Base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par Light-piégeage

Résumé

Base de silicium polycristallin en couches minces sur des cellules solaires en verre sont fabriqués par dépôt de couches de bore et de silicium dopé phosphore suivies par passivation défaut de cristallisation, et la métallisation. Plasmonique de blocage de lumière est introduit en formant nanoparticules Ag sur la surface cellulaire de silicium coiffé avec un réflecteur diffus résultant dans l'amélioration de ~ 45% photocourant.

Résumé

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.

Protocole

1. Fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin (Animation 3)

1. De dépôt de film de silicium
   1. Préparer l'outil d'évaporation par faisceau d'électrons par l'étuvage à ~ 100 ° C pendant la nuit pour atteindre la pression de base de <3E-8 Torr. Pré-régler le chauffe-échantillon à la température 150 ° C ° en mode veille.
   2. Utilisation d'un substrat fait de 5x5 cm ² (10 x 10 cm ou ²⁾ de substrat de verre de borosilicate (Schott Borofloat33), 1,1 ou 3,3 mm d'épaisseur, revêtues avec ~ 80 nm de nitrure de silicium (préparée par PECVD à partir de N ₂ et SiH ₄ mélange).
   3. Sonnez de la surface du substrat avec de l'azote sec pour enlever la poussière et le placer dans un porte-échantillon. Purger le sas de chargement, de charger l'échantillon, pomper le sas à la pression
   4. Vérifiez que le dopantvolets de source de silicium de source et de l'sont fermés. Préréglées températures de source de dopant à des températures de secours, à savoir la température de la source de phosphore à 700 ° C et la température de source de bore à 1250 ° C. Début e-gun et faire fondre le silicium dans un creuset en augmentant lentement le courant e-gun.
   5. Quand le courant requis est atteint (à partir de l'étalonnage précédent: ce courant peut varier en fonction de l'e-gun et les conditions de source Si) s'évapore des couches de silicium dopées avec les concentrations requises de P et B: 35 émetteurs nm à 1E20 cm ^-3 de P ; 2 ~ 3 um absorbeur à 5E15 cm ^-3 de B; 100 nm champ de surface arrière (FBS) à 4E19 cm ^-3 de B. Les concentrations de dopant exactes sont réalisés en faisant correspondre des vitesses de dépôt de Si certaines, telle que mesurée par cristal de quartz Moniteur (QCM), avec certaines températures de source de dopant, en utilisant les relations établies à partir d'étalonnage SIMS.
   6. Après évaporation se fait passer le radiateur, refroidir l'échantillon pour ~ 10 min. TransFer l'échantillon à la charge de blocage, fermer la porte-vanne, évacuer l'sas de chargement et de déchargement de l'échantillon avec le film de silicium.
2. Silicon cristallisation
   Si l'échantillon est 10x10 cm ^2, il peut être coupé en quatre 5x5 cm ² morceaux de la taille des cellules avant la cristallisation. Placer un film de silicium déposé sur le verre (film de Si jusqu'à) sur un support en nitrure de silicium rendue rugueuse et revêtue de verre Schott Robax (pour éviter le collage). Chargement dans un four préchauffé à purgé à l'azote 200-300 ° C. Montée en puissance de la température jusqu'à 600 ° C à 3 ~ 5 ° C / min et recuit pendant 30 h. Tour de l'appareil de chauffage du four et laissez refroidir le four naturellement à ~ 200 ° C (2 ~ 3 heures) avant le déchargement de l'échantillon. L'échantillon peut avoir une forme concave en raison du rétrécissement de silicium lors de la cristallisation. Il va aplatir au cours du traitement thermique suivant rapide.
3. Activation du dopant et le défaut de recuit (RTA)
   Placer l'échantillon avec le film cristallisé sur un support en graphite pyrolytique et load à un processeur thermique rapide purgé avec de l'argon. Rampe de la température jusqu'à 600 ° C à 1 ° C / s, puis jusqu'à 1000 ° C à 20 ° C / s, maintenir pendant 1 min, puis refroidir naturellement à ~ 100 ° C et le déchargement.
4. Élimination d'oxyde de surface
   Immédiatement avant l'hydrogénation de l'oxyde de surface formée sur le film de silicium lors de la cristallisation et RTA doit être retiré pour que la surface de silicium à nu du film est exposé à un atome d'hydrogène. Plongez l'échantillon recuit en solution HF 5% jusqu'à ce que la surface de silicium hydrophobe tourne (30 ~ 100 s). Rincer à l'eau déminéralisée et sécher avec un pistolet à azote.
5. Passivation des défauts
   Calcul de l'échantillon dans une chambre à vide équipé d'une source de plasma d'hydrogène à distance. Pomper à <1E-4 Torr, de la chaleur jusqu'à l'échantillon jusqu'à ~ 620 ° C, mettez l'argon / écoulement du mélange d'hydrogène (50:150 sccm), régler la pression de 50 à 100 mTorr, commencer à la source de plasma à 3,5 kW de la puissance micro-ondes et pour poursuivre le processus ~ 10 minutes. Éteindre le chauffage tout en maintaYi-ning le plasma pour un autre 10-15 min jusqu'à la température tombe en dessous de 350 ° C avant de mettre le plasma hors tension et l'arrêt de l'écoulement de gaz. Décharger l'échantillon lorsque la température est inférieure à 200 ° C.
6. Métallisation de cellules
   Métallisation des cellules est réalisée en une série de motifs photolithographique consécutive, le dépôt et la gravure du film d'Al étapes qui sont décrites en détail dans ^11. La cellule final ressemble indiqué dans la dernière diapositive de la ANIMATION 3. Une vue rapprochée de la cellule est métallisé montré dans la figure 1.
7. Mesurer EEQ de la cellule métallisé.

