不同形貌的金字塔結構對硅片表面鈍化和異質結太陽電池的影響

王利果 張曉丹 王奉友 王 寧 姜元建 郝秋艷許盛之 魏長春 趙 穎

(1河北工業大學信息功能材料研究所,天津300130;2南開大學光電子薄膜器件與技術研究所,光電子薄膜器件與技術天津市重點實驗室,光電信息技術科學教育部重點實驗室,天津300071)

1 引言

制絨后的硅片不僅能增加硅片對入射光的吸收面積,還能降低硅片表面的反射,從而提高太陽電池的短路電流密度(Jsc).1-4目前,日本松下公司在n型直拉(Cz)單晶硅絨面襯底上制備帶有本征非晶硅層的異質結(HIT)太陽電池,通過減少復合損失,降低光損失,減小電阻損失,將電池效率提升到25.6%.5硅異質結(SHJ)太陽電池通過在晶體硅界面處插入一個薄的本征非晶硅層鈍化界面來減少缺陷態.6-8所以電池的性能很大程度上受控于晶硅和非晶硅界面之間的缺陷.9,10在沉積本征非晶硅前,硅片的表面形貌與后續鈍化和電池的性能是直接相關的.11-15此外,由于硅片表面屬于異質結電池pn結的一部分,所以制絨硅片襯底在提高光學特性的同時,也會導致非晶硅薄膜(a-Si:H)沉積的不均勻性,金字塔的溝壑處可能會有外延硅的生成,降低并聯電阻,降低開路電壓(Voc)和填充因子(FF),進而降低電池的電學特性.16,17

四甲基氫氧化銨(TMAH)是一種具有優良腐蝕特性的腐蝕劑.它無毒無污染,易清除,有良好的刻蝕選擇比,重要的是不含金屬離子.由于TMAH與CMOS工藝相兼容,所以廣泛應用在微電子機械系統(MEMS)中.18-20近年來,TMAH逐步應用到硅片制絨上,來制備具有陷光特性的絨面金字塔結構.21-23我們之前初步研究了高濃度四甲基氫氧化銨溶液制絨的硅異質結襯底,得到柔和的表面形貌,并將其應用到電池中,提升了電池的性能.24從降低生產成本的角度考慮,需要降低TMAH的使用量,本文主要通過低濃度TMAH在硅片表面制備了三種不同形貌的金字塔結構,應用到異質結太陽電池中,研究了不同形貌金字塔結構對硅片表面鈍化和SHJ太陽電池的影響.

2 實驗部分

2.1 實驗儀器及試劑

SUPRA 55VP掃描電子顯微鏡(SEM,德國ZEISS公司);Cary-5000的紫外-可見光-近紅外(UVVis-NIR)分光光度計(美國VARIAN公司);WCT-120少子壽命測試儀(美國Sinton公司);QEX10光譜響應/量子效率測量系統(美國PV MEASUREMENTS公司);WXS-156S-L2,AM1.5GMM太陽模擬器(日本WACOM公司).

TMAH,天津市光復精細化工研究所(分析純,>25%);異丙醇(IPA),天津市基準化學試劑有限公司(分析純,>99.7%);HF,天津市北聯精細化學品開發有限公司(分析純,>40%)

2.2 絨面的制備

所有金字塔絨面和太陽電池制備都采用n型(100)晶向2英寸切割單晶硅片,電阻率1-3 Ω?cm,厚度300 μm.我們采用商用25%(w)的TMAH溶液制備不同結構的金字塔.實驗方案為2%(w)濃度的TMAH,IPA濃度(0-10%),溫度80°C,時間20-30 min.主要通過IPA濃度和刻蝕時間的變化來獲得三種尺寸相近但是形貌不同的金字塔結構的絨面.硅片表面制絨后,所有的硅片經過美國無線電公司(RCA)發明的清洗方法清洗,用來去除硅片表面的有機物和金屬離子的污染.并且經過稀釋的HF(1%)處理之后放入等離子體增強化學氣相沉積設備(Cluster-PECVD)中進行SHJ電池制備.絨面金字塔形貌采用掃描電子顯微鏡進行觀察,反射率采用帶有積分球的紫外-可見光-近紅外分光光度計進行測試.

