選區(qū)發(fā)射在硅基納米線陣列太陽(yáng)電池中的應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 ■ 陳晨 賈銳 李昊峰 金智 劉新宇

一 引言

硅基納米線陣列太陽(yáng)電池是下一代新型高效太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)之一，作為國(guó)際光伏領(lǐng)域的研究前沿，得到了廣泛關(guān)注[1～3]。硅基納米線陣列太陽(yáng)電池具有超低的表面反射率，能極大地提高傳統(tǒng)晶體硅太陽(yáng)電池的光吸收特性，并且其具有一維載流子輸運(yùn)特性，具備了未來(lái)高效晶體硅太陽(yáng)電池的潛在特點(diǎn)。因此，納米線陣列可取代傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)中的金字塔結(jié)構(gòu)形成納米線陣列太陽(yáng)電池。

目前，關(guān)于硅基納米線陣列太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)可根據(jù)p-n位置分為三類(lèi)：硅納米線陣列絨面晶體硅太陽(yáng)電池、徑向p-n結(jié)納米線陣列太陽(yáng)電池和軸向p-n結(jié)納米線陣列太陽(yáng)電池。在納米線陣列的制備方面，Ag無(wú)電催化腐蝕法能夠在硅襯底表面制備出表面反射率小于2%的硅納米線陣列。然而，直至目前基于無(wú)電化學(xué)腐蝕法制備的納米線陣列太陽(yáng)電池的最終轉(zhuǎn)換效率仍然不高。基于之前的研究認(rèn)為：由于納米線陣列電池的電極接觸面積較小，導(dǎo)致電極接觸特性惡化是轉(zhuǎn)化換效率難以提高的主要原因之一。這也成為納米線陣列太陽(yáng)電池的研究重點(diǎn)之一。然而遺憾的是此類(lèi)電池的電極接觸特性的研究還很少，因此，本文針對(duì)此開(kāi)展了改善納米線陣列太陽(yáng)電池的電極接觸特性的研究工作。

二 實(shí)驗(yàn)

硅納米線陣列太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。試驗(yàn)采用了基于特殊擴(kuò)散工藝在硅納米線陣列的頂部形成了高摻雜區(qū)(圖1a)。對(duì)照樣品的常規(guī)納米線陣列太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示。通過(guò)擴(kuò)散和濕法腐蝕形成了硅納米線陣列結(jié)構(gòu)。隨后，通過(guò)特殊工藝過(guò)程使得納米線陣列轉(zhuǎn)變成n型，并在納米線陣列的下面形成p-n結(jié)。經(jīng)PECVD生長(zhǎng)的SiNx，通過(guò)絲網(wǎng)印刷形成背面Al層和前表面Ag電極。最后通過(guò)共燒結(jié)形成Al背場(chǎng)(BSF)和前電極的歐姆接觸。

三 結(jié)果和討論

串聯(lián)電阻是衡量電池的電極和半導(dǎo)體接觸特性好壞的重要參數(shù)。對(duì)電池的最終特性而言，串聯(lián)電阻的降低可顯著提高短路電流。如圖2所示，硅基納米線陣列太陽(yáng)電池中，頂部高摻雜的納米線陣列電池的串聯(lián)電阻(6～8?)明顯低于有氮化硅鈍化后沒(méi)有摻雜的硅納米線陣列電池的串聯(lián)電阻(10～12?)。金屬和半導(dǎo)體的接觸電阻可表示為：

由式(1)可知，串聯(lián)電阻和半導(dǎo)體一側(cè)的摻雜濃度成反比。當(dāng)增大摻雜濃度時(shí)，串聯(lián)電阻將降低。因此，當(dāng)硅納米線陣列頂部的摻雜濃度增大，使得其接觸特性明顯改善，電池的串聯(lián)電阻明顯降低。對(duì)于硅基納米線陣列太陽(yáng)電池，特殊擴(kuò)散法能有效地降低電池的串聯(lián)電阻明顯降低，改善電池的最終特性。

為了表征特殊擴(kuò)散法對(duì)電極接觸特性改善的影響，對(duì)照樣品和特殊擴(kuò)散選擇性發(fā)射區(qū)的硅納米線陣列太陽(yáng)電池的光伏特性進(jìn)行了測(cè)試。在同樣的氮化硅鈍化的情況下，特殊擴(kuò)散形成的選擇性發(fā)射極納米線陣列電池的短路電流明顯提高。如圖3所示，從原來(lái)的21.9～27.2mA/cm2提高到28.9～33.3mA/cm2。考慮到串聯(lián)電阻的浮動(dòng)，可推斷出隨著串聯(lián)電阻的降低，短路電流明顯增加。根據(jù)半導(dǎo)體能帶理論：當(dāng)半導(dǎo)體一側(cè)的摻雜濃度提高時(shí)，存在在金屬和半導(dǎo)體一側(cè)的勢(shì)壘將隨即變薄，導(dǎo)致載流子的隧道擊穿幾率增加，最終通過(guò)隧道穿越勢(shì)壘的載流子數(shù)目隨即增加，從而提高短路電流。

納米線陣列太陽(yáng)電池光照下的I-V特性曲線如圖4所示。由圖4可知，特殊擴(kuò)散選區(qū)發(fā)射納米線陣列電池的短路電流提高了40.2%，這一提高歸因于特殊擴(kuò)散使得半導(dǎo)體一側(cè)的摻雜濃度增大，最終的電極接觸特性明顯改善。因此，在單根納米線陣列頂部實(shí)施高摻雜能有效降低歐姆接觸的電阻率，從而有效地改善接觸特性。

四 結(jié)論

基于以上研究，納米線陣列太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻能有效降低，為進(jìn)一步探究提高硅基納米線陣列太陽(yáng)電池的電極接觸特性的方法提供了很好的參考。我們嘗試了采用特殊擴(kuò)散的選區(qū)發(fā)射形成高摻雜的硅基納米線陣列，從而有效地提高了電池的接觸特性。串聯(lián)電阻可有效降低，使得短路電流明顯提高。通過(guò)提高電池串聯(lián)電阻能有效提高電池的短路電流，對(duì)最終電池的效率有一定的改進(jìn)。

[1] Tian B Z, Zheng X L, Kempa T J, et al.Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources[J].Nature, 2007, 449(7164): 885－889.

[2] Tsakalakos L,Balch J, Fronheiser J, et al.Silicon nanowire solar cells[J].Applied Physics Letters, 2007, 91(23): 233117－233117-3.

[3] Chen C, Jia R, Yue H H, et al.Silicon nanowire-array-textured solar cells for photovoltaic application[J].Journal of Applied Physics,2010, 108(9): 094318－094323.