超薄晶体硅太阳能电池纳米电介质层

文摘

纳米结构已被广泛应用于太阳能电池因其具有非凡的光子管理属性。然而,由于pn结质量差和高表面复合速度,典型的纳米太阳能电池并不是有效的与传统商业太阳能电池相比。这里,我们展示一种新的设计方法,模拟和制造整片纳米结构对介电层薄同单晶硅太阳能电池光捕获。周期性纳米结构阵列的光学仿真结果表明,电介质材料可以抑制反射损失在宽光谱范围。此外,通过应用纳米电介质层40μm薄同单晶硅,反射损失是压制到5%以下宽光谱和角范围。此外,同单晶硅太阳能电池与2.9μm超薄吸收层展示了短路电流提高32%和44%的能量转换效率相对提高。我们的研究结果表明,纳米介电层有可能显著提高太阳能电池的性能和避免典型问题的缺陷和表面复合纳米太阳能电池,从而提供一个新的途径以实现高效率和低成本同单晶硅太阳能电池。

1。介绍

纳米结构已经广泛应用到太阳能电池上,他们证明承诺未来高效和低成本的太阳能电池特性,如增透和光线捕获(1- - - - - -7]。然而,如何有效地实现纳米太阳能电池的潜力仍然是一个挑战。与传统的商业同行相比,纳米太阳能电池能量转换效率较低(8]。

另一方面,超薄晶体硅(同单晶硅太阳能电池吸引了太多的利益,因为他们可以实现高效率和低成本制造(9,10]。然而,由于硅的固有光学特性间接带隙材料,使用纳米结构光捕获是必要的超薄同单晶硅太阳能电池实现竞争效率(11- - - - - -14]。为了得到效率高、减少重组,特别是表面复合,对超薄同单晶硅太阳能电池(至关重要11,12]。然而,典型的纳米同单晶硅太阳能电池受到纳米pn结与结质量差和高表面损伤由于制造过程,这导致低V_oc,尽管相对较高的短路电流J_sc(11- - - - - -14]。因此,超薄同单晶硅电池的效率很低。

这样的问题可以解决III-V由纳米结构半导体太阳能电池窗口层与更高的能量隙而不是纳米结构太阳能电池吸收器。纳米窗口层产生增透和内部影响,同时保持了pn结质量和阻止少数运营商重组的表面(6]。同样,这个概念可以应用到同单晶硅太阳能电池。特别是成本低介电材料能带大(超过3 eV)已经广泛应用于同单晶硅太阳能电池,如氮化硅(罪_x)、氧化铝(₂O₃)和二氧化硅(SiO₂)[15]。此外,这些介质材料已报告提供优秀的表面钝化同单晶硅太阳能电池(16,17]。因此,通过纳米结构的电介质材料,防反射、光捕获可以实现在不牺牲结质量和表面钝化。

在这项工作中,我们目前的设计纳米电介质层(NDL)罪_x在同单晶硅薄膜防反射,光捕获。仿真和实验结果也提供和讨论。首先,仿真结果验证了设计的鲁棒性和光子的管理性能NDL宽光谱和角范围。第二,NDL应用到40μ米同单晶硅薄膜,抑制反射到5%以下。在最后一部分,NDL 2.9集成与同单晶硅太阳能电池μm超薄吸收层,展示提高32%J_sc和30 mV增强V_oc。

2。纳米介电层的设计和仿真

研究纳米电介质层的增透效果,光学模拟是由有限差分时域有限差分(FDTD)方法的解决方案从Lumerical Inc .的模拟纳米结构数组nanocones底部直径600纳米和600纳米的高度,如图1。在这个模拟过程中,光源是上方的纳米结构,是事件通常到纳米结构。每个波长的反射率计算基于反射功率和总入射功率的比值。我们只研究增透效果,同单晶硅层下NDL被认为是无限的。10 nm厚的SiO₂(指数1.6)钝化层还包括在罪恶_x地区。当光穿过NDL和太阳能电池,反射发生在空气/ NDL和NDL /同单晶硅接口。的tapper-shaped nanocones提供一个逐渐改变折射率并消除反射在空气/ NDL接口。另一方面,尽管指数介质和同单晶硅之间存在不匹配,罪恶_x与折射可以抑制反射率低于8%。