2.3 SHJ電池的制備

首先在三種不同形貌金字塔的硅襯底雙面沉積本征非晶硅(i-a-Si:H),并鈍化硅片表面.用少子壽命測試儀測試鈍化后硅片的少子壽命.測試方法為準穩態光電導衰減法(QSSPC).然后正面沉積非晶P層(p-a-Si:H),背面沉積非晶N層(n+-a-Si:H),正面熱蒸發摻Sn的In2O3(ITO),最后正面蒸銀電極,背面蒸鋁電極.SHJ電池的結構為Ag/ITO/p-a-Si:H/i-a-Si:H/n-c-Si/i-a-Si:H/n+-a-Si:H/Al電極,電池的面積為0.6 cm2,其中n-c-Si為n型單晶硅.所有硅薄膜都是在多Cluster-PECVD中沉積.光譜響應/量子效率測量系統測試SHJ太陽電池的外量子效率,太陽模擬器(25°C,AM 1.5,100 mW?cm-2)測試電流密度-電壓(J-V)曲線.

3 結果與討論

3.1 硅片制絨

采用TMAH硅片進行制絨,TMAH制絨相對傳統NaOH制絨的優點是在制絨過程中無金屬離子的污染,且和NaOH有相似的刻蝕比,并且獲得易于柔和的金字塔形貌.24制絨過程中通過改變IPA的濃度和刻蝕時間來獲得三種不同形貌的金字塔結構.具體制絨參數如表1所示.

通過TMAH溶液制備的金字塔形貌如圖1所示,(A)為嵌套型金字塔,其中金字塔(111)晶面粗糙有層疊現象,金字塔溝壑密度大,并且大金字塔之間有多分布亞微米級的小金字塔;(B)為米字型金字塔,類似圓形‘山丘’,有多個晶面,硅片表面未完全覆蓋金字塔;(C)為四面體金字塔結構,有著光滑的(111)晶面和較為圓滑的頂部,并且各個金字塔比較獨立,尺寸均勻,少有嵌套和層疊金字塔.

原始切割片和制絨后不同結構金字塔硅片反射率如圖2所示.可以看出,經TMAH制絨后的硅片反射率明顯降低.而嵌套型金字塔較高的反射率歸功于由于大小金字塔尺寸相差懸殊,硅片表面有效反射光的金字塔數量較少,增強了光的反射,導致高的反射率.米字型金字塔有較為光滑的表面,不利于光的吸收,致使反射率較高.四面體金字塔形貌尺寸較為均勻,可以有效對光進行二次反射,從而降低反射率.

3.2 硅片表面鈍化

用準穩態光電導衰減法(QSSPC)技術測量的少數載流子(少子)壽命可以用來評價晶體硅表面和非晶硅薄膜界面處的缺陷.在整個復合過程中測量的有效少子壽命值(τeff)可以用以下公式解釋:25

其中,τbulk是體硅復合少子壽命值,τdiff為載流子從硅片中間擴散到表面的少子壽命值,τs是表面復合少子壽命值,W是硅片厚度,D是少數載流子擴散常量,S是表面復合速率.其中τbulk和τdiff只與硅片類型和摻雜濃度有關,三種結構的金字塔使用的硅片相同,硅片厚度相同,所以τbulk與τdiff是定值.τeff只取決于硅片表面復合速率S.圖3為三種不同形貌金字塔結構的硅片用本征非晶硅鈍化后的τeff值.其中我們可以看到嵌套型金字塔鈍化后的τeff值很低,這說明鈍化后硅片表面仍有高密度缺陷和高的載流子捕獲中心,增加了界面復合速率,從而降低了少子壽命.結合圖1(A)可以看出,嵌套型金字塔表面大小金字塔尺寸相差懸殊,多亞微米級金字塔,造成溝壑密度大.溝壑處沉積非晶硅可能有外延生長,加大界面復合速率.米字型金字塔鈍化后τeff值較高是由于金字塔光滑的形貌和較為均勻的金字塔尺寸造成的,見圖1(B).此外,米字型金字塔鈍化后低于四面體金字塔鈍化的τeff值,源于其晶面不唯一,硅片表面懸掛鍵數量比單獨的(111)晶面多,降低了鈍化效果.四面體金字塔(圖1(C))高的τeff值歸功于:(1)四面體金字塔(111)晶面有最少數量的懸掛鍵,鈍化效果好;(2)溝壑密度小,頂部圓滑,減少非晶硅薄膜沉積時的應力;(3)(111)晶面平滑,減少了表面缺陷,有利于本征非晶硅薄膜的沉積.26,27

