RU2568421C1 - SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON - Google Patents
SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON Download PDFInfo
- Publication number
- RU2568421C1 RU2568421C1 RU2014130923/28A RU2014130923A RU2568421C1 RU 2568421 C1 RU2568421 C1 RU 2568421C1 RU 2014130923/28 A RU2014130923/28 A RU 2014130923/28A RU 2014130923 A RU2014130923 A RU 2014130923A RU 2568421 C1 RU2568421 C1 RU 2568421C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- silicon
- silicon nitride
- solar cell
- film
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к полупроводниковым фотовольтаическим структурам, используемым для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, не только в космических летательных аппаратах и автономных системах, но и как высокопроизводительное экологически чистое средство получения электрической энергии в различных областях промышленности.The invention relates to semiconductor photovoltaic structures used to convert solar radiation into electrical energy, not only in spacecraft and autonomous systems, but also as a high-performance environmentally friendly means of generating electrical energy in various industries.
В подавляющем большинстве случаев материалом фотовольтаических структур является кремний, например из 98.2% мощности действующих установок 38% - на основе кристаллического кремния, 52% - на основе поликристаллического, 5% - на основе аморфного. Доля тонкопленочных структур возрастает для всех типов материалов и для кремниевых модулей она составила 25% в 2013 г. Доля прочих материалов фотовольтаики существенно меньше (1.8%) среди них структуры на основе кадмия-теллура (1.6%), соединения элементов III-IV групп (In, Ga, As, Sb, P и др.), ячейки на основе полимеров, жидкостные фотовольтаические ячейки и т.д.In the overwhelming majority of cases, the material of photovoltaic structures is silicon, for example, of 98.2% of the capacity of existing plants, 38% are based on crystalline silicon, 52% are based on polycrystalline, 5% are based on amorphous. The share of thin-film structures increases for all types of materials and for silicon modules it amounted to 25% in 2013. The share of other photovoltaic materials is significantly less (1.8%) among them are structures based on cadmium tellurium (1.6%), compounds of elements of groups III-IV ( In, Ga, As, Sb, P, etc.), polymer-based cells, liquid photovoltaic cells, etc.
Широкое применение во многих отраслях науки и техники находит карбид кремния SiC. Для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,4 до 3,34 эВ, что позволяет на его основе создавать полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600°С.Silicon carbide SiC is widely used in many branches of science and technology. For various modifications of SiC, the band gap can have a value in the range from 2.4 to 3.34 eV, which allows one to create semiconductor devices based on it that maintain operability at temperatures up to 600 ° C.
Также перспективным материалом для фотовольтаики является кремния нитрид Si3N4 с шириной запрещенной зоны 4,0 эВ и уникальными химическими, механическими, электрическими и оптическими свойствами. Известно три модификации Si3N4: α и β сингония гексагональная, для α - Si3N4: а=0,7765 нм, с=0,5622 нм, пространственная группа P31c; для β - Si3N4: а=0,7606 нм, с=0,2909 нм, пространственная группа P63/m; α - Si3N4 превращается в β выше 1400°С, β - Si3N4 стабилен до ~1600°С. Кубическая модификация γ как правило образуется при высоких давлениях, для γ - Si3N4: а=7.7418 нм, пространственная группа Fd-3m. Кремния нитрид не взаимодействует с азотной, серной и соляной кислотами, слабо реагирует с Н3РО4 и интенсивно с фтористоводородной кислотой. Окисление Si3N4 на воздухе начинается выше 900°С.Also promising material for photovoltaics is silicon nitride Si 3 N 4 with a band gap of 4.0 eV and unique chemical, mechanical, electrical and optical properties. Three modifications of Si 3 N 4 are known: α and β are hexagonal, for α - Si 3 N 4 : a = 0.7765 nm, c = 0.5622 nm, space group P31c; for β - Si 3 N 4 : a = 0.7606 nm, c = 0.2909 nm, space group P63 / m; α - Si 3 N 4 turns into β above 1400 ° С, β - Si 3 N 4 is stable up to ~ 1600 ° С. The cubic modification of γ is usually formed at high pressures, for γ - Si 3 N 4 : a = 7.7418 nm, the space group Fd-3m. Silicon nitride does not interact with nitric, sulfuric and hydrochloric acids, weakly reacts with H 3 PO 4 and intensely with hydrofluoric acid. The oxidation of Si 3 N 4 in air begins above 900 ° C.
