De silicio policristalino película delgada de células solares con plasmónica mejorada luz que atrapa

Resumen

Policristalinos de silicio de película delgada de células solares sobre vidrio se fabrican por la deposición de capas de boro y fósforo de silicio dopadas seguido por pasivación defecto de cristalización, y metalización. Plasmónica luz que atrapa se introduce mediante la formación de nanopartículas de Ag en la superficie celular de silicio tapado con un reflector difuso que resulta en la mejora ~ fotocorriente 45%.

Resumen

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.

Protocolo

1. Fabricación de células solares de silicio policristalino (Animación 3)

1. Silicio deposición de película
   1. Preparar la herramienta evaporación por haz de electrones por hornearlo a cabo a ~ 100 ° C durante la noche para llegar a la presión de base de <3E-8 Torr. Preajuste de la muestra del calentador a la temperatura de 150 ° C en espera.
   2. Utilizar un sustrato hecho de 5x5 cm ² (o 10 x 10 cm ²⁾ substrato de vidrio de borosilicato (Schott Borofloat33), 1,1 o 3,3 mm de espesor, revestidas con ~ 80 nm de nitruro de silicio (preparado por PECVD a partir de N ₂ y la mezcla de SiH _4).
   3. Restos de la superficie del sustrato con nitrógeno seco para quitar el polvo, ponerlo en un soporte de la muestra. Ventile el bloqueo de carga, la carga de la muestra, la bomba de la carga, bloquear a la presión
   4. Compruebe que el dopantepersianas de origen y la fuente de silicio están cerrados. Prefijados temperaturas fuente dopantes a temperaturas de espera, es decir, la temperatura de la fuente de fósforo a 700 ° C y temperatura de la fuente de boro a 1250 ° C. Empezar electrónico pistola y se funden en un crisol de silicio aumentando lentamente la corriente de e-pistola.
   5. Cuando la corriente requerida se alcanza (a partir de calibración previa: esta corriente puede variar dependiendo de la dirección de la pistola y las condiciones de origen silicio) se evaporan con capas de silicio dopado con las concentraciones requeridas de P y B: 35 nm en el emisor 1E20 cm ^-3 de P ; 2 ~ 3 micras, con absorbedor 5E15 ^-3 cm de B; 100 nm superficie trasera campo (FBS) al 4E19 ^-3 cm de B. Las concentraciones exactas de dopado se logran haciendo coincidir ciertas velocidades de deposición de Si, medida por cristal de cuarzo monitor (QCM), con ciertas temperaturas de origen dopantes, con relaciones que se establecen a partir de calibración SIMS.
   6. Después de la evaporación se hace cambiar el calentador, enfríe la muestra durante ~ 10 minutos. Transfer la muestra a la carga de bloqueo, cierre la puerta de válvula, purgar el bloqueo de carga y descarga de la muestra con la película de silicio.
2. Silicio cristalización
   Si la muestra es de 10x10 cm ^2, se puede cortar en cuatro 5x5 cm ² piezas de tamaño de células antes de la cristalización. Colocar una película de silicio depositadas sobre vidrio (película de Si arriba) sobre un soporte hecho de rugosa y de nitruro de silicio recubierto de vidrio Schott Robax (para evitar la adherencia). Cargar en un horno purgado con nitrógeno precalentado a 200-300 ° C. Rampa hasta la temperatura hasta 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min y recocido durante 30 horas. Gire a la del calentador de horno y deje enfriar el horno de forma natural a ~ 200 ° C (2 ~ 3 horas) antes de descargar la muestra. La muestra puede tener una forma cóncava debido a la contracción de silicio durante la cristalización. Se aplanan durante el siguiente proceso de cocción rápida.
3. Activación del dopante y el defecto de recocido (RTA)
   Colocar la muestra con la película cristalizó en un soporte de grafito pirolítico y load a un procesador térmico rápido se purgó con argón. Rampa la temperatura hasta 600 ° C a 1 ° C / s, a continuación, hasta 1000 ° C a 20 ° C / s, mantener durante 1 min y después enfriar naturalmente a ~ 100 ° C y descarga.
4. Superficie eliminación de óxido
   Inmediatamente antes de la hidrogenación del óxido de la superficie formada en una película de silicio durante la cristalización y RTA debe ser eliminado para garantizar que la superficie de silicio de película queden expuestos al hidrógeno. Sumergir la muestra recocida en 5% de solución de HF hasta que la superficie de silicio se convierte hidrófobo (30 ~ 100 s). Enjuague con agua desionizada y seque con una pistola de nitrógeno.
5. Defecto de pasivación
   Cargar la muestra en una cámara de vacío equipado con la fuente de plasma de hidrógeno a distancia. De la bomba hasta <1E-4 Torr, calentar la muestra hasta ~ 620 ° C, encender el argón / flujo de la mezcla de hidrógeno (50:150 SCCM), ajustar la presión de 50-100 mTorr, inicie la fuente de plasma de 3,5 kW de la potencia de microondas y continuar el proceso de ~ 10 min. Apague el calentador cuando maintanando el plasma para otro 10-15 minutos hasta que la temperatura cae por debajo de 350 ° C antes de encender el plasma fuera y detener el flujo de gas. Descargue la muestra cuando la temperatura está por debajo de 200 ° C.
6. Metalización de la célula
   Metalización de la célula se lleva a cabo en una serie de patrones consecutivo fotolitográfico, la deposición de película de Al y el grabado pasos que se describen en detalle en ^11. El final de células parece se muestra en la última diapositiva de animación en 3. Una vista en primer plano de la celda metalizada se muestra en la figura 1.
7. Medir EQE de la célula metalizado.

