Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 – 7 ...

Evaluation of surface morphology of texturized Si wafers
for solar cells applications
Sławomir Białas, Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Nauką zajmującą się pozyskiwaniem energii elektrycznej z promieniowania
słonecznego jest fotowoltaika, a jej głównym kręgiem
zainteresowań są ogniwa słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne,
ogniwa PV). Sprawność ogniwa słonecznego, a więc jego
zdolność do efektywnej konwersji promieniowania świetlnego na
prąd elektryczny, zależy od szeregu czynników takich jak:
● rodzaj i grubość materiału użytego do wytworzenia ogniwa,
● technologia wytworzenia,
● zasłonięcie obszaru ogniwa pod elektrodą,
● warunki pracy (widmo promieniowania, temperatura, zacienienie),
● straty wynikające z nieabsorbowania fotonów wysoko- i niskoenergetycznych,
● straty wynikające z rekombinacji nośników prądu i rezystancji
pasożytniczych,
● straty wynikające z odbicia promieniowania od powierzchni
ogniwa.
Ostatni z wymienionych czynników można minimalizować dzięki
teksturyzacji, to znaczy rozwinięciu powierzchni w taki sposób,
aby promieniowanie nie ulegało odbiciu, lecz pochłonięciu. Im
więcej promieniowania zostanie pochłonięte, tym więcej fotonów
dotrze w głąb materiału, a więc jest większe prawdopodobieństwo
zajścia efektu fotowoltaicznego. Badania nad teksturyzacją
powierzchni ogniw krzemowych prowadzone są przez autora niniejszej
publikacji w ramach pracy magisterskiej w Zakładzie Mikroelektroniki
i Nanotechnologii WEMiF Politechniki Wrocławskiej.
Skupiono się nad znalezieniem najbardziej optymalnej geometrii
tekstury, która wytworzona na powierzchni podłoża krzemowego
zapewniałaby możliwie najmniejszy (a wręcz zerowy) współczynnik
odbicia. W tym celu przeanalizowano zaprezentowane
w literaturze symulacje komputerowe różnych struktur. Następnie
zbadano (przy użyciu mikroskopii SEM) morfologię powierzchni
podłoży krzemowych poddanych procesowi teksturyzacji. Celem
analiz było skorelowanie geometrii powstającej tekstury ze spektralną
charakterystyką współczynnika odbicia.
Symulacje komputerowe tekstur ogniwa
słonecznego
Wpływ tekstury powierzchni na zmianę współczynnika odbicia
uzależniony jest od szeregu czynników takich jak [1]: geometria
tekstury, gęstość tekstury, kąt wierzchołkowy, wielkość elementów
tworzących teksturę, regularność ułożenia elementów.
Rys. 1. Zależność współczynnika odbicia od kąta padania promieniowania
[2]; α – wielkość powierzchni nie steksturyzowanej, 0%, 10%,
60% – rozrzut wysokości piramid
W literaturze można znaleźć wiele propozycji kształtów elementów
tworzących teksturę oraz symulacje ich wpływu na
zmniejszenie współczynnika odbicia promieniowania od powierzchni
ogniwa.
W pracy [2] zbadano wpływ regularności ułożenia standardowej,
piramidalnej tekstury, powstającej w wyniku anizotropowego
trawienia krzemu w roztworach alkalicznych, na współczynnik
odbicia światła. Przebadano dwa parametry: stopień pokrycia powierzchni
teksturą (α) i rozrzut wielkości piramid. Na rysunku 1
można zaobserwować, że przy określonej wielkości powierzchni
podłoża niepokrytego teksturą, charakterystyki odbicia dla struktury
o losowym i periodycznym rozkładzie tekstury w funkcji kąta
padania promieniowania praktycznie się pokrywają. Można przyjąć,
że tekstura o losowym rozmieszczeniu i wysokości elementów
zachowuje się tak samo, jak analogiczna struktura o regularnym
rozkładzie.
Kolejną obserwacją wynikającą z symulacji przedstawionych
w pracy [2] jest silna zależność reflektancji od wielkości powierzchni
podłoża niepokrytej teksturą (współczynnik α na rys. 1).
W stosunku do powierzchni nieteksturyzowanej, wprowadzenie
tekstury na 75% powierzchni skutkuje obniżeniem współczynnika
odbicia o blisko połowę (z 0,30 na 0,18). Teksturyzacja na całej
powierzchni dodatkowo obniża odbicie do 15%. Parametr ten ma
duże znaczenie w przypadku rzeczywistych ogniw, gdyż w procesie
produkcji wytwarzana jest losowa tekstura, dla której istnieje
duże prawdopodobieństwo występowania pustych obszarów pomiędzy
piramidami.
Wpływ kształtu wytrawionych na powierzchni krzemu elementów
tekstury oraz wpływ rozwartości kąta wierzchołkowego na
wartość współczynnika absorbcji światła zbadano w pracy [1].
Autorzy przeprowadzili szereg symulacji, w których przeanalizowano
następujące kształty tekstury: stożek (o dwóch różnych
gęstościach rozmieszczenia na powierzchni), czworościan, ostrosłup
o podstawie kwadratowej (piramida) oraz ostrosłup o podstawie
sześciokątnej (rys. 2). Symulowane struktury charakteryzowały
się wysokością 5 µm oraz kątem wierzchołkowym zależnym
od wielkości podstawy figury. Na podstawie wyników symulacji
można zauważyć, że struktury stożkowe charakteryzują się najmniejszą
wartością absorbcji. Dla tekstury o mniejszym upakowaniu
elementów, maksymalna wartość absorbcji to 0,8 (dla kątów
wierzchołkowych o rozwartości do 80° i długości fali 550 nm
– 1000 nm). W przypadku tekstury o gęstości upakowania 96,1%,
w zakresie 900...1000 nm, na charakterystyce pojawia się obszar
o wielkości współczynnika absorbcji na poziomie 0,9. Potwierdza
to wniosek z poprzednio cytowanego artykułu, że powierzchnia
ogniwa niepokrytego teksturą ma istotny wpływ na reflektancję.
Im większa powierzchnia bez tekstury (tzn. im większe odstępy
pomiędzy elementami składowymi), tym większy współczynnik
odbicia. Współczynnikiem absorbcji na poziomie 0,9 w większym
zakresie długości fali cechują się tekstury na bazie ostrosłupów.
Maksimum absorbcji dla takich struktur występuje dla
długości fali 640…1080 nm. Można także zauważyć, że zakres
kąta wierzchołkowego dla obszaru o maksymalnej absorbcji jest
największy dla czworościanu – od 0° do około 100°. Skutkuje to
większą dowolnością przy projektowaniu procesu technologicznego
prowadzącego do otrzymania takiej tekstury oraz zwiększa
stabilność współczynnika reflektancji w przypadku rozrzutu wartości
kąta. Standardowa tekstura zbudowana z piramid sprawuje
się najlepiej dla kątów wierzchołkowych mniejszych niż 80°
(rys. 2f ), a struktura ostrosłupów o podstawie sześciokątnej dla
kątów mniejszych niż 60°.
94
Elektronika 6/2012