Слои Si3N4 используются в фотовольтаических приборах для пассивации поверхности верхних слоев гетероструктур [J.L. Cruz-Campa, et al., Microsystems enabled photovoltaics: 14.9% efficient 14 μm thick crystalline silicon solar cell, Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2010), doi:10.1016/j.solmat.2010.09.015.] и в качестве антиотражающих слоев [A. Lennie, H. Abdullah, S. Shaari and K.Sopian, Fabrication of Single Layer SiO2 and Si3N4 as Antireflection Coating on Silicon Solar Cell Using Silvaco Software, American Journal of Applied Sciences 6 (12): 2043-2049, 2009]. При этом Si3N4 и родственные нитриды кремния и твердые растворы на его основе Si3N4±х выполняют роль химической и электрической пассивации поверхности. Электрическая пассивация заключается в уменьшении поверхностной рекомбинации носителей заряда в кремниевых пластинах или пленках. Наличие в нитриде кремния большого количества ловушек приводит к резкому уменьшению на поверхности поглощающего слоя количества одного из двух типов носителей заряда и снижению вероятности их рекомбинации. Кроме того, в качестве антиотражающего слоя Si3N4 способствует увеличению поглощения света [Dirk-Holger Neuhaus and Adolf Münzer, Industrial SiliconWafer Solar Cells, Advances in OptoElectronics, in special issue Volume 2007, Article ID 24521, 15 pages (doi:10.1155/2007/24521)].Layers of Si 3 N 4 are used in photovoltaic devices to passivate the surface of the upper layers of heterostructures [JL Cruz-Campa, et al., Microsystems enabled photovoltaics: 14.9% efficient 14 μm thick crystalline silicon solar cell, Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2010), doi: 10.1016 / j.solmat.2010.09.015.] And as antireflection layers [A. Lennie, H. Abdullah, S. Shaari and K.Sopian, Fabrication of Single Layer SiO 2 and Si 3 N 4 as Antireflection Coating on Silicon Solar Cell Using Silvaco Software, American Journal of Applied Sciences 6 (12): 2043-2049, 2009]. Moreover, Si 3 N 4 and related silicon nitrides and solid solutions based on it Si 3 N 4 ± x play the role of chemical and electrical passivation of the surface. Electrical passivation is to reduce the surface recombination of charge carriers in silicon wafers or films. The presence of a large number of traps in silicon nitride leads to a sharp decrease in the amount of one of the two types of charge carriers on the surface of the absorbing layer and a decrease in the probability of their recombination. In addition, as an antireflection layer, Si 3 N 4 promotes increased light absorption [Dirk-Holger Neuhaus and Adolf Münzer, Industrial SiliconWafer Solar Cells, Advances in OptoElectronics, in special issue Volume 2007, Article ID 24521, 15 pages (doi: 10.1155 / 2007/24521)].
Добавление малых количеств водорода, часто применяемых в слоях пассивации в солнечных элементах, существенно не влияет на изменение кристаллической структуры пленки и электронные свойства нитридов кремния [L. E. Hintzsche, C. M. Fang,T. Watts,M. Marsman, G. Jordan, M. W. P. E. Lamers,A. W. Weeber,and G. Kresse, Density functional theory study of the structural and electronic properties of amorphous silicon nitrides: Si3N4−x:H, Physical Review B 86, 235204 (2012)].The addition of small amounts of hydrogen, often used in passivation layers in solar cells, does not significantly affect the change in the crystal structure of the film and the electronic properties of silicon nitrides [LE Hintzsche, CM Fang, T. Watts, M. Marsman, G. Jordan, MWPE Lamers, AW Weeber, and G. Kresse, Density functional theory study of the structural and electronic properties of amorphous silicon nitrides: Si 3 N 4 − x : H, Physical Review B 86, 235204 (2012) ].
Особенно большое влияние эффекты пассивации должны оказывать в тонкопленочных солнечных ячейках ввиду того, что поверхность близка к области объемного заряда p-n перехода где происходит разделение зарядов [J.L. Cruz-Campa, et al., Microsystems enabled photovoltaics: 14.9% efficient 14 μm thick crystalline silicon solar cell, Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2010), doi:10.1016/j.solmat.2010.09.015].Passivation effects should have a particularly large effect in thin-film solar cells due to the fact that the surface is close to the space charge region of the pn junction where charge separation occurs [J.L. Cruz-Campa, et al., Microsystems enabled photovoltaics: 14.9% efficient 14 μm thick crystalline silicon solar cell, Sol. Energy Mater. Sol. Cells (2010), doi: 10.1016 / j.solmat.2010.09.015].
