الكريستالات السليكون الخلايا الشمسية الأغشية الرقيقة مع Plasmonic معززة للضوء للاحتباس

Summary

هي ملفقة الكريستالات السليكون الأغشية الرقيقة الخلايا الشمسية على الزجاج بواسطة ترسب طبقات البورون والفوسفور السيليكون مخدر تليها التخميل التبلور عيب، وmetallisation. هو عرض Plasmonic ضوء للاحتباس من خلال تشكيل النانوية حج على سطح الخلية السيليكون توج مع عاكس منتشرة مما أدى إلى تعزيز ~ photocurrent 45٪.

Abstract

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.

The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.

To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 μm thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm², which can be increased up to 17-18 mA/cm² (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.

To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23°C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF₂, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF₂, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm², up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.

Introduction

Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) ¹ and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) ². For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector ³, silicon plasma texturing ⁴ or high refractive index nanoparticle reflector ⁵ have been suggested.

Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect ⁶. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment ^6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested ⁸. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles ⁹. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance ¹⁰.

The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF₂ or SiO₂, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage ⁷. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric ⁶. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Protocol

1. تلفيق من خلايا السليكون الشمسية الكريستالات (الرسوم المتحركة 3)

1. فيلم السيليكون ترسب
   1. إعداد أداة تبخر البريد شعاع من الخبز بها في ~ 100 درجة مئوية خلال الليل لتصل إلى ضغط قاعدة من عربة 3E-8 <. مسبقا على سخان العينة إلى درجة حرارة 150 درجة مئوية الاستعداد.
   2. استخدم ركيزة مصنوعة من 5x5 سم ² (أو 10 X10 سم ²⁾ الركيزة البورسليكات الزجاج (شوت Borofloat33)، 1.1 أو 3.3 مم، مطلي مع ~ 80 نانومتر من نيتريد السيليكون (التي أعدتها PECVD من N ₂ و SIH خليط _4).
   3. تهب على سطح الركيزة مع النيتروجين الجاف لإزالة الغبار ووضعه في حامل العينة. تنفيس عن تأمين الحمولة، تحميل عينة، ضخ الحمل للانغلاق وصولا الى الضغط <عربة 1E5، ونقل العينة إلى الدائرة الرئيسية. بدء تشغيل سخان إلى نقطة مجموعة من 250 درجة مئوية. ضخ حوالي 20 دقيقة عند ضغط يصل 8E-8 عربة أو أقل.
   4. تأكد من أن يستعمل كعامل إشابةوأغلقت مصاريع مصدر مصدر والسيليكون و. مصدر يستعمل كعامل إشابة مسبقا درجات الحرارة لدرجات حرارة الاستعداد، أي أن درجة حرارة مصدر الفوسفور عند 700 درجة مئوية ودرجة الحرارة البورون مصدر في 1250 درجة مئوية. بدء البريد بندقية وتذوب في بوتقة السيليكون عن طريق زيادة ببطء الحالي البريد بندقية.
   5. عندما يتم التوصل إلى التيار المطلوب (من معايرة السابقة: هذا التيار يمكن أن تختلف تبعا للبندقية الإلكترونية والشروط مصدر سي) تتبخر طبقات السيليكون مخدر مع تركيز المطلوب من P و B: 35 باعث نانومتر في 1E20 سم ^-3 ف ؛ يتم تحقيق 100 نانومتر ظهر على سطح حقل (BSF) في 4E19 سم ^-3 باء التركيزات الدقيقة يستعمل كعامل إشابة ما يناسبها من بعض معدلات ترسيب سي، مقاسا كوارتز كريستال مراقب؛ 2 ~ امتصاص ميكرومتر 3 في 5E15 سم ^-3 باء (QCM)، مع درجات حرارة معينة مصدر يستعمل كعامل إشابة، وذلك باستخدام العلاقات الثابتة من معايرة SIMS.
   6. ويتم ذلك بعد تبخر تبديل سخان قبالة، تهدئة عينة عن 10 دقيقة ~. غير المشبعةفر العينة إلى قفل الحمل، على مقربة من بوابة صمام، تنفيس القفل تحميل وتفريغ العينة مع فيلم السيليكون.
2. السيليكون التبلور
   إذا كانت العينة 10x10 سم ^2، ويمكن خفض إلى أربعة 5x5 سم ² قطع حجم الخلية قبل التبلور. وضع فيلم السيليكون المودعة على الزجاج (سي فيلم متابعة) على حامل مصنوع من نيتريد المغلفة مخشن والسيليكون والزجاج Robax شوت (لتجنب الالتصاق). مسخن الحمل في فرن النيتروجين تطهير ل200-300 درجة مئوية. تكثيف درجة حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية في 3 ~ 5 درجات مئوية / دقيقة، ويصلب لمدة 30 ساعة. أنتقل من سخان الفرن، والسماح الفرن ليبرد بشكل طبيعي إلى ~ 200 درجة مئوية (2 ~ 3 ساعة) قبل تفريغ العينة. يمكن للعينة لها شكل مقعر بسبب انكماش السيليكون خلال التبلور. وسوف تتسطح أثناء معالجة الحرارية التالية السريع.
3. المقوي التنشيط وخلل الصلب (RTA)
   وضع عينة مع الفيلم تبلور على حامل مصنوع من الجرافيت بالتحلل الحراري ولامoad إلى معالج حراري سريع تطهير مع الأرجون. المنحدر من درجة حرارة تصل إلى 600 درجة مئوية في 1 درجة مئوية / ثانية، ثم تصل الى 1000 درجة مئوية عند 20 درجة مئوية / ثانية، عقد لمدة 1 دقيقة بارد ثم تراجع بشكل طبيعي إلى ~ 100 درجة مئوية وتفريغ.
4. سطح أكسيد إزالة
   ويجب أن تسبق مباشرة الهدرجة تتم إزالة أكسيد سطح تشكلت في فيلم السيليكون خلال التبلور وهيئة الطرق والمواصلات للتأكد من أن يتعرض الفيلم لسطح السيليكون العارية الهيدروجين. تزج العينة صلب إلى حل HF 5٪ حتى على سطح السيليكون يتحول مسعور (30 ~ 100 ق). التشطيف مع الماء وتجفيف deionised بمسدس النيتروجين.
5. عيب التخميل
   تحميل عينة في فراغ الغرفة مجهزة مصدر هيدروجين البلازما بعيد. وصولا الى ضخ <1E-4 عربة، تسخين عينة تصل إلى 620 درجة مئوية ~، بدوره على أرجون / هيدروجين تدفق خليط (50:150 SCCM)، مجموعة الضغط 50-100 mTorr، بدء مصدر البلازما بنسبة 3.5 كيلو واط من قوة الميكروويف ومواصلة عملية ل10 دقيقة ~. تشغيل سخان قبالة بينما maintaining البلازما لآخر دقيقة 10-15 حتى تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون 350 درجة مئوية قبل أن يتحول إلى بلازما الخروج ووقف تدفق الغاز. تفريغ عينة عندما تكون درجة الحرارة أقل من 200 درجة مئوية.
6. خلية metallisation
   ويجري metallisation خلية في سلسلة من الزخرفة الطباعة بصفائح معدة ضوئيا على التوالي، آل ترسب الفيلم والنقش الخطوات التي تم وصفها في تفاصيل في ^11. الخلية نهائي يبدو هو مبين في الشريحة الأخيرة من الرسوم المتحركة 3. ويبين وجهة نظر عن قرب الخلية الممعدنة في الشكل 1.
7. قياس EQE للخلية الممعدنة.

