超薄柔性单晶硅的陷光结构制备与电池性能研究-许亚军-solarbe文库

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许亚军沈鸿烈徐彬彬唐群涛南京航空航天大学材料科学与技术学院 2020 年11月4日超薄柔性单晶硅的陷光结构制备与电池性能研究 2020年中国太阳级硅及光伏发电研讨会 1一背景介绍目录超薄晶硅的陷光结构制备超薄晶硅太阳电池二三结论四 2一、背景介绍定义利用硅纳米结构在较宽光谱范围内实现较高的减反射，从而使得硅片表面呈黑色，故称为“黑硅”。硅纳米结构减反射示意图表面具有纳米结构硅片SEM 图硅纳米结构AFM 图 3MACE 法 RIE 法 Energy Environmental Science, 2011, 482863-2869. Chemical Communications,2011, 47216108-6110. 一、背景介绍 4定义厚度小于50μm 且结晶质量接近传统体硅的太阳电池优点具有柔性，质量轻，省硅料，容易实现电池与不同结构物体表面的紧密贴合，质量比功率高。至上而下法，既先将传统的硅片（180μm ）采用碱腐蚀的方法减薄至 50μm 以下，然后制备成电池至下而上法，既采用气态源沉积出高质量且 50μm 以下硅薄膜，然后制备成电池制备方法一、背景介绍 5高效超薄晶硅太阳电池优越陷光与比表面积增加之间的合理协调优越的表面钝化技术扩散工艺的合理选择与优化电池结构的合理设计比表面积增加为原来 1.7 倍，反射率低于 1 结位于纳米结构上 n p 结位于纳米结构下 n p HIT IBC 所得细小硅纳米结构采用酸或碱进行扩孔一、背景介绍 6不同样品镀膜前后反射率不同样品镀膜前后加权平均反射率不同样品的少子寿命测试双面沉积SiN x 后Etc-60 、Etc-80 及Etc-95 样品的 τ eff 均与平面抛光硅（183 μs ）的少子寿命相当，分别为173μs 、 165 μs 和177 μs ，而Etc-40 的 τ eff 最小，仅为27 μs ，这表明只有Etc-40 样品不能直接作为太阳电池绒面使用。二、超薄晶硅的陷光结构制备 7 1. 超薄晶硅材料制备2. 倒金字塔结构 SiH 2 O 2 →SiO 2 H 2 ↑ 1 SiO 2 6F - 4H →SiF 6 2- 2H 2 O 2 不同NSR 处理时间后SEM ，表面（a ）制备态黑硅；（c ） 100s ；（e ）200s ；（g ）300s ；（i ）400s ；（k ）600s ；截面（b ）制备态；（d ）100s ；（f ）200s ；（h ）300s ；（j ）400s ；（l ）600s ；插图 400s 处理后沉积SiN x 钝化膜 NSR （Nanostructure-rebuilding ） 2.52M H 2 O 2 0.42M NaF Solar Energy, 2017, 14291-96. 二、超薄晶硅的陷光结构制备结构最底部尖端处之间的距离决定最终倒金字塔尺寸 8二、超薄晶硅的陷光结构制备不同MACE 温度制备的倒金字塔结构SEM 图（a）（d ）25℃ ；（b）（e ）40℃ ；（c ）（f ）60℃ ；（g ）- （i ）相应倒金字塔尺寸统计数据。a-c 中左下角插图为相应样品的宏观实物照片 9 Applied Surface Science, 2019, 14588.3. 倒金字塔最优尺寸模拟 FDTD 模拟所得不同尺寸倒金字塔结构反射率结果（a ）倒金字塔结构反射率与尺寸等值线图；（b ）R avg 与倒金字塔尺寸关系 FDTD 模拟计算软件界面尺寸为800nm 的纳米倒金字塔结构是超薄单晶硅太阳电池表面最佳陷光结构。二、超薄晶硅的陷光结构制备 10超薄晶硅材料制备优越的表面陷光优越的表面钝化合理的电池结构设计高效超薄晶硅太阳电池硅纳米锥硅纳米倒金字塔 HIT IBC MWT ALD Al 2 O 3 , TiO 2 等 Al 2 O 3 /SiN x , i a-SiH/ p a-SiH 叠层等三、超薄晶硅的太阳电池 11不同表面条件45μm 超薄单晶硅的计算和测试所得J sc ，其中Yablonovitch 极限值作为参考表面特性不同的45μm 超薄单晶硅截面SEM 图（a ）F-60B-95 ；（b ）F-60 ；（c ）B-95 ；（d ） F-flatB-flat ；（e ）F-95B-95 三、超薄晶硅的太阳电池 12器件 V oc mV FF J sc mA/cm 2 E ff. F-60B-flat 654 73.8 35.03 16.9 F-60B-95 656 73.1 36.12 17.3 F-95B-95 638 72.9 32.24 15.0 F-flatB-flat 634 74.2 30.37 14.3 不同表面特性的45μm 超薄单晶硅太阳电池性能总结三、超薄晶硅的太阳电池 13单面与双面制绒超薄单晶硅电池光学计算结果对比（a ）双面与（b ）单面制绒超薄晶硅太阳电池结构示意图。（c）（d ）600nm 和（e ）（f ）1100nm 处双面与单面制绒超薄晶硅太阳电池的横截面能量ǀEǀ 2 分布模拟图表面特性不同的45μm 超薄单晶硅太阳电池EQE 曲线图，图中 △J sc 代表F-60B-95与F-60B-flat 两样品EQE 的差值三、超薄晶硅的太阳电池 14四、总结 ♦ 样品的R avg 低于传统正金字塔的R avg 值11.3 。综合考虑减反射及钝化，Etc-60 可代替传统金字塔作为减反射绒面。 ♦ 通过FDTD 模拟表明倒金字塔尺寸不断增加时，R avg 随之变小，在800nm 后趋于平衡。基于减反射性能与减薄量的综合考虑，800nm 左右的纳米倒金字塔最适合用于超薄单晶硅电池。 ♦ 基于未抛光硅片，通过ρ 值调节获得正反面具有尺寸失配结构（F-60B-95 ）的45μm 超薄单晶硅，其理论J sc 为41.57mA/cm 2 ，非常接近同样厚度晶硅的极限值（41.92mA/cm 2 ）。 ♦F-60B-95 制绒的45μm 超薄单晶硅电池的光电转换效率为17.3，比F-60B-flat 电池高0.4 。主要源于J sc 的增加。与F-60B-flat电池35.03 mA/cm 2 的J sc 相比，F- 60B-95 电池的J sc 增益为1.09 mA/cm 2 15谢谢 16