Revisão sistemática de células solares de silício base n: estruturas e eficiências

Vanzetto, A. B.; Moehlecke, A.; Crestani, T.; Britto, J. V. Z.; Zanesco, I.

doi:10.1590/0366-69132022683883369

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Articles • Cerâmica 68 (388) • Oct-Dec 2022 • https://doi.org/10.1590/0366-69132022683883369 copiar

Revisão sistemática de células solares de silício base n: estruturas e eficiências

Systematic review of n-type silicon solar cells: structures and efficiencies

Autoria SCIMAGO INSTITUTIONS RANKINGS

Resumo

Células solares com emissor e face posterior passivada (PERC, passivated emitter and rear cell) vêm dominando o mercado fotovoltaico em razão de seu processo de fabricação ser compatível com as linhas industriais que vinham sendo utilizadas e pela produção de dispositivos de alta eficiência. Atualmente o silício tipo p é o mais utilizado pela indústria de células solares, mas o silício tipo n deve ganhar mercado nos próximos anos juntamente com o emprego de lâminas de espessura reduzida. O objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão sistemática dos principais estudos na área de células solares base n, sendo elas do tipo PERC, PERT (passivated emitter-rear totally diffused) e TOPCon (tunnel oxide passivated contact), com ênfase para a abordagem de contatos seletivos, emissores seletivos e nos processos utilizados, bem como na análise de células solares de espessura reduzida em relação ao padrão da indústria atual.

Palavras-chave:
células solares; silício tipo n; PERC; PERT; TOPCon

Tabela I Resultados dos trabalhos em células solares com estrutura PERC base n.

Substrato/espessura (μm)/área (cm²)	Emissor	BSF	Passivação	Metalização	η(%)	Ref.
Cz tipo n/210/-	p⁺ frontal	n⁺ (sob passivação); n⁺⁺ seletivo arsênio (sob contatos)	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: SiO₂/SiN_x	Eletrodeposição de Al	26,97	⁹9 N. Boukortt, B. Hadri, Indian J. Phys. 93 (2019) 33.*
Cz tipo n 6,4 Ω.cm/160/16	-	-	SiN_x:H	Serigrafia	20,2	³³33 J.F. Lelièvre, B. Kafle , P. Saint Cast, P. Brunet, R. Magnan, E. Hernandez, S. Pouliquen, F. Massines, Prog. Photovolt . 27 (2019) 1007.
Cz tipo n 2 Ω.cm/-/244	p⁺ (B) frontal	-	Superfície: AlO_x/SiN_x; contatos posteriores: SiO_x/SiC_x (n)	Serigrafia; frontal: Ag/Al; posterior: Ag	22,5	³⁴34 C. Allebé, J.J.D. Leon, A. Ingenito, A. Descoeudres, G. Nogay, P. Wyss, F.J. Huang, M. Despeisse, S. Nicolay, C. Ballif, in 46th Photovolt. Special. Conf., IEEE (2019) 2196.
Cz tipo n 1 Ω.cm/180/244	p⁺ (B) frontal	-	SiN_x/Al₂O₃	Serigrafia Ag/Al	23,1	³⁷37 W. Lin , C. Liu, Y. Wang, Y. He, Y. Zou, L. Yuan, J. Gong, Y. Yang, Z. Feng, Z. Liu, Z. Chen, Q. Xie, Z. Liang , Y. Chen, H. Shen , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 210 (2020) 110462.
Si tipo n/170/244	-	-	SiN_x MgF₂ TiO₂	-	22,1	³⁸38 J. Wang, Y. Xuan, Y. Da, Y. Xu, L. Zheng, Opt. Commun. 462 (2020) 125358.*
Cz tipo n 0,5-2 Ω.cm/180/-	p⁺ bifacial	n⁺ bifacial	Al₂O₃/Si₃N₄	Frontal Ag; posterior Al/Cu	20,7 frontal; 16,5 posterior (20,8-16,5 exp.)	³⁵35 T. Sugiura, S. Matsumoto, N. Nakano, IEEE J. Photovolt . 10 (2020) 1538.*
Cz tipo n 2 Ω.cm/-/-	p⁺ posterior	n⁺ frontal	Al₂O₃/SiN_x	Serigrafia	24,1	³⁶36 C.N. Kruse, S. Schäfer, F. Haase, V. Mertens, H. Schulte-Huxel, B. Lim , B. Min , T. Dullweber, R. Peist, R. Brendel , Sci. Rep. 11 (2021) 1.*

Tabela II Resultados dos trabalhos em células solares com estrutura PERT base n.