В известных сложных солнечных ячейках используются слои p и n проводимости слоев аморфных a-Si3N4 и родственных нитридов кремния SiNx и твердых растворов на основе Si3N4±х, которые наносятся на поверхность поглощающего слоя, например, Si эмиттера, далее следует область подложки или i-слоя в p-i-n солнечных ячейках. На подложку с обратной стороны наносят обратный электрод. Нанесение фронтальных и обратных электродов иногда сопровождается дополнительным легированием. В некоторых случаях пассивирующие слои используют и перед нанесением обратного электрода. Установлено улучшение параметров промышленных фотовольтаических ячеек различной конструкции после нанесения методами плазменно-химического осаждения из паровой фазы (PECVD) пассивирующих слоев гидрогенезированного аморфного нитрида кремния a-SiNх:H и проанализированы механизмы влияния пассивирующих слоев нитридов кремния на эффективность фотовольтаических ячеек [J. Schmidt, J. D. Moschner, J. Henze, S. Dauwe and R. Hezel, RECENT PROGRESS IN THE SURFACE PASSIVATION OF SILICON SOLAR CELLS USING SILICON NITRIDE, 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 7-11 June 2004, Paris, France, p.391-396].In known complex solar cells, p and n conductivity layers of amorphous a-Si 3 N 4 layers and related silicon nitride SiN x and solid solutions based on Si 3 N 4 ± x are used , which are deposited on the surface of the absorbing layer, for example, Si emitter, then follows the region of the substrate or i-layer in the pin solar cells. A reverse electrode is applied to the back side of the substrate. The application of frontal and reverse electrodes is sometimes accompanied by additional alloying. In some cases, passivating layers are also used before applying the reverse electrode. The parameters of industrial photovoltaic cells of various designs were improved after the application of plasma-assisted vapor deposition (PECVD) methods of passivating layers of hydrogenated amorphous a-SiN x : H silicon nitride and the mechanisms of the effect of passivating silicon nitride layers on the efficiency of photovoltaic cells were analyzed [J. Schmidt, JD Moschner, J. Henze, S. Dauwe and R. Hezel, RECENT PROGRESS IN THE SURFACE PASSIVATION OF SILICON SOLAR CELLS USING SILICON NITRIDE, 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 7-11 June 2004, Paris, France, p. 391-396].
Наиболее близким техническим решением является однопереходная солнечная ячейка по патенту US2008241987 (опубликован 2008-10-02), которая представляет собой р-кремниевую подложку, имеющую верхнюю и обратную стороны, на верхней стороне подложки расположен n-слой из кремния, на котором сформирован антиотражающий слой нитрида кремния SiNх с нанесенными на него с использованием техники трафаретной печати верхних электрических контактов в виде сетки из Ag, а на обратной стороне подложки электрический контакт в виде двойного слоя из Al. Недостатками этого технического решения являются сложная структура и соответственно сложный технологический процесс.The closest technical solution is a single junction solar cell according to patent US2008241987 (published 2008-10-02), which is a p-silicon substrate having upper and reverse sides, on the upper side of the substrate there is an n-layer of silicon on which an antireflection layer is formed silicon nitride SiNx deposited on it using the screen printing technique of the upper electrical contacts in the form of a grid of Ag, and on the reverse side of the substrate an electrical contact in the form of a double layer of Al. The disadvantages of this technical solution are the complex structure and, accordingly, the complex process.
Задача изобретения - устранение недостатков прототипа.The objective of the invention is the elimination of the disadvantages of the prototype.
Технический результат - создание однопереходной гетероструктуры солнечного элемента с подложкой из монокристаллического кремния p-типа и светопоглощающего двухфазного слоя n-типа, выполненного в виде смешанных аморфной и микрокристаллической структур нитрида кремния, с эффективностью 7.41%.EFFECT: creation of a single-junction heterostructure of a solar cell with a substrate of p-type monocrystalline silicon and a n-type light-absorbing two-phase layer made in the form of mixed amorphous and microcrystalline structures of silicon nitride with an efficiency of 7.41%.
