En comparación con las células solares convencionales, las células solares de contacto posterior interdigitado (IBC) tienen varias características especiales, incluidos puntos de contacto posterior y contacto posterior, por lo que no están sujetas a la pérdida de sombreado de la rejilla metálica frontal. Al no haber rejilla frontal, la luz es más brillante y la resistencia en serie es menor, lo que mejora la eficiencia. Las células solares IBC fueron descubiertas por primera vez por Lammert y Schwartz (1977) y Swanson et al. (1984). En 2013, Fraunhofer ISE (Reichel et al., 2013) y el Centro Interuniversitario de Microelectrónica (IMEC) (Singh et al., 2014) desarrollaron un proceso de metal evaporativo para fabricar células solares IBC con una eficiencia de conversión (η) de 23,0%. En 2014, la Universidad Nacional de Australia (ANU) demostró una célula solar IBC con una eficiencia del tamaño de poro del 24,4 % mediante apilamiento pasivado y litografía (Franklin et al., 2016). En 2015, el Instituto Hamelin de Investigación en Energía Solar (ISFH) desarrolló un proceso láser de implantación de iones para fabricar células solares IBC con una η del 23,4 % (Brendel et al. 2016). En 2016, SunPower anunció la producción de células solares IBC de 5 pulgadas utilizando tecnología de serigrafía y contacto pasivado con una tasa η del 25,2% (Smith et al., 2016). Kaneka produjo células solares de heterounión de silicio con una η de 26,7 % de contacto dorsal interdigitado (HJ IBC) (Belarbi et al., 2016) (Yoshikawa et al., 2017). Anteriormente informamos mejoras η que reemplazan los contactos de plata tradicionales y las pasivaciones de un solo paso mediante la evaporación por haz de electrones de los contactos de aluminio, la serigrafía y la pasivación por apilamiento (Chen et al., 2015, 2017). Aquí, nos centramos en el contacto de pasivación a escala micrométrica y ajustamos los niveles de dopaje al procesamiento industrial de células solares IBC.

En las células solares IBC, la pasivación, la difusión y el contacto afectan obviamente el rendimiento de la célula solar. En estudios anteriores, encontramos que las estructuras pasivadas laminadas tienen más ventajas que las estructuras pasivadas simples. Las capas de pasivación apiladas SiO2/SiNx:H y Al2O3/SiNx:H (Duttagupta et al., 2013) han desempeñado un papel en la producción de células solares de silicio de alta eficiencia, mientras que SiO2/SiNx:H y Al2O3/SiNx:H están unidos por superficie a n+ y p+, respectivamente (Chen et al., 2015). Además de la pasivación, las propiedades de una célula solar IBC dependen de su nivel de contacto y dopaje. La resistividad de contacto específica (ρc) y los parámetros de recombinación (Jo) dependen principalmente del nivel de dopaje (Schroder y Meier, 1984). Se encontró que Jo disminuye a medida que aumenta la resistencia al desconchado (Rs) (Müller et al., 2012). El uso de contactos de pasivación en células solares reduce significativamente el valor de Jo (Glunz et al., 2015).

En este artículo se estudian células solares IBC con geometría de contacto del tamaño de una micra y niveles de dopaje. La geometría de contacto óptima y los niveles de dopaje apropiados para tamaños más pequeños pueden afectar significativamente el rendimiento de las células solares, como el voltaje de circuito abierto (Voc), la densidad de corriente de cortocircuito (Jsc), el factor de llenado (FF) y la eficiencia de conversión (η) (Zanuccoli). et al. 2015; Nichiporuk et al., 2005). 3D Quokka@ (Fell et al., 2014; Jin et al., 2018) para simular la geometría de contacto a escala micrométrica de células solares IBC. Además, se simuló el nivel óptimo de dopaje de esta célula solar IBC de contacto a nivel de micras. Finalmente, el análisis de pérdida de energía apunta a un camino más cercano al 25% de eficiencia de conversión en la producción industrial de bajo costo al reducir aún más el tamaño del contacto y optimizar el nivel de dopaje en obleas de alto volumen y vida útil.

Preparación y teoría de células solares IBC.

