响晶硅:H钝化能力根据生产的转折点。少量的转折点导致好晶硅:H钝化能力,甚至可以与理想iodine-ethanol溶液钝化。然而,一个高转折点可能导致可怜的硅晶片:H钝化大大降低了载体寿命。晶硅:H层发现困难well-deposited的转折点就是明证,晶硅之间的接口:H和硅片表面恶化。最后,不同腐蚀时间,之间有一个权衡和获得最佳的转换效率。在这种情况下,最大转换效率是21.94% HJ太阳能电池硅片腐蚀时间60分钟。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是由美国国家科学委员会103 - 2622号合同下的台湾- e - 212 - 005 - cc3和102 - 2622 - e - 212 - 009 cc3。