Заявленный однопереходный солнечный элемент, включающий р-кремниевую подложку, имеющую верхнюю и обратную стороны, слой n-типа на верхней стороне подложки, верхние электрические контакты из Ag и контакты на обратной стороне положки, включает новые признаки:The claimed single junction solar cell comprising a p-silicon substrate having upper and reverse sides, an n-type layer on the upper side of the substrate, upper electrical contacts from Ag and contacts on the reverse side of the wafer include new features:
- подложка толщиной 300 мкм, с удельным сопротивлением 2 Ом/см выполнена из кремния p-типа Si(100), предварительно обработанного кислотой HF;- a substrate with a thickness of 300 μm, with a specific resistance of 2 Ω / cm is made of p-type silicon Si (100), pre-treated with acid HF;
- светопоглощающий слой n-типа, нанесенный на верхнюю полированную сторону подложки методом магнетронного напыления в аргоне из твердотельной мишени из синтезированного предварительно Si3N4, представляет собой пленку толщиной 4-5 нм из аморфного нитрида кремния смешанного с нитридом кремния нанокристаллической структуры, развитая поверхность которого благодаря наличию нанокристаллической структуры Si3N4 оказывает положительное влияние на поглощение света и выполняющий одновременно функцию пассивации поверхности подложки Si(100);- an n-type light-absorbing layer deposited on the upper polished side of the substrate by magnetron sputtering in argon from a solid-state target from previously synthesized Si 3 N 4 is a 4-5 nm thick film of amorphous silicon nitride mixed with silicon nitride nanocrystalline structure, developed surface which, due to the presence of the nanocrystalline structure of Si 3 N 4, has a positive effect on the absorption of light and simultaneously performs the function of passivation of the surface of the Si (100) substrate;
- верхние электрические контакты, расположенные на светопоглощающем слое n-типа на верхней стороне солнечного элемента, выполнены в виде гребенки из Ag, нанесенной путем магнетронного напыления;- the upper electrical contacts located on the n-type light-absorbing layer on the upper side of the solar cell are made in the form of a comb of Ag deposited by magnetron sputtering;
- на обратной стороне солнечного элемента расположен электрический тыльный контакт из Ag либо Cu, сформированный в виде пленки методом магнетронного напыления непосредственно на обратной неполированной поверхности подложки Si(100).- on the reverse side of the solar cell there is an electric back contact made of Ag or Cu, formed in the form of a film by magnetron sputtering directly on the reverse unpolished surface of the Si (100) substrate.
Из уровня техники неизвестны технические решения, в которых солнечный элемент представляет собой однопереходную гетероструктуру с подложкой из монокристаллического кремния p-типа, на верхней стороне которой расположен наноразмерный, наноструктурированный смешанный аморфный и нанокристаллический светопоглощающий слой (α+μс)-Si3N4, выполняющий одновременно функцию пассивации поверхности кремниевой подложки и создания фотовольтаического p-n гетероперехода (α+μс)-Si3N4/Si(100) с эффективностью 7.41%.The technical solutions are unknown in which the solar cell is a single-junction heterostructure with a p-type monocrystalline silicon substrate, on the upper side of which there is a nanoscale, nanostructured mixed amorphous and nanocrystalline light-absorbing layer (α + μs) -Si 3 N 4 , performing at the same time, the function of passivating the surface of the silicon substrate and creating a photovoltaic pn heterojunction (α + μs) -Si 3 N 4 / Si (100) with an efficiency of 7.41%.
Графические материалы.Graphic materials.
Фиг.1. Разрез заявленного солнечного элемента, вид сбоку.Figure 1. Section of the claimed solar cell, side view.
Фиг.2. Заявленный солнечный элемент, вид сверху.Figure 2. Stated solar cell, top view.
Фиг.3. Изображение спектра комбинационного рассеяния светопоглощающего слоя нанопленки Si3N4. Figure 3. Image of the Raman spectrum of a light-absorbing layer of a Si 3 N 4 nanofilm .