Substrato/espessura (μm)/área (cm²)	Emissor	BSF	Passivação	Metalização	η(%)	Ref.
Cz tipo n 3-5 Ω.cm/-/244	p⁺ (B) posterior	n⁺ (P) frontal	Fontal: SiN_x; posterior: AlO_y-SiN_x	Serigrafia	21,0	¹²12 V. Shanmugam, A. Khanna, D.J. Perez, R.V. Tabajonda, J.M.Y. Ali, A.L.M. Ortega, I.J. Garcia, B. Lim, T. Mueller, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 186 (2018) 124.
Cz tipo n 0,9 a 5,4 Ω.cm/180/244	p⁺ (B)/p⁺⁺ (Al) posterior	n⁺ (P) frontal	SiO₂/SiN_x	Serigrafia; frontal: Ag; posterior: Al	21,6 frontal; 15,8 posterior	³⁹39 C. Comparotto, J. Lossen, V.D. Mihailetchi , in AIP Conf. Proc., AIP Publ. (2018) 100001.
Cz tipo n 4 Ω.cm/180/232	p⁺ (B/Al) posterior	n⁺ (P) frontal	SiN_x (LCO-passivação posterior)	Serigrafia; frontal: Ag; posterior: Al	22,2	²⁵25 Z.W. Peng, T. Buck, L.J. Koduvelikulathu, J. Libal, V.D. Mihailetchi, R. Kopecek, in AIP Conf. Proc., AIP Publ. (2019) 100001.
Cz tipo n 4-5 Ω.cm/190/244	p⁺ (B) frontal	n⁺ (P) posterior	SiN_x	Serigrafia	21,4	⁴⁰40 X. Yan, E.C. Wang, N. Chen, L. Zhang, X. Gong, X. Zhang, S. Duttagupta , Sol. Energy 179 (2019) 335.
mC-HP tipo n/190-200/16	p⁺ (B) bifacial	n⁺ (P)	SiN_x	-	21,0	⁴¹41 H.C. Sio, S.P. Phang, A. Fell, H. Wang , P. Zheng, D.K. Chen, X. Zhang , T. Zhang, Q. Wang, H. Jin, D. Macdonald, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 201 (2019) 110059.*
Cz tipo n/84/244	p⁺ (B)	n⁺ (P)	Frontal: SiO₂/SiN_x; posterior: SiN_x	-	20,1	⁴²42 Y. Ohshita, K. Onishi, R. Yokogawa, T. Nishihara, T. Kamioka, K. Nakamura, T. Kawatsu, T. Nagai, N. Yamada, Y. Miyashita, A. Ogura, in 46th Photovolt. Special. Conf., IEEE (2019) 1131.
Cz tipo n 1-5 Ω.cm/180/244	p⁺ (B) posterior	n⁺ (P)/n⁺⁺ (P) frontal	Frontal: SiN_x; posterior: Al₂O₃/SiN_x	Serigrafia; frontal: Ag; posterior: Al	21,5	⁴4 H.P. Yin, K. Tang, J.B. Zhang, W. Shan, X.M. Huang, X.D. Shen, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 208 (2020) 110345.
Cz tipo n 2 Ω.cm/-/244	p⁺ (B)	n⁺ (P)/n⁺⁺ (P) posterior	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: SiN_x	Serigrafia; frontal: Ag/Al; posterior: Ag	21,0	⁵5 H.P. Yin , W.S. Tang, J.B. Zhang , W. Shan , X.M. Huang , X.D. Shen , Sol. Energy 220 (2021) 211.
Cz tipo n 2 Ω.cm/170/-	p⁺ (B)/p⁺⁺ (B) frontal	n⁺ (P) posterior	SiN_x/Al₂O₃	Serigrafia	21,0	²⁰20 A.D. Upadhyaya, K. Madani, V. Upadhyaya, B. Rounsaville , Y.Y. Huang, A. Rohatgi , in 47th Photovolt. Special. Conf., IEEE (2020) 1626.

Tabela III Resultados de publicações de células solares com a estrutura n-TOPCon.