2. تلفيق من nanoparticle حج Plasmonic (الرسوم المتحركة 4)

1. تهب على سطح الخلية الممعدنة مع النيتروجين الجاف لإزالة الغبار وتحميل عينة الى المبخر الحرارية التي تحتوي على مركب دبليو مليئة حبيبات حج (0.3-0.5 ز). ضخ أسفل غرفة المبخر لضغط قاعدة من 2 ~ 3E-5 عربة. QCM برنامج مع المعلمات من أجل AG: الكثافة 10.50وZ نسبة 0.529.
2. تأكد من أن يتم إغلاق مصراع عينة، وتحويل سخان زورق دبليو وزيادة الحالي بما فيه الكفاية ببطء لتجنب ارتفاع الضغط فوق 5-8E عربة حتى تذوب حبيبات حج (كما لوحظ من خلال منفذ الرؤية). بعد استقرار ضبط ضغط النظام الحالي إلى نقطة مجموعة مناظرة معدل الترسيب حج من 0،1-0،2 A / S (من معايرة) وفتح مصراع لبدء عملية ترسيب.
3. يرصد الفيلم حج النمو سماكة باستخدام QCM وإغلاق مصراع الكاميرا عندما يتم التوصل إلى سماكة من 14 نانومتر. السماح للزورق دبليو تهدئة لمدة 15 دقيقة، وتفريغ العينة. وينبغي مطوع الفيلم لتشكيل النانوية في أقرب وقت ممكن بعد الترسيب لتجنب حج أكسدة.
4. يتم وضع الخلية مع فيلم حج المودعة حديثا في فرن مسخن تطهير النيتروجين إلى 230 0،1-0،2 درجة مئوية، لمدة 50 دقيقة مطوع، وتفرغ بعد ذلك. لاحظ التغيير في مظهر سطح بسبب النانوية. مسح صورة مجهرية الإلكترون من الجسيمات النانوية حج هو SHOسفل في الشكل. 2.
5. قياس EQE من الخلية التي تحتوي على مجموعة جسيمات متناهية الصغر.