La Figura 1 muestra un esquema de los contactos de pasivación a escala micrométrica en la estructura de una célula solar IBC. La construcción de una célula solar IBC requiere más de 30 pasos. La Figura 2 muestra los pasos estructurales y de fabricación más relevantes en la tecnología industrial de bajo costo. En primer lugar, las obleas de tipo n de gran volumen de vida se graban y se limpian con RCA. En segundo lugar, se introduce tribromuro de boro líquido (BBr3) en la entrada del gas portador argón (Ar) aguas arriba para formar un emisor p+ y se transmite a 200 sccm durante 30 minutos a 960 °C. Luego, la zona de difusión se graba hasta una superficie n+. En tercer lugar, la difusión se lleva a cabo con tricloruro de fósforo líquido (POCl3) como campo de superficie posterior (BSF) introduciendo el precursor a una velocidad de 600 sccm en un gas portador argón aguas arriba durante 20 minutos a 850 °C. Luego se texturizan las células, se difunde el campo de la superficie frontal (FSF) y se apila Al2O3/SiNx:H sobre la superficie de la célula para su pasivación. Utilice un láser para abrir un orificio de contacto del tamaño de una micra en la parte posterior. Luego, el orificio de contacto se serigrafia con una pasta de plata de baja ρc encima del orificio de contacto pasivado, llenando así el orificio de contacto. Esta capa se recoce en aire a 750 °C, formando un contacto óhmico.

Las células solares se evalúan en función de η, cuanto mayor sea η, más populares son las células solares. A continuación se proporciona una breve descripción teórica para ilustrar los entresijos de la simulación y los resultados experimentales.

La ecuación (1) muestra que Voc está sujeto a Jsc, Jo y una gestión bipolar.factor (n). En general, Jo está estrechamente asociado con los niveles de dopaje y la calidad de pasivación de la superficie, mientras que un Jo más bajo da como resultado un Voc más alto (Jin et al., 2018). La ecuación (2) muestra que FF está sujeto a Jsc, Voc, resistividad en serie (rs) y el factor de relleno potencial "pseudo" pFF (Verlinden et al., 2012). Dado que ρc es directamente proporcional a rs, un ρc más bajo dará como resultado un FF más alto (Qi y Wang, 2013). En general, ρc también depende del nivel de dopaje. Tanto ρc como Jo se ven afectados por el nivel de dopaje, lo que afecta el resultado de η. La ecuación (3) indica que η depende de Jsc, Voc, FF y la potencia óptica incidente (Pin) por unidad de área de la célula solar. Combinando estas ecuaciones, se puede ver que ρc y Jo más bajos conducen a Voc y FF más altos, lo que a su vez conduce a η más alto, que está determinado por las ecuaciones (1)-(3). Por lo tanto, es razonable reducir ρc y Jo y así aumentar η variando la pasivación, el nivel de dopaje y el tamaño del contacto.

El nivel de dopaje de la célula solar se mide mediante el voltaje de capacitancia electroquímica (ECV) para medir la curva de difusión, y Jo se mide mediante el método de atenuación de guía óptica (PCD) utilizando el instrumento Sinton WCT-120 (Kane y Swanson, 1985). ; ρc se prueba mediante el método de la línea de transmisión (TLM) (Reeves y Harrison, 1982), y el rendimiento de la célula solar se mide mediante la eficiencia cuántica (QE) y la corriente-voltaje (IV).

2.2. Niveles de dopaje en superficies P+ y N+

Los niveles de dopaje juegan un papel importante en el rendimiento de las células solares, afectando a Jo y ρc (Franklin et al. 2016). El nivel de dopaje puede controlarse mediante la temperatura y el momento de las etapas de deposición, penetración y reoxidación, así como el flujo de gas. Podemos obtener niveles de dopaje apropiados controlando estos parámetros, incluido el Rs, que depende principalmente de la concentración en la superficie y la profundidad (Chen et al., 2015).

La Figura 3 muestra las curvas de dopaje para fósforo y boro. Durante la difusión del boro, el cambio de la temperatura de conducción altera las Rs, lo que da como resultado la formación de una superficie p+ del emisor en la célula solar. Cuando la temperatura de desplazamiento aumenta, la concentración superficial aumenta, la profundidad disminuye y la Rs disminuye. Cuando la temperatura de entrada cae de 980 °C a 940 °C, la Rs de la superficie P+ aumenta de 70 Ω/□ a 115 Ω/□. Durante la difusión de fósforo, cambiar la temperatura de deposición puede alterar Rs para formar una superficie n+. Cuando la temperatura de deposición aumenta, la concentración superficial y la profundidad aumentan, por lo que la Rs disminuye. Cuando la temperatura de deposición cae de 870 °C a 820 °C, la Rs de la superficie n+ aumenta de 14 Ω/□ a 28 Ω/□. Por tanto, la concentración superficial y la profundidad de difusión del fósforo aumentan a medida que Rs disminuye.