表1 使用于本文的不同形貌金字塔結構的制絨參數Table 1 Etching conditions used in this work for the different pyramidal structures

圖1 制絨后尺寸相近,形貌不同的金字塔的SEM圖Fig.1 SEM images of the textured wafers with similar pyramid sizes and different pyramidal structure morphologies

圖2 原始硅片和制絨后不同結構金字塔的反射率Fig.2 Reflectance of bare wafer and textured wafers with different pyramidal structures

3.3 SHJ電池制備

圖4(a)為異質結電池的結構示意圖.圖4(b,c)是采用三種不同形貌金字塔結構作為電池襯底制備的SHJ太陽電池J-V曲線和外量子效率(EQE)譜.表2為SHJ電池性能的電學參數.從J-V圖中我們可以看出,嵌套型金字塔結構制備的SHJ電池的短路電流(Jsc)和效率(η)最低,結合嵌套型金字塔的形貌、反射率和鈍化后的少子壽命圖來看,粗糙的表面不僅不利于陷光,還增加硅片表面缺陷.這些表面缺陷可以成為后續沉積非晶硅薄膜的外延硅成核的位置.28外延硅可能會造成差的表面場效應鈍化,導致高的載流子復合速率,降低開路電壓(Voc)和填充因子(FF).29此外,高密度缺陷可能會造成后續沉積薄膜中產生平行缺陷,降低太陽電池的并聯電阻,從而使得FF和η的下降.米字型金字塔制備的SHJ太陽池的各方面參數都有所提高.主要是由于米字型金字塔溝壑密度減少,金字塔面比較光滑,減少了少數載流子在界面復合速率.30但是由于晶面不唯一,晶面上懸掛鍵的增加,鈍化效果變差,從而使得Voc較低.四面體金字塔制備的SHJ太陽電池的性能達到最好.低的反射率,促進更多的光子進入電池中形成高的Jsc.良好的表面形貌:獨立少嵌套金字塔結構,光滑的(111)面和圓的頂端,均可以有效改善非晶硅薄膜和晶體硅之間的接觸,31提高界面性能,32最終使SHJ電池的各項電學參數得到顯著的提升.

圖3 不同結構金字塔使用本征非晶硅(i-a-Si:H)鈍化后的少子壽命圖Fig.3 Effective carrier lifetime of different textured pyramidal structures passivated by the intrinsic hydrogenated amorphous silicon(i-a-Si:H)

圖4 (a)硅異質結(SHJ)太陽電池的結構示意圖,(b)三種絨面金字塔結構制備SHJ電池的電流密度-電壓(J-V)曲線和(c)外量子效率(EQE)曲線Fig.4 (a)Schematic plot of silicon heterojunction(SHJ)solar cell structure,(b)current density-voltage curves,and(c)external quantum efficiency(EQE)spectra of final SHJ solar cells on three textured pyramidal structures

表2 不同結構金字塔制備SHJ電池性能參數Table 2 Performance parameter of SHJ solar cells with different pyramidal structures

4 結論

本文采用四甲基氫氧化銨溶液制備三種不同形貌的金字塔結構作為硅異質結電池襯底,并應用到電池中.研究了不同形貌的金字塔做襯底對硅片表面鈍化和異質結電池的影響.我們發現,均勻且獨立四面體金字塔結構能夠有效地陷光,提高異質結太陽電池的短路電流;光滑的(111)晶面圓滑的頂部有利于非晶硅薄膜的沉積,提高鈍化效果;良好的陷光特性及好的界面特性有利于后續SHJ電池的制備,提高電池的性能.

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