Фиг.4. Изображение дифракции электронов в гетероструктуре (α+μс)Si3N4/Si(100), которые получены при помощи просвечивающего электронного микроскопа JEOL Ltd. JEM 2100:Figure 4. Image of electron diffraction in the (α + μs) Si 3 N 4 / Si (100) heterostructure obtained using a JEOL Ltd. transmission electron microscope. JEM 2100:
а) диффузные кольца вокруг диффузного центрального рефлекса от пленки Si3N4 в гетероструктуре (α+μс)-Si3N4/Si(100) свидетельствуют о существенном аморфном характере материала пленки, а наличие слабовыраженных концентрических колец говорит о присутствии второй фазы нанокристаллического или мелкозернистого характера,a) the diffuse rings around the diffuse central reflection from the Si 3 N 4 film in the (α + μs) -Si 3 N 4 / Si (100) heterostructure indicate a significant amorphous nature of the film material, and the presence of weakly expressed concentric rings indicates the presence of a second phase of nanocrystalline or fine-grained in nature,
b) картина электронной дифракции электронов от монокристаллической подложки Si(100) в этой же гетероструктуре.b) a picture of electron diffraction of electrons from a single-crystal Si (100) substrate in the same heterostructure.
Фиг.5. Изображение поперечного среза гетероструктуры (α+μс)-Si3N4/Si(100) в просвечивающем электронном микроскопе JEOL Ltd. JEM 2100:Figure 5. Cross-sectional image of the heterostructure (α + μs) -Si 3 N 4 / Si (100) in a JEOL Ltd. transmission electron microscope. JEM 2100:
а) общий вид границы раздела пленок в гетероструктуре (α+μс)-Si3N4/Si(100);a) a general view of the film interface in the (α + μs) -Si 3 N 4 / Si (100) heterostructure;
b) морфология поперечного среза пленки Si3N4.b) the morphology of the cross section of the film Si 3 N 4 .
Фиг.6. Изображение морфологии поверхности пленки Si3N4 методом атомно-силовой микроскопии с использованием микроскопа NT-MDT Ntegra Aura:6. Image of the surface morphology of a Si 3 N 4 film by atomic force microscopy using an NT-MDT Ntegra Aura microscope:
а) результаты сканирования поверхности пленки;a) the results of scanning the surface of the film;
b) обработанное изображение результатов сканирования поверхности пленки.b) the processed image of the scan results of the film surface.
Фиг.7. Изображение, иллюстрирующее определение высоты ступени на краю пленки, полученное методом атомно-силовой микроскопии с использованием микроскопа NT-MDT Ntegra Aura.7. Image illustrating the determination of the step height at the edge of the film obtained by atomic force microscopy using an NT-MDT Ntegra Aura microscope.
Фиг.8. Вольт-амперная характеристика структуры (α+μс) Si3N4/Si(100), полученная по стандартной методике AM1.5 на солнечном имитаторе ST-1000 в условиях 1000 Вт/м2 при 25°C.Fig. 8. The current-voltage characteristic of the structure (α + μs) Si 3 N 4 / Si (100), obtained according to the standard AM1.5 method on a ST-1000 solar simulator at 1000 W / m 2 at 25 ° C.
Фиг. 9. Таблица с результатами обработки представленного на фиг.5 изображения поверхности пленки Si3N4..FIG. 9. A table with the processing results of the surface image of the Si 3 N 4. film shown in FIG. 5 .
В состав предлагаемого однопереходного p-n солнечного элемента (α+μс)-Si3N4/Si(100) входят верхние электроды 1 в виде гребенки из Ag, слой толщиной порядка 4-5 нм пленки 2, состоящей из аморфного нитрида кремния смешанного с нитридом кремния нанокристаллической структуры, подложка 3, выполненная из монокристаллического кремния (Si)(100) p-типа и тыльный контакт на обратной стороне подложки, выполненный из слоя Ag или Cu (Фиг.1 и Фиг. 2). Преимуществом предлагаемой структуры солнечного элемента является минимальное количество слоев, а также наноразмерность и наноструктурированность поглощающего слоя, что обеспечивает эффективное преобразование солнечной энергии в электричество.The composition of the proposed single-junction pn solar cell (α + μs) -Si 3 N 4 / Si (100) includes the
Пример способа получения солнечного элемента.An example of a method for producing a solar cell.