Substrato/espessura (μm)/área (cm²)	Emissor	BSF	Passivação	Metalização	η(%)	Ref.
Cz tipo n 0.2-2 Ω.cm/170/4	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: SiO_x	Frontal: Cr/Pd/Ag evaporação com canhão de elétrons; posterior: evaporação térmica Ag	21,1	²³23 Z. Zhang , Y. Zeng, C.S. Jiang, Y. Huang, M. Liao, H. Tong, M. Al-Jassim, P. Gao, C. Shou. X. Zhou. B. Yan, J. Ye, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 187 (2018) 113.
Cz tipo n 1-3 Ω.cm/180/103	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: poli-Si	Frontal: Ti/Pd/Ag; posterior: Ag	20,7-21,0	⁴³43 H. Tong , M. Liao , Z. Zhang , Y. Wan, D. Wang, C. Quan, L. Cai, P. Gao , W. Guo, H. Lin, C. Shou , Y. Zeng , B. Yan , J. Ye , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 188 (2018) 149.
FZ tipo n/250/4	p⁺ poli-Si posterior	n⁺ poli-Si frontal	SiO_x	Evaporação térmica; frontal: Ti/Pd/Ag; posterior: Ag	19,2 sim.; 21,5 exp.	⁴⁴44 M. Nicolai, M. Zanuccoli, F. Feldmann , M. Hermle, C. Fiegna, IEEE J. Photovolt . 8 (2017) 103.
Cz tipo n 3-6 Ω.cm/170/244	p⁺ poli-Si (B)	n⁺ (P)	ALD AlO_x/SiO_x (superfície); AlOx/SiN_x (contatos)	Frontal: serigrafia; posterior: serigrafia e evaporação térmica	23,2 sim.; 20,5 exp.	⁴⁵45 Z. Xin, Z.P. Ling, P. Wang, J. Ge, C. Ke, K.B. Choi, A.G. Aberle, R. Stangl, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 191 (2019) 164.
Cz tipo n 2 Ω.cm/200/239	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: tunnel oxide/poli-Si/SiN_x	Serigrafia	21,6	⁴⁶46 Y.Y. Huang, Y.W. Ok , A.D. Upadhyaya , V.D. Upadhyaya, K. Madani , A. Rohatgi , in 46th Photovolt. Special. Conf., IEEE (2019) 1120.
Tipo n/180/-	-	n⁺ poli-Si	SiO₂ ultrafino	-	-	⁴⁷47 S. Mitra , H. Ghosh, H. Saha, K. Ghosh, IEEE T. Electron Dev. 66 (2019) 1368.
FZ tipo n/280/103	p⁺ poli-Si posterior	poli/n a-Si: H	Frontal: borossilicato; posterior: SiO₂	Frontal: evaporação por feixe de elétrons Al; posterior: evaporação térmica Ag/Cr/Al	21,0	⁴⁸48 G. Limodio, G. Yang, H. Ge, P. Procel, Y. De Groot, L. Mazzarella, O. Isabella, M. Zeman, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 194 (2019) 28.
FZ tipo n 1 Ω.cm/-/4	p⁺/p⁺⁺ (B) frontal	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: SiO₂ (~1,5 nm)	Frontal: fotolitografia; posterior: evaporação térmica Ag	22,0	¹⁹19 A. Rohatgi, K. Zhu, J. Tong, D.H. Kim, E. Reichmanis, B. Rounsaville, V. Prakash, Y.W. Ok, IEEE J. Photovolt . 10 (2020) 417.
Cz tipo n ~3 Ω.cm/170/244	p⁺ poli-Si	-	SiO_x AlO_x:H	Evaporação térmica Al	-	⁴⁹49 X. Guo, M. Liao , Z. Rui, Q. Yang, Z. Wang, C. Shou , W. Ding, X. Luo, Y. Cao, J. Xu, L. Fu, Y. Zheng. B. Yan , J. Ye , J. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 210 (2020) 110487.
Cz tipo n 1-5 Ω.cm/200/-	-	n⁺ poli-Si	SiO_x	Serigrafia	24,3	⁵⁰50 C. Park, N. Balaji, S. Ahn, J. Park, E.C. Cho, J. Yi, Sol. Energy 211 (2020) 62.
FZ tipo n 3 Ω.cm/180/-	p⁺ (Al)	n⁺ poli-Si	AlO_x/SiN_x	Serigrafia	19,7	⁵¹51 Y. Xu , H. Shen , Z. Yang, Q. Wei, Z. Ni, S. Li , Z. Wang , B. Zhao, Sol. Energy 207 (2020) 436.
Tipo n/-/-	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	SiO₂ SiN_x:H	Serigrafia	-	⁵²52 M. Yu, R. Zhou, P. Hamer, D. Chen, X. Zhang , P.P. Altermatt , P.R. Wilshaw, R.S. Bonilla, Sol. Energy 211 (2020) 1214.
Quase-mono tipo n 1.4 Ω.cm/167/246	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Óxido de túnel interfacial (SiO₂)/SiN_x	Frontal: Ag/Al; posterior: Ag	23,2	⁵³53 C. Liu , D. Chen , Y. Chen , Y. Ling, Y. Zou , Y. Wang , J. Gong , Z. Feng , P. Altermatt, P.J. Verlinden, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 215 (2020) 110690.
Cz tipo n 5 Ω.cm/180/244	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Óxido de túnel interfacial (SiO_x)	Serigrafia; frontal: Ag/Al; posterior: Ag	23,5	⁵⁴54 Q. Wang , W. Wu , D. Chen , L. Yuan , S. Yang, Y. Sun, S. Yang , Q. Zhang, Y. Cao , H. Qu, N. Yuan, J. Ding, Sol. Energy 211 (2020) 324.