En este artículo, la pasta de plata de bajo ρc se serigrafía como contactos metálicos de células solares IBC con un espesor de 3 μm. En general, ρc depende principalmente de la temperatura de recocido de Rs y de la oblea de difusión. Como puede verse en la Tabla 1, Rs tiene un efecto sobre ρc, y cuanto menor es Rs, menor es ρc en las superficies p+ y n+.

En otras palabras, Rs es crucial porque afecta directamente a ρc y Jo. Para lograr una célula solar de alta eficiencia, se deben minimizar tanto ρc como Jo. Desafortunadamente, en la Tabla 1 encontramos que Jo, BSF (Jo de BSF en la superficie n+) y Jo,e (Jo del emisor en la superficie p+) disminuyen al aumentar Rs en las superficies n+ y p+, respectivamente. A medida que la concentración superficial disminuye y la profundidad de difusión se adelgaza, el valor de Jo posterior también disminuye. La relación entre Jo y Rs se invierte. Para lograr un valor de Jo más bajo con Rs más altos, se requiere un ρc más alto. Además de los niveles de dopaje, la pila AlOx/SiNx:H también se utiliza como capa de pasivación en las superficies p+ y n+ para obtener valores bajos de Jo en células solares IBC (Chen et al. 2017).

Por lo tanto, niveles bajos de dopaje de Jo y ρc son apropiados en altas concentraciones superficiales y profundidades delgadas. El nivel óptimo de dopaje se puede obtener controlando la temperatura de deposición, la temperatura de conducción y el flujo de gas de difusión. Dado que Rs en las superficies n+ y p+ es el principal parámetro de difusión, se discutirá en la sección de simulación de células solares.

2.3. Procesamiento de contacto a escala micrométrica de células solares IBC

La geometría de contacto influye en la resistencia de contacto y en la pasivación de la célula solar IBC. En nuestros experimentos, se grabaron orificios de contacto del tamaño de una micra con un láser. En las células solares existen diferentes geometrías de contacto, especialmente el radio y la distancia de los orificios de contacto. En nuestro estudio, la relación de contacto varió con el radio de contacto y el espacio de contacto. Las Figuras 4(a) y (b) muestran Jo-n+ y Jo-p+ con diferentes relaciones de contacto probadas en los planos n+ y p+, respectivamente. En las superficies n+ y p+, los valores de dopaje de Rs son 14 Ω/□ y 70 Ω/□, respectivamente. Descubrimos que cuando la relación de contacto de toda la superficie se vuelve más pequeña, los valores de Jo de las superficies p+ y n+ también se vuelven más pequeños. Esto puede explicarse por el hecho de que a medida que se abre el orificio de contactose hace más pequeño, la superficie de pasivación se hace más grande. A medida que la relación de contacto disminuye, la superficie de pasivación aumenta y el valor de Jo disminuye. Existe una relación lineal entre Jo (Jo-p+ y Jo-n+) y la relación de contacto.

En la producción de bajo costo de células solares IBC, el grabado químico y la serigrafía se utilizan a menudo para abrir orificios para la zona de difusión BSF y orificios de contacto, ya que son más convenientes de procesar. Sin embargo, debido al radio limitado del grabado químico (al menos 50 μm), el procesamiento láser puede abrir orificios de contacto más pequeños mediante pasivación, hasta 5 μm. Además, el patrón grabado con láser es uniforme. Con el mismo espaciado, cuanto menor sea el radio de contacto, menor será la velocidad de contacto. En la siguiente sección, se simularán células solares IBC con diferentes inclinaciones y radios utilizando 3D Quokka@ para lograr un equilibrio entre alta eficiencia y confiabilidad técnica.

3. Resultados y discusión

3.1. Simulación con diferentes parámetros.

En esta sección, se utiliza la simulación 3D Quokka@ para simular Voc, Jsc, FF y η de células solares IBC con diferentes relaciones de contacto. Los parámetros de difusión y pasivación de las células solares IBC son consistentes con diferentes relaciones de contacto. Los valores de Rs para superficies n+ y p+ son 14 Ω/□ y 70 Ω/□, respectivamente. La Tabla 1 enumera los valores de Jo,BSF, Jo,e, ρc-n+ y ρc-p+. A medida que varía la relación de contacto, el radio del orificio de contacto varía de 10 μm a 50 μm, y el espaciado de los orificios de contacto varía de 200 μm a 800 μm. La Tabla 2 resume los parámetros de simulación para el diseño del tamaño de contacto en micras de las células solares IBC. Los valores de Jo,cont-n+, Jo,cont-p+ y Jo,FSF son 570 fA/cm2, 1250 fA/cm2 y 15 fA/cm2, respectivamente. En la simulación de una célula solar IBC del tamaño de una micra, la fracción de BSF para la parte trasera fue de 0,12 y la vida útil del cuerpo fue de 5 ms.