На подложку 3 из монокристаллического кремния марки КДБ 2 ориентации (100), толщиной 300 мкм, с удельным сопротивлением 2 Ом/см p-типа проводимости, предварительно обработанную кислотой HF, наносят методом нереактивного магнетронного высокочастотного распыления из твердотельной мишени Si3N4 слой двухфазной пленки 2 из смешанного аморфного и нанокристаллического нитрида кремния (α+μс) Si3N4. Затем, также методом магнетронного напыления, на слой пленки 2 наносят верхние электроды 1 в виде гребенки из Ag, а на обратную неполированную сторону подложки 3 методом магнетронного напыления наносят тыльный контакт 4 в виде пленки из Ag или Cu. Способ характеризуется простотой, экологичностью, весь цикл изготовления основан на использовании оборудования одного типа, а также исключает повышенные требования к условиям чистоты, например, применения так называемых «чистых комнат», обычно используемых в электронной промышленности.On a
Примеры результатов исследования полученного солнечного элемента.Examples of research results obtained solar cell.
Соответствие материала пленки материалу мишени Si3N4 подтверждается спектрами комбинационного рассеяния, полученными от наноразмерных пленок светопоглощающего слоя солнечного элемента. Положение максимума на вставке Фиг.3 в спектре Рамановского рассеяния соответствует Si3N4, а форма спектра с максимумом при длине волны 347 cм-1 характерна для нанокристаллического состояния.The correspondence of the film material to the Si 3 N 4 target material is confirmed by Raman spectra obtained from nanoscale films of the light-absorbing layer of a solar cell. The position of the maximum in the inset of Fig. 3 in the Raman scattering spectrum corresponds to Si 3 N 4 , and the shape of the spectrum with a maximum at a wavelength of 347 cm -1 is characteristic of the nanocrystalline state.
Кроме линий принадлежащих осцилляциям атомов Si при -528 cм-1 и их гармоникам вблизи 950 cм-1, на вставке приведены установленные частоты вибраций 288, 307 и 347 cм-1 которые соответствуют кубической модификации нитрида кремния.In addition to the lines belonging to the oscillations of Si atoms at -528 cm-1 and their harmonics near 950 cm -1 , the inset shows the established vibration frequencies of 288, 307 and 347 cm -1 that correspond to the cubic modification of silicon nitride.
Изображение дифракции электронов в гетероструктуре (α+μс) Si3N4/Si(100) на Фиг.3а подтверждает, что слой пленки 2, нанесенной методом магнетронного напыления в аргоне из твердотельной мишени Si3N4, носит преимущественно аморфный характер, а наличие слабовыраженных концентрических колец говорит о присутствии второй фазы нитрида кремния нанокристаллического или мелкозернистого характера. На фиг. 3b для сравнения приведена картина электронной дифракции от монокристаллической подложки Si(100) в этой же гетероструктуре.The image of electron diffraction in the (α + μs) Si 3 N 4 / Si (100) heterostructure in Fig. 3a confirms that the layer of
Исследование фольги поперечного среза гетероструктуры (α+μс) Si3N4/Si(100) в просвечивающем электронном микроскопе JEOL Ltd. JEM 2100 выявило наличие мелкой примерно 1 нм текстуры в виде параллельных рядов в пленке Si3N4 направленных перпендикулярно подложке Si(100). Кроме того, на этом поперечном срезе видны структурные элементы порядка десятков нанометров и четкая граница раздела слоев (α+μс)Si3N4 и Si(100) (Фиг. 4).Study of the cross sectional foil of the heterostructure (α + μs) Si 3 N 4 / Si (100) in a JEOL Ltd. transmission electron microscope. JEM 2100 revealed the presence of a fine texture of approximately 1 nm in the form of parallel rows in a Si 3 N 4 film directed perpendicular to the Si (100) substrate. In addition, structural elements of the order of tens of nanometers and a clear interface between the layers (α + μs) of Si 3 N 4 and Si (100) are visible in this cross section (Fig. 4).
Морфология поверхности пленки Si3N4 была исследована методом атомно-силовой микроскопии с использованием микроскопа NT-MDT Ntegra Aura и по результатам исследований был проведен анализ размеров объектов поверхности пленки, который согласуется с результатами просвечивающей микроскопии в части наблюдения крупных, порядка десятков нанометров образований, включающих в себя текстуру объектов порядка 1 нм. Результаты атомно-силовой микроскопии приведены на Фиг.5, а результаты обработки изображения поверхности пленки Si3N4представлены. в таблице на фиг.8.The surface morphology of the Si 3 N 4 film was investigated by atomic force microscopy using an NT-MDT Ntegra Aura microscope and, based on the results of the studies, an analysis of the size of the surface of the film was carried out, which is consistent with the results of transmission microscopy in terms of observing large, on the order of tens of nanometers of formations, including the texture of objects of the order of 1 nm. The results of atomic force microscopy are shown in Figure 5, and the results of image processing of the surface of the Si 3 N 4 film are presented . in the table of FIG.