Cz tipo n 0.5-2 Ω.cm/180/244	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: SiO_x	Screen-printed Ag	22,4	⁵⁵55 Q. Wang , W. Wu , N. Yuan , Y. Li, Y. Zhang, J. Ding , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 208 (2020) 110423.
Cz tipo n 1-3 Ω.cm/180/4	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	SiO₂	Evaporação por canhão de elétrons e eletrodeposição (frontal)/evaporação térmica (posterior)	23,0	⁵⁶56 Q. Yang , M. Liao , Z. Wang , J. Zheng, X. Guo , Z. Rui , D. Huang, L. Lu, M. Feng, P. Cheng, C. Shou , Y. Zeng , B. Yan , J. Ye , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 210 (2020) 110518.
Cz tipo n 5 Ω.cm/180/9	p⁺ (B) posterior	n⁺ poli-Si/ITO frontal	Frontal: SiO₂; posterior: Al₂O₃/SiN_x	Evaporação térmica Ag	20,2	⁵⁷57 W. Yoon, D. Scheiman, Y.W. Ok , Z. Song, C. Chen, G. Jernigan, A. Rohatgi , Y. Yan, P. Jenkins, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 210 (2020) 110482.
Cz tipo n 3 Ω.cm/180/4	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: SiO_x	Frontal: Ti/Pd/Ag; posterior: Ag	21,0	⁵⁸58 Y. Huang , M. Liao , Z. Wang , X. Guo , C. Jiang, Q. Yang , Z. Yuan, D. Huang , J. Yang , X. Zhang , Q. Wang , H. Jin , M. Al-Jassim , C. Shou , Y. Zeng , B. Yan , J. Ye , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 208 (2020) 110389.
FZ tipo n 500 Ω.cm/298/-	-	-	SiN_x	-	-	⁵⁹59 G.C. Wilkes, A.D. Upadhyaya , A. Rohatgi , M.C. Gupta, in 46th Photovolt. Special. Conf., IEEE (2019) 2709.
FZ tipo n 500 Ω.cm/298/-	-	-	SiN_x	-	-	⁶⁰60 G.C. Wilkes , A.D. Upadhyaya , A. Rohatgi , M. Gupta, IEEE J. Photovolt . 10 (2020) 1283.
Cz tipo n/-/4	Camada a-Si:H dopado com B	SiH₄, B₃H₆, H	Interno: SiO₂; externo: SiN_x	Evaporação térmica Ti/Ag	-	⁶¹61 D.L. Young , K. Chen, S. Theingi, V. LaSalvia, D. Diercks, H. Guthrey, W. Nemeth , M. Page , P. Stradins , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 217 (2020) 110621.
Tipo n 3.2 Ω.cm/190/-	-	n⁺ poli-Si	Interno: óxido de túnel interfacial; externo: SiN_x	-	-	⁶²62 P. Padhamnath, N. Nampalli, N. Nandakumar , J.K. Buatis, M.J. Naval, AG. Aberle, S. Duttagupta , Thin Solid Films 699 (2020) 137886.
Tipo n 2.8 Ω.cm/180/244	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: SiN_x/Al₂O₃; posterior: iO_x/SiN_x	Evaporação Al	-	⁶³63 P. Padhamnath , A. Khanna , N. Nandakumar , N. Nampalli , V. Shanmugam , A.G. Aberle , S. Duttagupta , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 207 (2020) 110358.
Cz tipo n 3.4 Ω.cm/-/228	p⁺ poli-Si	n⁺ (P)	AlO_x	-	-	⁶⁴64 G. Kaur, Z. Xin , T. Dutta, R. Sridharan, R. Stangl , A. Danner, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 217 (2020) 110720.
Cz tipo n 1.2 Ω.cm/180/244	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: SiN_x; posterior: SiO_x	Evaporação térmica Ag	27,9 sim.	⁶⁵65 G. Kaur , Z. Xin , R. Sridharan , A. Danner , R. Stangl , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 218 (2020) 110758.
Cz tipo n/-/239	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: Al₂O₃/SiN_x; posterior: Al₂O₃	Frontal: serigrafia; posterior: evaporação Ag	20,8	⁶⁶66 K. Madani , A. Rohatgi , B. Rounsaville , M.G. Kang, H.E. Song, Y.W. Ok , IEEE J. Photovolt . 11 (2021) 268.
Cz tipo n 3 Ω.cm/180/196	p⁺ poli-Si	n⁺ poli-Si	Interno: iO_x; externo: SiN_x; ITO	Serigrafia: SiN_x/cura ITO	19,6	⁶⁷67 X. Yan , F.B. Suhaimi, M. Xu, J. Yang , X. Zhang , Q. Wang , H. Jin , S. Duttagupta , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 230 (2021) 111249.
Cz tipo n 1.2 Ω.cm/180/244	p⁺ (B)	n⁺ (P)	Frontal: p⁺ poli-Si/AlO_x; posterior: n⁺ poli-Si/SiO_x	Serigrafia; frontal: Ag/Al; posterior: Ag	22,0	⁶⁸68 P. Padhamnath , A. Khanna , N. Nandakumar , A.G. Aberle , S. Duttagupta , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 230 (2021) 111217.
Cz tipo n 1-3 Ω.cm/170/-	p⁺ poli-Si (B)	n⁺/n⁺⁺ frontal	Frontal: SiO_x/SiN_x/SiO_x; posterior: SiO₂ ultrafino	Evaporação com canhão de elétrons	26,0	⁶⁹69 Z. Liu , Z. Yang , W. Wang, Q. Yang , Q. Han, D. Ma, H. Cheng, Y. Lin, J. Zheng , W. Liu, M. Liao , H. Chen, Y. Wang , Y. Zeng , B. Yan , J. Ye , Sol. Energy 221 (2021) 1.