Los valores obtenidos utilizando los parámetros en la Tabla 2 se muestran en la Figura 5a-d, donde el radio y el espaciado representan el tamaño de los orificios de contacto y la distancia de los orificios adyacentes en las regiones p+ emisor y n+ BSF, respectivamente. Según la Figura 5a-d, Voc, Jsc, FF y η difieren al disminuir el radio y el espaciado. Cuanto mayor sea el espaciado y menor el radio, mayor será el valor de Voc, pero menor será el valor de FF. Cuanto menor sea el tono y mayor el radio, menor será el Voc y mayor será el FF. La razón de esto es que, como se puede ver en la Figura 4, Jo disminuye a medida que disminuye la relación de contacto. Estos resultados de simulación son consistentes con las ecuaciones (1)-(3) (Sección 2.1) e indican que cuanto menor es el valor de Jo, mayor es el valor de Voc. Por lo tanto, se debe equilibrar el tamaño del radio y la separación de la geometría de contacto. El radio y el espaciado optimizados (simulados) en la Figura 5 aumentaron el Voc en casi 40,0 mV. El radio y el espaciado disminuyeron de 50 μm y 200 μm a 10 μm y 200 μm, el FF disminuyó casi un 10,0% y el radio y el espaciado disminuyeron de 10 μm y 800 μm a 10 μm y 200 μm, respectivamente. Si bien una eficiencia de conversión del 23,5 % es impresionante, tenga en cuenta que estos valores se basan en radios y espaciado de 30 μm y 600 μm. Las condiciones de deposición y las técnicas de pasivación pueden producir parámetros de pasivación más bajos y FF altos, lo que en principio puede mejorar aún más η.

3.2. Explore las células solares IBC con contacto a escala micrométrica y niveles de dopaje en forma

El dispositivo se fabricó en un Quokka@ 3D utilizando las R determinadas experimentalmente en la Sección 2.2 y los valores óptimos de espaciado y radio de los orificios de contacto en la Sección 3.1.

La Figura 6a muestra una imagen de eficiencia cuántica interna (IQE) de una célula solar IBC con contacto a escala micrométrica y niveles de dopaje en forma. La menor absorción de la capa pre-SiNx:H mejora el IQE en longitudes de onda más pequeñas. Esto sugiere que la baja reflexión y la alta velocidad de respuesta de la iluminación incidente dan como resultado una mayor corriente de salida. El tamaño de la celda es 2⨯2 cm2, la resistividad aparente es 3 Ω⨯cm, el paso es 600 μm y el radio de contacto es 30 μm, lo cual es estable y se puede obtener con un procesamiento industrial de bajo costo. Los valores de Rs para superficies n+ y p+ son 14 Ω/□ y 70 Ω/□, respectivamente.

La Figura 6b contiene las características JV de una célula solar IBC de contacto pequeño en AM 1,5G. La η de la célula solar fue del 23,5%, la Voc fue de 690,0 mV, la Jsc fue de 42,0 mA/cm2 y la FF fue del 81,0%. La Figura 5 muestra que las células solares simuladas producen 692,5 mV, 41,8 mA/cm2 Jsc, 81,3% FF y 23,5% η. Por lo tanto, los resultados de las células experimentales son consistentes con los de las células simuladas. Los resultados muestran que las células solares IBC con contactos a escala micrométrica pueden optimizar el valor de Jo para producir valores de Voc y η relativamente altos según la ecuación. (1)–(3).

