研究表面纳米级钝化的太阳能电池

研究表面纳米级钝化的太阳能电池

摘要：

纳米级太阳能电池有着其独特的属性，但也有一些缺点，尤其是在制造工艺上有着一定难度。纳米结构的晶体硅太阳能电池基于银催化的化学腐蚀法已经被可控制合成。这样，只有电池的前表面是刻蚀的后表面保护，这是发现通过新方法比通过传统的HF/AgNO3腐蚀能得到更好的光学性能。电池的开路电压和短路电流分别增加了百分之六和百分之十一。然后通过双层的(SiO 2 & SiN x )钝化和传统的氮化硅的钝化对比。它也被发现新的工艺钝化的太阳能电池的开路电压和短路电流提高了百分之四和百分之二十五。这样的结果会使得人们对纳米级晶体硅太阳能电池更加感兴趣。

介绍：

近年来，研究光伏吸引了关注。基于晶体太阳能电池硅（Si）的纳米结构（N阵列已经充当为下一代光伏候选人，由于其超低的反射率和优良的增强在捕获。相比于金字塔纹理太阳能电池，采用NS阵列的平面细胞组织—NG的报道有更好的光捕获能力，这表明更好的入射光吸收特性当入射光的反射和传输的结构

太阳能电池的能量转换效率，最终造成相当大的损失，NS阵列表现出一种很有前途的

在提高晶体硅太阳能电池性能的前景。NS阵列已通过实证的方法，包括气-液-固（VLS）的各种技术论证生长的方法，面罩辅助深反应离子蚀刻（RIE）的干蚀刻[ 10，11 ]，和化学蚀刻使用银（Ag）作为催化剂[ 12，13 ]。在这些，银催化化学刻蚀技术已报道到目前为止产生具有超低垂直对齐NS阵列反射率小于3% [ 14 ]。这种技术可以制造大型NS阵列迅速在室温和大气。因此，它是非常简单的和较低的成本比其他技术，标签本身作为最幸运的工业化的适用技术。然而，直到现在，最终的能量转换NS阵列纹理单晶硅太阳能电池的效率没有相当满意。这个结果是由各种问题包括以下两个方面造成的。首先，银催化化学蚀刻是非选择性的和它所产生的NS阵列在Si晶片的两侧。作为一个结果，所制造的太阳能电池的背表面粗糙的铝（Al）的背表面场（BSF）剥离。这增加背表面的复合。其次，NS

阵列结构扩大太阳能电池的前表面面积，导致前表面复合的增加。

2. 实验内容

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P型硅片以及20 mm×20毫米细胞面积将会用到。所有的硅片三种类型（NS，NS - B，C 和NS）将清洗干净以及硫酸和氢过氧化物。原生氧化层表面会被刻蚀掉，沉积的Ag薄膜是我们在硅片正表面NS B和C电子NS电子束蒸发。然后另外两种硅片

通过快速热处理是热的。高温处理后，银纳米颗粒的分布是前线如果硅片表面。

反之，硅片在NS -是镀上 HF／AgNO3存银颗粒的混合物。

然后三种硅片都在纯水缓冲HF和H 2 O 2蚀刻溶液在25摄氏刻蚀成金字塔形的 NS变形表面。硅片表面的颜色在浓硝酸中除去银残留物但放置两小时后会变成黑色，

在传统的扩散过程对于所有的硅片是一样的，不同的钝化方法将会得到

不同种类的硅片。

（一）NS：后表面被蚀刻。表面是前线沉积的氮化硅（80 nm PECVD SiN x）中。

（二）NS（后表面是光滑的。表面是前线沉积的沉积PECVD氮化硅由80 nm。

（三）NS C：后表面是光滑的。表面是前线首先Grown of二氧化硅（SiO 2）的热氧化在750℃20分钟，然后镀上的80纳米硅用PECVD氮化。

边缘隔离后，前后两侧丝网印刷与Al和Ag浆料形成铝背场和前电极，然后烘烤的不同的贴印片。最后，干片共带了炉两端实现欧姆接触。的叙述了这三组细胞示意图，图1（a），（b）和（c）。图1（d），前回观NS纹理的太阳能电池具有不同的蚀刻方法。