2. La fabricación de la plasmónica nanopartículas de Ag (Animación 4)

1. Blow la superficie celular metalizado con nitrógeno seco para eliminar el polvo y cargar la muestra en un evaporador de cocción que contienen un barco W llena con gránulos de Ag (0.3-0.5 g). La bomba abajo de la cámara del evaporador a la presión de base de 2 ~ 3E-5 Torr. Programa QCM con parámetros para Ag: Densidad 10,50y Z proporción 0,529.
2. Asegúrese de que el obturador de la muestra está cerrada, apague el calentador barco de W y el aumento de la corriente lo suficientemente lento para evitar que suba la presión por encima de 8E-5 Torr hasta que los gránulos Ag fusión (como se observa a través de un punto de vista de un puerto). Después de la presión se estabiliza ajustar la corriente al punto de referencia que corresponde la tasa de deposición de Ag de 0,1-0,2 Å / s (de calibración) y abrir el obturador para iniciar el proceso de deposición.
3. Vigilar la creciente espesor Ag película usando QCM y cerrar el obturador cuando el espesor de 14 nm se alcanza. Deje que el barco de W se enfríe durante unos 15 minutos, descargar la muestra. La película debe ser recocido para formar nanopartículas tan pronto como sea posible después de la deposición para evitar la oxidación de Ag.
4. Una célula con un recién depositado película de Ag se coloca en un horno purgado con nitrógeno precalentado a 230 ° C 0.1 hasta 0.2, recocido durante 50 minutos, y luego descargado. Tenga en cuenta el cambio en la apariencia de la superficie debido a las nanopartículas. Escaneado de imágenes de microscopía electrónica de las nanopartículas de Ag es shown en la figura. 2.
5. Mida EQE de la célula con la matriz de las nanopartículas.

3. La fabricación del reflector trasero

El reflector trasero consta de ~ 300 nm de espesor _MgF2 (IR 1,38) revestimiento con una capa dieléctrica de una pintura del techo blanco comercial (Dulux).

1. Antes de fabricar la parte trasera del reflector los contactos de células tienen que ser protegidos mediante la aplicación de una tinta marcador negro sobre ellos, que permite la exposición de los contactos de bajo el dieléctrico por un proceso de despegue.
2. Use una pistola de nitrógeno para hacer estallar la muestra con la matriz NP y contactos pintadas para quitar el polvo. Use una presión de nitrógeno modesto y tenga cuidado de no soplar las nanopartículas de distancia. Colocar la muestra en el evaporador de cocción que contienen un bote lleno de W _MgF2 piezas. La bomba abajo del evaporador a presión de 2 ~ 3E-5 Torr. Establezca los parámetros de QCM para MgF _2: Densidad de 3,05 y la relación de Z 0,637.
3. Asegúrese de que la muestra de Shutter está cerrado, encender el calefactor del barco y poco a poco aumentar la intensidad para evitar que suba la presión excesiva hasta que se derrita _MgF2 como se ve a través de un puerto de vista. Después de que la presión se estabilice establecer el actual en el punto de consigna correspondiente al _MgF2 tasa de deposición de 0.3 nm / s, y abrir el obturador de la muestra.
4. Controlar el espesor depositado con QCM y cerrar el obturador cuando se llega a 300 nm.
5. Apague el calentador. Deje que el barco de W se enfríe durante unos 15 minutos, descargar la muestra. Nótese el cambio en el aspecto de células con el MgF ₂ revestimiento.
6. Para retirar la máscara de tinta desde los contactos de células sumerja la celda con el dieléctrico revestimientos en acetona. Espere hasta que el dieléctrico por encima de la tinta comienza a agrietarse y levantándola. Mantener la celda en acetona hasta que toda la tinta con el dieléctrico se retira y los contactos metálicos están expuestos completamente. Retire la muestra a partir de acetona, enjuagar con acetona fresca y secar con una pistola de nitrógeno.
7. Aplique una capa de unpintura blanca (Dulux Una Capa de pintura del techo) con un cepillo fino y suave en la superficie de células enteras evitando cuidadosamente los contactos metálicos. La capa de pintura tiene que ser lo suficientemente gruesa como para ser totalmente opaco (~> 0,5 mm), de modo que la luz no puede verse cuando se mira a través del celular pintado en la fuente de luz brillante. Deje secar la pintura por un día.
8. Medir EQE de la celda con el reflector posterior pintura blanca.