3.3. Simule el nivel de dopaje de la celda IBC de contacto de micrones optimizada en función de Rs

La Tabla 3 muestra los niveles de dopaje de Rs en los emisores n+BSF y p+ de células IBC de contacto pasivadas a escala micrométrica. La simulación utiliza una oblea de gran volumen y vida útil, baja resistencia de contacto y contactos pasivados a nivel de micras. Los radios de los electrones y de los poros de contacto son 100 μm y 5 μm,respectivamente, y la vida del volumen es de 9 ms. La puntuación BSF en la parte trasera cayó a 0,04. El dispositivo de referencia ha retrasplantado valores de Jo,FSF,Jo,cont-n+ y Jo,cont-p+ de 5 fA/cm2, 280 fA/cm2 y 810 fA/cm2, respectivamente (Franklin et al., 2016) . Los otros valores de parámetros utilizados se muestran en la Tabla 1. Los resultados muestran que el rendimiento de las células solares mejora al optimizar el nivel de dopaje, las obleas de vida útil de alto volumen y los contactos pasivados. Los resultados muestran que el nivel de dopaje intermedio, los valores Rs de los emisores n+ BSF y p+ son 20 Ω/□ y 90 Ω/□, respectivamente, y el contacto de pasivación en la oblea de silicio de alto volumen de vida es ideal para lograr células solares IBC optimizadas. , con una Voc de 715 mV, Jsc de 41,8 mA/cm2, FF de 83,5% y η de 25,0%.

3.4. Análisis de pérdida de energía optimizado experimentalmente de células solares IBC

La Tabla 4 muestra el análisis de pérdida de energía promedio de las células solares IBC experimentales y optimizadas. La pérdida de energía está relacionada con la corriente que pasa a través del difusor, a través de la interfaz de contacto, a lo largo de la compuerta y la barra colectora, y a través de la parte inferior de la batería. La pérdida de potencia de la resistencia en serie externa de la celda optimizada es 0,03 mW/cm2 menor que la de la celda experimental. La pérdida de energía combinada de la célula solar optimizada es de 0,15 mW/cm2, que es menor que la de la batería experimental. La pérdida de potencia por resistencia interna de la célula solar optimizada es de 0,41 mW/cm2, que es menor que la de la batería experimental, mientras que la pérdida de potencia por resistencia de contacto de la célula solar optimizada es de 0,04 mW/cm2, que es mayor que la de la batería experimental. . Como resultado, la resistencia combinada e interna de la celda experimental resultó en una pérdida de potencia de 0,56 mW/cm2 mayor en comparación con la celda optimizada. La pérdida de potencia entre estas dos celdas puede deberse principalmente a la geometría de contacto de menor tamaño en micras y al nivel de dopaje optimizado.

El nivel de dopaje y el contacto de pasivación a escala micrométrica en las células solares IBC tiene un gran impacto en la eficiencia de las células solares IBC. Con la tecnología de metalización de baja resistividad de contacto, se pueden lograr contactos de pasivación a nivel de micras y niveles de dopaje optimizados en obleas con una vida útil de alto volumen, lo que da como resultado un Jo más bajo y un FF y Vocof mejorados de las células.

4. Conclusión

Nuestro estudio concluye que Jo y ρc se ven afectados por los niveles de dopaje, la geometría de contacto y la pasivación en las células solares IBC. Por ejemplo, si el valor de Rs disminuye, ρc se puede reducir en un orden de magnitud. Jo también se reduce al reducir el nivel de dopaje. Por otro lado, si Rs aumenta, la pasivación del BSF o Jo en la región del emisor disminuirá. El uso de tecnología de contacto de pasivación a escala micrométrica permite una geometría de contacto óptima de tamaño pequeño y reduce el Jo general de la célula solar. Nuestro método de fabricación de células solares IBC utilizando orificios de contacto del tamaño de una micra y niveles especiales de dopaje logra eficiencias de hasta el 23,5 %. Se utilizó un Quokka@ 3D para simular el rendimiento de las células solares IBC bajo diversas combinaciones de tamaño de contacto, paso y nivel de dopaje. La eficiencia de las células solares IBC se puede mejorar significativamente mediante contactos de pasivación de tamaño y espaciado de micras, ρc bajo y niveles intermedios de dopaje de las uniones. Hemos desarrollado una tecnología de bajo coste para la producción industrial. Con base en el diseño actual y los parámetros compuestos hipotéticos, predecimos que la celda IBC puede alcanzar una eficiencia del 25,0 %, una vida útil del volumen de 9 ms, un radio de contacto de 5 μm, un paso de 100 μm, un Jo, FSF de 5 Valores de fA/cm2 y Rs de 20 Ω/□ y 90 Ω/□ para superficies de emisor n+ BSF y p+, respectivamente. En otras palabras, el contacto de pasivación optimizado del tamaño de una micra, el nivel de dopaje y la menor resistencia de contacto minimizan los valores de Jo y ρc, que proporcionan un rendimiento superior de las células solares IBC en comparación con los procesos tradicionales de metalización y difusión.