Толщина пленки Si3N4, по результатам измерения высоты края пленки в атомно-силовом микроскопе NT-MDT Ntegra Aura, составила 4-5 нм (Фиг. 6).The film thickness of Si 3 N 4 , according to the results of measuring the height of the edge of the film in an atomic force microscope NT-MDT Ntegra Aura, was 4-5 nm (Fig. 6).
Заявленная фотовольтаическая структура - солнечный элемент на основе гетероструктуры смешанный аморфный и нанокристаллический нитрид кремния - кремний p-типа - демонстрирует эффективность 7.41%, что подтверждает вольт- амперная характеристика структуры (α+μс) Si3N4/Si(100), полученная по стандартной методике AM1.5 в условиях 1000 Вт/м2, 25°C на солнечном имитаторе ST-1000 (Фиг 7).The claimed photovoltaic structure — a heterostructure-based solar cell mixed amorphous and nanocrystalline silicon nitride — p-type silicon — shows an efficiency of 7.41%, which is confirmed by the current – voltage characteristic of the structure (α + μs) Si 3 N 4 / Si (100), obtained from standard AM1.5 methodology at 1000 W / m 2 , 25 ° C on a ST-1000 solar simulator (Fig. 7).
Таким образом, заявленный технический результат без дополнительных просветляющих, защитных или каких либо других слоев и без применения концентраторов солнечного излучения, достигнут.Thus, the claimed technical result without additional antireflective, protective or any other layers and without the use of solar radiation concentrators is achieved.
Claims (1)
Однопереходный солнечный элемент, включающий р-кремниевую подложку, имеющую верхнюю и обратную стороны, слой n-типа на верхней стороне подложки и электрические контакты, где электрический контакт на верхней стороне элемента выполнен из Ag, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния p-типа Si(100) и предварительно обработана кислотой HF, слой n-типа, нанесенный на верхнюю сторону подложки методом магнетронного напыления в аргоне из твердотельной мишени Si3N4, представляет собой пленку толщиной 4-5 нм из аморфного нитрида кремния, смешанного с нитридом кремния нанокристаллической структуры, при этом электрические контакты из Ag на верхней стороне элемента, выполненные в виде гребенки, и электрический тыльный контакт в виде пленки из Ag либо Cu, расположенный на обратной стороне подложки Si(100) также сформированы методом магнетронного напыления.
A single junction solar cell comprising a p-silicon substrate having upper and back sides, an n-type layer on the upper side of the substrate and electrical contacts, where the electrical contact on the upper side of the cell is made of Ag, characterized in that the substrate is made of p-type silicon Si (100) and pretreated with HF acid, an n-type layer deposited on the upper side of the substrate by magnetron sputtering in argon from a solid state target Si 3 N 4 is a 4-5 nm thick film of amorphous silicon nitride mixed contact with silicon nitride of a nanocrystalline structure, while the electrical contacts from Ag on the upper side of the element are made in the form of a comb and the electrical back contact in the form of a film of Ag or Cu located on the back of the Si (100) substrate is also formed by magnetron sputtering.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014130923/28A RU2568421C1 (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014130923/28A RU2568421C1 (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2568421C1 true RU2568421C1 (en) | 2015-11-20 |
Family
ID=54597965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014130923/28A RU2568421C1 (en) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2568421C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2667689C2 (en) * | 2016-12-28 | 2018-09-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58220477A (en) * | 1982-06-16 | 1983-12-22 | Japan Solar Energ Kk | Manufacture of solar battery |
| EP0338657A1 (en) * | 1988-01-30 | 1989-10-25 | The British Petroleum Company p.l.c. | Method for producing a silver electrode on a photovoltaic silicon cell |
| WO1989012321A1 (en) * | 1988-06-10 | 1989-12-14 | Mobil Solar Energy Corporation | An improved method of fabricating contacts for solar cells |
| JPH08129054A (en) * | 1994-10-28 | 1996-05-21 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | Circuit test equipment for integrated circuits |