Tabela IV Resultados dos trabalhos com outras configurações de células solares diferentes da PERC, PERT e TOPCon.

Estrutura	Substrato/espessura (μm)/área (cm²)	Emissor	BSF	Passivação	η(%)	Ref.
MonoPoly	Tipo n/-/-	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Óxido de túnel interfacial	22,6	⁷⁴74 M. König , T. Kluge , T. Grosse , H.P. Sperlich , L.F. Makoudjou , N. Nandakumar , J.W. Rodriguez , S. Duttagupta , in 7th World Conf. Photovolt . Energy Convers., IEEE (2018) 1000.
MonoPoly	Cz tipo n 2 Ω.cm/170/244	p⁺ (B)	n⁺ poli-Si	Frontal: SiN_x/AlO_x; posterior: óxido de túnel/poli-Si/SiN_x	21,4	⁷⁵75 S. Duttagupta , N. Nandakumar , P. Padhamnath , J.K. Buatis , R. Stangl , A.G. Aberle , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 187 (2018) 76.
Contatos seletivos	Cz tipo n/-/-	-	n⁺ (P) frontal	Frontal: SiN_x; posterior: AlO_x/PEDOT:PSS	21,0	⁷⁶76 Z.P. Ling , Z. Xin , G. Kaur , C. Ke , R. Stangl , Sol. Energy Mater. Sol. Cells 185 (2018) 477.

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