4. Los resultados representativos

La célula solar corriente de cortocircuito se calcula mediante la integración de la curva EQE sobre el estándar espectro solar global (masa de aire 1,5). Tanto la célula actual y su mejora debido a la luz que atrapa dependen del espesor de la celda capa absorbente: la propia corriente es mayor para las más gruesas células, pero la mejora actual es mayor para las más delgadas dispositivos, véase la Tabla 1 para los datos respectivos y Animación 5 para EQE curvas. Los originales de 2 m de espesor células, sin la luz que atrapa, hAve Jsc medido en el paso 1.7.) de ~ 15 mA / cm ^2. Después de la fabricación de una matriz de nanopartículas, JSC aumenta hasta aproximadamente 20 mA / cm ^2, que es 32% de mejora. Es ligeramente mejor que el efecto de la mejora del 25-30% por el reflector trasero difusa solamente. Después de añadir el reflector trasero difusa en el _MgF2 revestimiento a la célula con la matriz de nanopartículas plasmónica, la Comisión Mixta se incrementó a 22,3 mA / cm ^2, o aproximadamente el 45% de mejora. Tenga en cuenta que para la celda de 3 m de espesor de todas las corrientes son más altos, hasta 25,7 mA / cm ^2, mientras que el aumento relativo es ligeramente inferior, 42%: la luz que atrapa tiene un efecto relativamente grande en dispositivos más delgados.

Grosor:	2 micras		3 micras
	JSC, mA / cm 2	trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
célula original	15,4		18,1
Reflector difuso trasero (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Las nanopartículas (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabla 1. Célula plasmónica corriente de cortocircuito y su mejora en comparación con célula original.

Figura 1. Vista cercana de poli-silicio de células solares de película delgada con rejilla de metalización.

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Figura 2. Escaneo de imágenes de microscopía electrónica de las nanopartículas de Ag en la superficie de silicio.

Figura 3. Una vista esquemática de un plasmónica silicio cristalino de película delgada de células solares (no a escala).

Figura 4 y la eficiencia cuántica externa de corto circuito de corriente para los de silicio policristalino de película delgada de células con reflector difuso y nanopartículas plasmónica: trazos de color negro - originales 2 m de espesor celda sin luz que atrapa, JSC 15,36 mA / cm ^2; azul - celular. con reflector de pintura difusa, JSC 20,08 mA / cm ^2; roja - celular con plasmónica nanopartículas de Ag, JSC 20,31 mA / cm ^2; verde - celular con nanopartículas, _MgF2, la pintura y el reflector difuso, Jsc 22,32 mA / cm ^2. Púrpura - 3 m de espesor de células (el 3 de vidrio mm de espesor) con nanopartículas, _MgF2, y el reflector difuso, Jsc 25,7 mA / cm ² (tenga en cuenta la menor respuesta azul debido a las diferencias no intencionales en las capas de AR y el espesor emisor). Sólido negro - 2 m de espesor celular texturizado preparado por el plasma de deposición de vapor químico mejorada (en el vidrio de 3 mm de espesor), JSC 26,4 mA / cm ^2, que se muestra para comparación.

Animación 1. Haga clic aquí para ver la animación .

Animación 2. Haga clic aquí para ver la animación .

Animación 3. Haga clic aquí para ver la animación.

4 Animación. Haga clic aquí para ver la animación .

Animación 5. Haga clic aquí para ver la animación .

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Discusión

Mezclas en las células de silicio policristalino de solares y las nanopartículas plasmónica dispersión de la luz son los socios ideales para la luz que atrapa. Estas células son planas, por lo que no puede confiar en la luz de dispersión de las superficies con textura, ni las nanopartículas plasmónica formarse fácilmente en las superficies texturadas. Las células tienen sólo uno, con la superficie posterior de silicio expuesto directamente, que también pasa a ser la mejor ubicación para la mayoría de las n...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nombre del reactivo	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Granular de Plata	Sigma-Aldrich	303372	99,99%
MgF 2, los cristales al azar, de grado óptico	Sigma-Aldrich	378836	> = 99,99%
Dulux una capa de pintura del techo	Dulux		R> 90% (500-1100 nm)