| RU2122259C1 (en) * | 1993-06-07 | 1998-11-20 | Хецель Проф.Др.Рудольф | Solar cell and its manufacturing process |
| CN102157220A (en) * | 2011-02-28 | 2011-08-17 | 张振中 | Special Ag paste for grid line electrode at front surface of crystalline silicon solar battery |
| CN102299200A (en) * | 2011-08-22 | 2011-12-28 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Method for preparing metal electrodes of crystal silicon solar cell |
-
2014
- 2014-07-25 RU RU2014130923/28A patent/RU2568421C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58220477A (en) * | 1982-06-16 | 1983-12-22 | Japan Solar Energ Kk | Manufacture of solar battery |
| EP0338657A1 (en) * | 1988-01-30 | 1989-10-25 | The British Petroleum Company p.l.c. | Method for producing a silver electrode on a photovoltaic silicon cell |
| WO1989012321A1 (en) * | 1988-06-10 | 1989-12-14 | Mobil Solar Energy Corporation | An improved method of fabricating contacts for solar cells |
| RU2122259C1 (en) * | 1993-06-07 | 1998-11-20 | Хецель Проф.Др.Рудольф | Solar cell and its manufacturing process |
| JPH08129054A (en) * | 1994-10-28 | 1996-05-21 | Sumitomo Metal Mining Co Ltd | Circuit test equipment for integrated circuits |
| CN102157220A (en) * | 2011-02-28 | 2011-08-17 | 张振中 | Special Ag paste for grid line electrode at front surface of crystalline silicon solar battery |
| CN102299200A (en) * | 2011-08-22 | 2011-12-28 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Method for preparing metal electrodes of crystal silicon solar cell |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2667689C2 (en) * | 2016-12-28 | 2018-09-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method for producing nanocrystalline silicon/amorphous hydrogenated silicon heterojunction for solar elements and solar element with such heterojunction |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Benick et al. | High-efficiency n-type HP mc silicon solar cells | |
| US8435825B2 (en) | Methods for fabrication of nanowall solar cells and optoelectronic devices | |
| KR101000064B1 (en) | Heterojunction solar cell and its manufacturing method | |
| Xia et al. | CuO nanoleaves enhance the c-Si solar cell efficiency | |
| US8872020B2 (en) | Heterojunction solar cell based on epitaxial crystalline-silicon thin film on metallurgical silicon substrate design | |
| Bullock et al. | N-and p-typesilicon solar cells with molybdenum oxide hole contacts | |
| KR20150114792A (en) | Ultra thin hit solar cell and fabricating method for the same | |
| Es et al. | Metal-assisted nano-textured solar cells with SiO2/Si3N4 passivation | |
| Hsueh et al. | Crystalline-Si photovoltaic devices with ZnO nanowires | |
| Li et al. | Performance improvement of PEDOT: PSS/N-Si heterojunction solar cells by alkaline etching | |
| Agarwal et al. | Controlling the c-Si/a-Si: H interface in silicon heterojunction solar cells fabricated by HWCVD | |
| Aurang et al. | Nanowire decorated, ultra-thin, single crystalline silicon for photovoltaic devices | |
| CN103137770B (en) | A kind of Graphene/Si p-n double-junction solar battery and preparation method thereof | |
| CN103563091B (en) | Tandem solar cells with improved tunnel junctions | |
| Benick et al. | Approaching 22% efficiency with multicrystalline n-type silicon solar cells | |
| US20100037940A1 (en) | Stacked solar cell | |
| TWI675490B (en) | Method of fabricating solar cells | |
| KR100953448B1 (en) | Photoelectric conversion device using semiconductor nanomaterial and manufacturing method thereof | |
| Liu et al. | Ge quantum-dot enhanced c-Si solar cell for improved light trapping efficiency | |
| Wang et al. | Increasing efficiency of hierarchical nanostructured heterojunction solar cells to 16.3% via controlling interface recombination | |
| RU2568421C1 (en) | SOLAR CELL BUILT AROUND p-TYPE HETEROSTRUCTURE OF AMORPHOUS AND NANOCRYSTALLINE SILICON NITRIDE - SILICON | |
| US20140360584A1 (en) | Manufacturing method of solar cell | |
| Jeong et al. | Preparation of born-doped a-SiC: H thin films by ICP-CVD method and to the application of large-area heterojunction solar cells | |
| Cariou et al. | Silicon epitaxy below 200 C: Towards thin crystalline solar cells | |
| RU2532857C1 (en) | Photovoltaic structure |