2. Fabrication de la nanoparticule plasmonique Ag (Animation 4)

1. Sonnez de la surface de la cellule métallisée avec de l'azote sec pour enlever la poussière et de charger l'échantillon dans un évaporateur thermique contenant un bateau rempli de granules W Ag (0,3-0,5 g). Pomper la chambre de vaporisation à la pression de base de 2 ~ 3E-5 Torr. QCM programme avec des paramètres pour Ag: Densité 10,50et Z rapport 0,529.
2. Veiller à ce que l'obturateur est fermé échantillon, éteindre le chauffe bateau W en marche et d'augmenter le courant assez lentement pour éviter une augmentation de pression au-dessus 8E-5 Torr jusqu'à granulés Ag fondre (comme on l'observe à travers un point de vue-port). Après la pression se stabilise régler le courant au point de consigne correspondant le taux de dépôt Ag de 0,1-0,2 Å / s (à partir de calibrage) et ouvrir l'obturateur pour démarrer le processus de dépôt.
3. Surveiller l'épaisseur de film en croissance Ag utilisant QCM et fermer l'obturateur lorsque l'épaisseur de 14 nm est atteint. Laisser le bateau W refroidir pendant environ 15 min, de décharger l'échantillon. Le film devrait être recuit pour former des nanoparticules dès après le dépôt que possible pour éviter l'oxydation Ag.
4. Une cellule d'un film fraîchement déposée Ag est placée dans un four préchauffé purgé à l'azote à 230 ° C 0.1 à 0.2, recuit pendant 50 min, puis déchargée. Notez le changement dans l'aspect de surface due à des nanoparticules. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag est shown dans la Fig. 2.
5. Mesurer EEQ de la cellule avec le tableau nanoparticule.

3. Fabrication du réflecteur arrière

Le réflecteur arrière se compose d'environ 300 nm d'épaisseur MgF ₂ (RI 1,38) revêtement diélectrique d'une couche d'une peinture plafond blanc commerciale (Dulux).