图2(一个)显示了模拟光谱反射率的罪_xNDL折射率从1.9到2.2。预测的反射率低于10%在一个大的太阳光谱的一部分。纳米结构的另一个好处是他们的广泛接受的角度。图2 (b)显示了模拟的平均光谱反射率的比较,综合反射加权的每个波长的入射光子数是1.5克,之间的罪恶_xNDL,单层抗反射涂层(SLARC 80 nm厚的罪_x),双层抗反射涂层(DLARC)。在仿真中,SLARC是将单一的80 nm厚的罪_x层,140纳米厚的SiO DLARC₂在80纳米厚的罪_x。罪_xNDL折射率为2.1显示反射到60度总发生率低于10%,这比任何单层抗反射涂层(SLARC)在所有角度和优于双层抗反射涂层(DLARC)当入射角大于20度。另一方面,增透性能并没有改变多少NDL具有不同折射率从1.9到2.2,它提供了一个好的设计鲁棒性是罪恶_x可能有一个折射率的变化。

3所示。制造纳米电介质层

罪_xNDL使用nanosphere光刻技术制造的方法(18)如图3。首先,700海里的罪_xSiO 10纳米_x上面是沉积在同单晶硅层使用plasma-enhanced化学气相沉积(PECVD) " 350°C。应该指出的是,10 nm的SiO_x这里是至关重要的在nanosphere光刻过程中蚀刻均匀性。接下来,600纳米硅团簇组装成单层closed-pack电影SiO之上_x通过水(磅)涂层方法(19]。之后,与蚀刻硅团簇的面具,电子回旋共振等离子体蚀刻CF₄和O₂气体(CF₄:阿₂= 10:1)用于蚀刻的罪_x和生产nanocone数组。实现纳米结构等向性蚀刻,燃烧室压力高40到50毫托使用(20.,21]。最后,二氧化硅nanosphere残留物被移除在50:1氢氟酸。纳米结构的形状可以控制腐蚀气体之间的比例和偏见在等离子体蚀刻应用。扫描电子显微镜(SEM)图像如图4显示了装配式nanocone数组不同的形状。

4所示。40纳米介电层上μ米同单晶硅层

评估防反射,光捕获效应,罪恶_xNDL层应用到40μ米同单晶硅薄层制备使用epi-lift-off(值得)kerfless Si技术。NDL层使用一节中描述的方法是捏造的3nanodome形状如图4(一)。反射率测量进行了使用标准积分球系统,和表征结果如图5。图5(一个)显示了FDTD仿真和实验测量结果的反射在40μ米同单晶硅薄层与NDL。波长的入射光在正常的方向从400纳米到1000纳米。从图5(一个),反射损失一直压制到5%以下在一个大的太阳光谱的一部分,从400纳米到850纳米。超过850海里,反射率增加模拟和测量结果。这是因为在同单晶硅光学吸收弱在这个波长范围(22]。仿真和实验结果之间的差异在900 nm - 1000 nm主要来自不同的底界面配置。在仿真中,40μ米同单晶硅薄层是一个独立的薄膜和底部表面暴露在空气中与大折射率不匹配。因此,未被吸收的光线部分反映在同单晶硅表面底部。这种反射光又反映在前面的罪_x/同单晶硅接口和罪恶_x/空气界面。40μm薄如果在这种情况下,就像一个共振腔产生900纳米至1000纳米之间的共振峰图5(一个)。另一方面,在实验中,样品被放在一层厚聚合物(~ 1毫米)进行处理。因此,从后表面反射是不足以产生共振峰的仿真结果。图5 (b)显示了在不同入射角度测量的综合反映。平均光谱反射抑制了~ 30%到10%以下60度入射角,展示一个广角增透效果。

5。纳米电介质层超薄同单晶硅太阳能电池

为了更好地评估性能NDL,同单晶硅太阳能电池与2.9μm超薄吸收器是捏造并结合NDL [23]。制造过程如图6。相比之下,控制样本的使用类似的过程但没有NDL之上。

首先,超薄同单晶硅太阳能电池是沉积的~ 100Ω·厘米半绝缘性p⁻CZ衬底使用减压化学汽相淀积(RPCVD)应用材料Epi2系统(图6(一))。使用二氯甲硅烷沉积在1000°C (DCS),和磷化氢(PH值₃)和乙硼烷(B₂H₆)作为掺杂物。太阳能电池包含三层:1.7μm 1.5×10¹⁸厘米⁻³金刚石p型基地层,0.9μ10米¹⁶厘米⁻³p⁻固有层,0.3μm 1.5×10¹⁹厘米⁻³掺磷n⁺类型发射极层。