3.结果与讨论

3.1表面形貌及NS阵列的光学特性剖视图和前视图的平面南北向的表面使用场发射扫描电子显微镜（SEM）分析在日立s4800装置，如图2（a）和（b）。和图2（c）和（D）显示平面视图和横截面视图的前面ns-b.的两者的结构尺寸表NS的纹理表面约50–300 nm的水平4和6米的垂直–μ两种硅NS纹理都是合成基于银催化化学蚀刻在硅晶片上形成的Ag 粒子的不同。为南北向，银粒子沉积的湿过程中的大小和分布的随机形成的。作为一个结果，这因此蚀刻纳米结构的横向尺寸是随机的。然而，对于Ns个-b银颗粒通过物理过程产生的，其大小和分布是有选择性的，均匀的和可控制的该预沉积银薄膜厚度的变化。因此，蚀刻纳米结构的形成大小的硅晶片和更均匀的正面。的NS纹理的反射率（南北向，Ns个-b和

NS-C）如图3所示。据证实，NS的纹理表现出较低的空白反射超晶片以及一个金字塔纹理。所有这些NS纹理，反射（R）的比率大大低于300–1000波长范围在5%nm。此外，在波长为800 nm的证明拥有太阳的最佳量子效率细胞[ 17 ]，该值可达到3%左右，即使是在Si 表面的合成。

这个观察到的减少反射两种蚀刻NS纹理可以从的角度解释波动光学的观点。入射光会被吸收由两个主要机制，一是在当地吸收散装材料，和其他光的表面纹理结构捕获，最终起作用的R比。对于平面硅表面，前者的机制主要影响因素和R比无法克制。然而，在四NS 下阵列装饰面，作为一个四NS阵列的直径变得与入射光的波长，入射光将主要分散，延长了光路长度。因此，光俘获明显增强和反射会显著抑制。根据理论分析和实验结果以上，提示两种刻蚀方法应该有效地产生近NS的纹理相同的优良的光学特性，尽管这些形成NS纹理的表面形貌有所不同。此外，作为R比值曲线Ns个-b和NS-C显示，SiO 2层的添加不影响NS结构抗反射性能。

比较不同NS变形电池的电性质

当电流电压（I-V）图4和少数曲线载流子寿命（τeff）表1测量说明Ns个-b显示更好的性能比南北向，其中每个Ns个-b参数（V OC–500 MV，我SC–0.075效率18，τ–μS比南北向（V OC–470 MV，我SC–0.067，τEFF–μS）7.8。结合量子效率曲（QE）的南北向和Ns个-b图5所示的测量揭示了南北向的光谱响应低于的Ns个-b，尤其在长波长范围。

南北向和Ns个-b的本质区别是不同形成的NS阵列。根据以往的研究，NS的纹理表面的反射率降低太阳能电池，但表面粗糙度增加，[ 15 ]。在这工作，晶片的背表面进行蚀刻，严重的南北向在刻蚀过程中，在晶片的背面Ns个-b不被破坏，如图1和2所示。的南北向单元两侧刻近同样的，和铝背场烧结后部分脱落，而对于Ns个-b，细胞表面纹理，但背面是很好的保护和光滑，和铝背场刚好接触。这种差异的影响在以下几方面对NS纹理的电池性能。首先，不接触铝背场的南北向不能作为Ns个-b一起同样的作用，使在较宽的波长下的响应。BSF位于通过铝丝网印刷和烧结的典型的太阳电池的背面。这形成了一层薄薄的p+区域附近太阳能电池背表面，如图2中红色圆圈所示（F）。当太阳光穿透细胞，少数载流子产生和收集。收集概率是对少数民族的扩散长度有关载体。P+区可以帮助载流子漂移PN 结，从而延长了少数的扩散长度载体的数学。根据这一分析，BSF可以提高光生电流和部分抵消表面复合以及影响。因此，该不良接触铝背场不仅降低了短路电流（Isc）还降低了开路电压（V OC）的ns-a.其次，粗糙的背面增加了重组因此减少光的收集诱导产生的载流子在后侧，导致在长波长范围内的光谱响应差。这引起了减少I SC ns-a.再次，两者的不同表面形貌NS阵列类型也对细胞的电性质的影响。如图2所示，南北向与垂直针阵列（纳米线）和Ns个-b纳米孔阵列。据报道[ 18 ]，纳米线阵列是脆弱的，容易破裂。因此，破解纳米线增加重组以及泄漏太阳能电池，纳米孔阵列可以不发生。这降低ns-a. V OC总之，虽然同样优异的光学，ns-b-textured晶体硅太阳能电池优于ns-a-textured的电。然而，这些细胞显示

