p-to-n型自己変換型電子構成のブラックSiナノグラス構造からの自作単一p/n接合太陽電池

Autogenic single p/n-junction solar cells from black-Si nano-grass structures of p-to-n type self-converted electronic configuration.

• Debajyoti Das
• Laxmikanta Karmakar

抄録

太陽電池の光起電力性能は、吸収体層自体が反射防止ナノ構造として同時に機能し、前面の活性吸収体面積が増大することで自動的に向上します。誘導結合低圧プラズマCVDにおける(Ar+H2)プラズマによるp-c-Siウェーハの物理的・化学的エッチングを組み合わせることで、反射率を最小化した様々なナノ構造が得られます。温度を下げると、Siネットワーク内の原子-Hの熱拡散の速度定数が小さくなり、化学エッチング反応が促進され、RFパワーを上げるとさらに増加することがわかった。エッチングとその後のプラズマ中での水素化によって生成されたSiHn前駆体の再成長は、リアルタイムエッチングと再成長の間に負の直流基板バイアスを印加することで、Ar+イオンの入射と緩く結合したアモルファスオーバーレイアーの除去を介して、さらにシャープな先端に整列した高密度の細長いナノグラス構造を開発しました。均一に分布した垂直に配置されたナノグラス表面内のコヒーレント光トラップによる反射率の大幅な低下（約0.5％）は、真のブラックシリコン（b-Si）ナノ構造を進化させ、エッチングを介してBH1状態からBH2状態またはBH3状態へのB-H結合の修飾を介して、p型からn型への電子配置をさらに自己変換し、自生的なp/n接合を生成することができます。(Ar + H2)プラズマエッチングされたb-Siナノグラス構造を用いて、低温(約200℃)で自作のp/n接合太陽電池をワンステップで作製することができました。デバイス性能のさらなる進歩の余地は十分にあります。

Photovoltaic performance of solar cells automatically improves when the absorber layer itself simultaneously acts as the anti-reflection nanostructure with an enhanced active absorber area on the front surface. Combined physical and chemical etching of p-c-Si wafers by (Ar + H2) plasma in inductively coupled low-pressure plasma CVD produces various nanostructures with subsequent minimization of reflectance. At a reduced temperature, the rate constant of thermal diffusion of atomic-H in the Si-network becomes smaller, leading to enhanced chemical etching reactions that further increase at an elevated RF power. Regrowth of the SiHn precursors produced by etching and subsequent hydrogenation in the plasma develops a high density of elongated nano-grass structures, which further align with sharp tips via Ar+ ion bombardment and elimination of loosely bound amorphous over-layers, on application of negative dc substrate bias during real-time etching and regrowth. A significantly reduced reflectance (∼0.5%) via coherent light trapping within the uniformly distributed vertically aligned nano-grass surfaces evolves truly black-silicon (b-Si) nanostructures, which further self-convert from the p-type to n-type electronic configuration via etching-mediated modification of B-H bonds from BH1 to BH2 and/or BH3 states, producing autogenic p/n junctions. Using (Ar + H2) plasma etched b-Si nano-grass structures at low temperature (∼200 °C), one-step fabrication of autogenic single p/n-junction proof-of-concept solar cells is accomplished. There is plenty of room for further progress in device performance.