3. تلفيق من عاكس خلفي

وعاكس خلفي يتكون من 300 ~ نانومتر سميكة إم جي إف ₂ (RI 1.38) الكسوة عازلة بطبقة من الطلاء الأبيض سقف التجارية (ديولكس).

1. قبل افتعال عاكس خلفي للاتصالات الخلية يجب أن تكون محمية من خلال تطبيق حبر أسود علامة عليها، والذي يسمح بكشف الأسماء من تحت عازل من خلال عملية الاطلاق.
2. استخدم بندقية النيتروجين لتفجير العينة مع مجموعة NP والاتصالات رسمت لإزالة الغبار. استخدم متواضع ضغط النيتروجين والرعاية ممارسة ليس لتفجير جزيئات بعيدا. ضع عينة في المبخر الحرارية التي تحتوي على مركب دبليو مليئة القطع ₂ إم جي إف. ضخ اسفل المبخر لضغوط من 2 عربة 3E-5 ~. تعيين المعلمات QCM لإم جي إف _2: الكثافة 3،05 و Z نسبة 0.637.
3. تأكد من أن عينة shutteتم إغلاق ص، بدوره على سخان قارب وزيادة ببطء الحالية لتجنب الإفراط في ارتفاع ضغط حتى إم جي إف ₂ يذوب ينظر اليها على انها من خلال منفذ الرؤية. بعد استقرار ضبط ضغط النظام الحالي إلى نقطة مجموعة المناظرة معدل ترسيب إم جي إف ₂ من 0،3 نانومتر / ثانية وفتح مصراع عينة.
4. مراقبة سماكة المودعة باستخدام QCM وإغلاق مصراع الكاميرا عندما يتم التوصل إلى 300 نانومتر.
5. إيقاف تشغيل جهاز التدفئة. السماح للزورق دبليو ليبرد لمدة 15 دقيقة، وتفريغ العينة. لاحظ التغيير في مظهر الخلية مع الكسوة ₂ إم جي إف.
6. لإزالة الحبر من قناع الاتصالات خلية تزج الخلية مع عازل الكسوة في الأسيتون. انتظر حتى عازلة فوق حبر يبدأ تكسير ورفع قبالة. الحفاظ على خلية في الأسيتون حتى تتم إزالة جميع الحبر مع عازلة ويتعرضون بشكل كامل على الاتصالات المعدنية. إزالة عينة من الأسيتون، شطف مع الأسيتون الرطب والجاف مع بندقية النيتروجين.
7. تطبيق طبقة منالطلاء الأبيض (ديولكس طلاء سقف واحد، معطف) مع فرشاة لينة غرامة على سطح الخلية بأكملها بعناية وتجنب الاتصال المعدنية. طبقة الطلاء يجب أن تكون سميكة بما يكفي لتكون مبهمة تماما (~> 0.5 مم)، بحيث يمكن أن يرى أي ضوء عندما تبحث عن طريق خلية رسمت في مصدر الضوء الساطع. اسمحوا الطلاء الجاف ليوم واحد.
8. قياس EQE للخلية مع عاكس خلفي الطلاء الأبيض.

4. ممثل النتائج

يتم حساب الخلايا الشمسية قصيرة الدوائر الحالية، من خلال دمج منحنى EQE على مدى الطيف الشمسي القياسية العالمية (كتلة الهواء 1.5). كلا الخلية الحالية وتعزيزه بسبب احتباس الضوء تعتمد على طبقة سمكها خلية امتصاص: التيار نفسه هو أعلى بالنسبة للخلايا سمكا لكن تعزيز الحالي هو أعلى بالنسبة للأرق الأجهزة، انظر الجدول رقم 1 للبيانات ذات الصلة والرسوم المتحركة (5) لEQE المنحنيات. الأصلي الخلايا ميكرون 2 سميكة، وبدون ح، ضوء للاحتباسافي هيئة الأوراق المالية في قياس الخطوة 1.7.) من ~ 15 سم / أمبير ^2. بعد تصنيع مجموعة وجسيمات متناهية الصغر، هيئة الأوراق المالية يزيد تصل إلى حوالي 20 سم / أمبير ^2، الذي هو تعزيز 32٪. وهو أفضل قليلا من تأثير تعزيز 25-30٪ من عاكس للمنتشر الخلفي فقط. بعد إضافة عاكس خلفي منتشر على إم جي إف ₂ الكسوة إلى الخلية مع مجموعة جسيمات متناهية الصغر plasmonic، يتم زيادة JSC المزيد إلى ² مللي أمبير / سم 22.3، أو تعزيز حوالي 45٪. لاحظ أن للخلية 3 ميكرون سميكة جميع التيارات هي أعلى، تصل إلى 25.7 مللي أمبير / سم ² بينما في تعزيز نسبي أقل قليلا، و 42٪: ضوء للاحتباس له تأثير أكبر نسبيا في أرق الأجهزة.