出比NS质感空白单元格和金字塔绒面电池性能差。根据QE图5测量，NS绒面电池的光谱响应是在长波长范围内但在空白和金字塔纹理细胞短波长范围较低。这些结果表明，一方面，NS细胞具有良好的光捕获纹理增强，从而增加QE长波长范围。另一方面，前的NS 细胞表面纹理重组仍高，这降低了量化宽松政策在短波长范围。

3.3钝化NS纹理的太阳能电池

NS硅太阳电池，前表面复合也高于平面细胞，这表明有效的钝化是一个关键点。之前被沉积SiN x—公司对Ns个-b，薄薄的一层SiO 2表面上生长通过热氧化的NS-C。如图4和表1表明，NS-C（V OC–520 MV，我SC–0.094，EFF–μτ23 S）具有更好的性能Ns 个-b（V OC–500 MV，我SC–0.075效率18，τ–μS）。它建一个双层（SiO 2和SiN x）钝化应更多在NS纹理细胞表面有效比单层SiN x的。这个结论也可以从量化宽松措施吸引—在图5中的测量。表面钝化的太阳能电池中起着重要的作用”制造由于表面复合有在V OC 和I SC的主要影响。高—在前表面复合速度也特别由于前表面的有害影响的I SC对应于载体的最高代区太阳能电池。降低表面复合高—方法通常是通过减少完成悬空硅键在前表面。传统的平面太阳能电池，钝化层可沉积SiN x和重叠，几乎整个区域的前表面自细胞表面是平的。而NS纹理的太阳能电池，高波动性NS阵列表面不能完全通过常规的SiNx沉积覆盖。热氧化形成SiO 2层沿整个硅晶片表面的，不管它是如何波动。自四细胞表面氧化过程中，氧原子每个Si悬挂键饱和。此外，自咆哮氧化可去除硅电池表面的损伤和缺陷。然而，有一些要求的厚度SiO 2层。薄的SiO 2层的不均匀性和不能有效地钝化Si表面，而较厚的一个削弱NS阵列抗反射性能和需要一个长时间的热处理，因此受伤硅电池。因此，在SiO 2的最佳厚度在这种情况下，在10 nm。在这项工作中，热氧化的SiO 2层的形成是在750℃20分钟后SiO 2层厚度为10 nm可以得到这种方式不经历长时间的高温过程。据统计，与传统的SiNx钝化相比，V OC NS结构太阳电池提高4%的金额和我SC 25%通过双层钝化。它的结论是，薄薄的一层SiO 2生长在NS绒面电池在SiNx沉积使钝化更有效。

4结论

总之，本工作合成了四NS阵列基于银催化化学蚀刻选择性和可控技术。在对比传统的蚀刻在HF／AgNO 3，新方法可以产生NS的纹理坐落在太阳电池的正面。在这种方式中，电池的背面可以保护铝背场能被精细地接触。此外，在钝化步骤，一双层钝化由SiO 2和SiN x进行出。的I-V曲线，QE测量与统计τ效果表明，钝化法SiO 2加罪NS更有效的硅太阳电池相比，传统的SiNx沉积。这些令人鼓舞的结果提供基本资料开发NS纹理硅太阳电池在以下方面。