第二,NDL制造在整个示例使用一节中描述的方法3。700纳米的罪_x层沉积在使用PECVD 10 nm SiO " 350°C_x层之上(图6 (b))。之后,紧凑的硅团簇的单层组装SiO之上_x薄膜使用LB方法(图6 (c))。接下来,结合CF₄和O₂被用来干蚀刻罪_x与硅nanopheres蚀刻面具,紧随其后的是50:1高频去除剩余的SiO_x和硅(图6 (d))。装配式NDL nanodome形状如图4(一)。

标准5 x投影系统光学光刻技术被用来定义接触区。顶部接触区是由删除PECVD罪。_x6:1氧化缓冲腐蚀剂(央行)(图6 (e)),其次是蒸发200 nm厚铝的接触。前面的接触区终于由发射过程中丙酮。后面直接联系是由铝蒸发晶片的背面。制作太阳能电池的原理与NDL如图6 (f)。评估NDL的性能、控制样品也捏造。控制样品相似的细胞结构和制造过程,但没有NDL之上。

当前density-voltage (jv)捏造2.9的特性μm细胞进行下是1.5 g 1-sun照明(1000 W /厘米²在室温下)。校准太阳能模拟器被用来提供照明,光强度是监控使用NREL业经证明的太阳能电池。jv测量细胞的结果并没有罪_xNDL结构如图7(一)和太阳能电池的关键参数包括短路电流密度、开路电压、效率、和填充因子表进行了总结1。

首先,太阳能电池与NDL取得了J_sc28.15 mA /厘米²高于32%J_sc控制细胞没有NDL。这是由于增透的光捕获效应NDL。这样的效果也可以从外部量子效率的结果(EQE)测量图7 (b)进行的,这是使用机械碎单色光的光电流测量使用锁定放大器。与EQE NDL提高从低于60% ~ 80%范围广泛的太阳光谱(500 nm - 800 nm)。然而,EQE减少以上波长800 nm的弱吸收同单晶硅在这样的波长范围,并改善与NDL也较小。的J_sc和EQE可以进一步提高通过一个独立的超薄同单晶硅太阳能电池与集成反射器(24]。

其次,太阳能电池与NDL也实现了V_oc570 mV, 30 mV高于V_oc控制细胞没有NDL。作为V_oc关系到整个太阳能电池内部的少数载流子复合,高吗V_oc表明细胞NDL有更好的表面钝化效应,同时仍然保持相同的pn结质量。这样的表面钝化效应也可以从EQE增强以很短的波长(400 nm - 500 nm)在图7 (b)。与EQE NDL从低于20%提高到40%以上在400海里,这是相对提高100%以上。在400纳米波长的光子,吸收深度只有82海里(22),这意味着大多数的光子在400纳米吸收附近的表面和高度表面复合的影响。因此,这样一个巨大的进步在400 nm EQE不仅展品增透效果,也展示了表面钝化效果NDL。

总的来说,太阳能电池与NDL具有能量转换效率为11.44%,相对高于44%的效率控制细胞没有NDL。

6。总结

总而言之,我们演示了罪的系统分析_xNDL增透和超薄同单晶硅太阳能电池的光捕获。一个完整的大面积和整片过程中形成NDL薄同单晶硅。此外,NDL已成功集成到40μm薄同单晶硅层和一个2.9的超薄同单晶硅太阳能电池μ吸收器。从仿真和实验结果,以前和广角增透和内部使用NDL。已经达到的效果与罪恶的表面钝化效果好_xNDL表现出巨大的潜力,生产高效和低成本的超薄同单晶硅太阳能电池。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的海湾地区光伏协会(BAPVC)和全球气候与能源项目(GCEP)在斯坦福大学。作者承认斯坦福纳米加工设备(SNF)使用的处理设施,中心对纳米结构的高效能量转换(CNEEC)表征设备的使用,和Solexel inc .)提供的40岁μ米同单晶硅层。语丝陈愿意承认从应用材料公司的资金支持通过SystemX FMA程序。揭阳市嘉要感谢斯坦福大学研究生奖学金的资金支持(山东)。

引用

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