خلية سمك:	2 ميكرومتر		3 ميكرومتر
	هيئة الأوراق المالية، أمبير / سم 2	ترونج> +٪	هيئة الأوراق المالية، أمبير / سم 2	+٪
الخلية الأصلية	15.4		18.1
عاكس خلفي منتشر (R)	20.1	30.5	21.5	18.8
النانوية (NP)	20.3	31.8	21.9	21.0
NP / إم جي إف 2 / R	22.3	45.3	25.7	42.0

الجدول رقم 1. Plasmonic الخلية قصيرة الدوائر الحالية وتعزيزه مقارنة الخلية الأصلية.

الشكل 1. عن قرب نظرا للبولي سيليكون الخلايا الشمسية الرقيقة مع شبكة metallisation.

/ ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
الشكل 2. مسح الإلكترون صورة مجهرية من جزيئات الفضة على سطح السيليكون.

الشكل 3. وجهة نظر تخطيطية لplasmonic الخلية الشمسية السيليكون البلورية الأغشية الرقيقة (وليس على النطاق).

الشكل 4 الخارجي الكم من الكفاءة وقصيرة الدائرة الحالية للخلايا الكريستالات الأغشية الرقيقة السليكون مع عاكس منتشر وplasmonic النانوية: متقطع السود - الأصلي 2 ميكرون سميكة الخلية دون ضوء للاحتباس، هيئة الأوراق المالية مللي أمبير / سم ² 15.36؛ الزرقاء - الخلية. مع عاكس الطلاء منتشر، هيئة الأوراق المالية 20.08 مللي أمبير / سم ^2، أحمر - الخلية مع النانوية حج plasmonic، هيئة الأوراق المالية 20.31 مللي أمبير / سم ^2؛ الخضراء - الخلية مع النانوية، إم جي إف _2، ومنتشر عاكس الطلاء، وهيئة الأوراق المالية 22،32 مللي أمبير / سم ^2. الأرجواني - 3 خلية ميكرون سميكة (على الزجاج السميك 3 ملم) مع النانوية، إم جي إف _2، وعاكس منتشر، هيئة الأوراق المالية 25،7 مللي أمبير / سم ² (لاحظ استجابة أقل الأزرق بسبب وجود خلافات غير مقصود في طبقات AR وسمك باعث). صلب أسود - 2 ميكرون خلية سميك محكم أعده تعزيز البلازما ترسيب الأبخرة الكيميائية (على الزجاج 3 مم سميكة)، هيئة الأوراق المالية 26،4 مللي أمبير / سم ^2، كما هو موضح للمقارنة.

الرسوم المتحركة 1. اضغط هنا لمشاهدة الرسوم المتحركة .

الرسوم المتحركة 2. اضغط هنا لمشاهدة الرسوم المتحركة .

الرسوم المتحركة 3. اضغط هنا لمشاهدة الرسوم المتحركة.

4 الرسوم المتحركة. انقر هنا لعرض الرسوم المتحركة .

5 الرسوم المتحركة. اضغط هنا لمشاهدة الرسوم المتحركة .

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

تبخرت خلايا السليكون الشمسية والكريستالات النانوية ضوء نثر plasmonic هم شركاء مثالية للاحتباس الضوء. هذه الخلايا هي مستو، وبالتالي فإنهم لا يستطيعون الاعتماد على تشتت الضوء من أسطح محكم، ولا يمكن plasmonic النانوية سيتم تشكيلها بسهولة على السطوح محكم. الخلايا واحد فقط، الس?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
اسم كاشف	شركة	فهرس العدد	تعليقات
فضة محبب	سيغما الدريخ	303372	99.99٪
إم جي إف 2، بلورات عشوائي، الصف بصري	سيغما الدريخ	378836	> = 99.99٪
ديولكس طلاء سقف واحد معطف	ديولكس		R> 90٪ (500-1100 نانومتر)