1. Avant de fabriquer le réflecteur arrière des contacts de cellules doivent être protégés par application d'une encre noire marqueur sur eux, ce qui permet d'exposer les contacts de sous le diélectrique par un procédé lift-off.
2. Utilisez pistolet à azote à souffler de l'échantillon avec le tableau NP et des contacts peints pour les dépoussiérer. Utiliser une pression d'azote modeste et faire preuve de prudence pour ne pas souffler les nanoparticules de suite. Placer l'échantillon dans le vaporisateur thermique contenant un bateau W rempli de MgF ₂ morceaux. Pomper l'évaporateur à une pression de 2 ~ 3E-5 Torr. Définissez les paramètres QCM pour MgF _2: Densité 3,05 et ratio Z 0,637.
3. Veiller à ce que l'échantillon Shutter est fermée, allumer le chauffe-bateau et augmenter lentement le courant pour éviter une augmentation de pression excessive jusqu'à ce MgF ₂ fond comme on le voit à travers un point de vue-port. Après la pression se stabilise régler le courant au point de consigne correspondant au taux de dépôt MgF ₂ de 0,3 nm / s et d'ouvrir l'obturateur de l'échantillon.
4. Surveiller l'épaisseur déposée en utilisant QCM et fermer l'obturateur lorsque 300 Nm est atteint.
5. Éteignez le chauffe. Laisser le bateau W à refroidir pendant environ 15 min, de décharger l'échantillon. Noter la modification de l'aspect de cellules avec le MgF ₂ gaine.
6. À retirer le masque de l'encre depuis les contacts de cellules immerger la cellule avec le diélectrique de gainage dans de l'acétone. Attendre jusqu'à ce que le diélectrique au-dessus de l'encre commence la fissuration et un décollement. Garder la cellule dans l'acétone jusqu'à ce que tous l'encre avec le diélectrique est enlevée et les contacts métalliques sont entièrement exposée. Retirer l'échantillon de l'acétone, rincez avec de l'acétone fraîche et séchez-le avec des armes à feu d'azote.
7. Appliquer une couche d'unpeinture blanche (peinture Dulux plafond en une seule couche) avec un pinceau fin en douceur sur la surface de la cellule entière en évitant soigneusement les contacts métalliques. La couche de peinture doit être suffisamment épais pour être totalement opaque (~> 0,5 mm), de sorte qu'aucune lumière ne puisse être vu en regardant à travers la cellule peinte à la source lumineuse. Laissez la peinture sécher pendant une journée.
8. Mesurer EEQ de la cellule avec le réflecteur arrière peinture blanche.

4. Les résultats représentatifs

La cellule solaire de court-circuit est calculée en intégrant la courbe EEQ sur le spectre solaire standard globale (masse d'air 1.5). Tant la cellule courante et sa mise en valeur due à la lumière de piégeage dépend de l'épaisseur couche de cellules d'absorption: le courant lui-même est plus élevé pour les plus épaisses des cellules, mais la mise en valeur actuelle est supérieure pour les plus minces appareils, voir le tableau 1 pour les données respectives et animation de 5 pour EEQ courbes. Les 2 cellules d'origine um d'épaisseur, sans la lumière de piégeage, hav Jsc mesurée à l'étape 1.7.) de ~ 15 mA / cm ^2. Après la fabrication d'un tableau nanoparticule, Jsc augmente jusqu'à environ 20 mA / cm ^2, qui est mise en valeur 32%. Il est légèrement meilleure que l'effet d'amélioration de 25-30% par le réflecteur arrière diffuse seulement. Après avoir ajouté le réflecteur arrière diffuse sur le MgF ₂ de revêtement à la cellule avec le tableau des nanoparticules plasmonique, la JSC est encore augmenté à 22,3 mA / cm ^2, ou l'amélioration d'environ 45%. Notez que pour la cellule 3 um d'épaisseur tous les courants sont plus élevés, jusqu'à 25,7 mA / cm ^2, tandis que l'amélioration relative est légèrement inférieur, 42%: la lumière de piégeage a un effet relativement plus importante dans les plus minces appareils.

Épaisseur de la cellule:	2 um		3 um
	Jsc, mA / cm 2	trong> +%	Jsc, mA / cm 2	+%
cellule d'origine	15,4		18,1
Réflecteur diffus arrière (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanoparticules (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tableau 1. Plasmonique cellule de court-circuit et de son amélioration par rapport à la cellule d'origine.

Figure 1. Close-up vue de poly-Si la cellule solaire à film mince avec grille de métallisation.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figure 2. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag sur la surface de silicium.

Figure 3. Une vue schématique d'un silicium à couche mince plasmonique cristallin cellule solaire (pas à l'échelle).

Figure 4 rendement quantique externe et de court-circuit pour les silicium polycristallin cellules à couche mince avec réflecteur diffus et nanoparticules plasmoniques: pointillés noir - 2 originaux um d'épaisseur cellule sans lumière de piégeage, Jsc 15,36 mA / cm ^2, le bleu - la cellule. avec réflecteur peinture diffuse, Jsc 20,08 mA / cm ^2; rouge - cellule avec des nanoparticules Ag plasmoniques, Jsc 20,31 mA / cm ^2; vert - cellule avec des nanoparticules, MgF _2, et le réflecteur peinture diffuse, Jsc 22,32 mA / cm ^2. Purple - 3 cellules um d'épaisseur (le 3 de verre d'épaisseur mm) avec des nanoparticules, MgF _2, et le réflecteur diffus, Jsc 25,7 mA / cm ² (noter de réponse plus faible bleue due à des différences non intentionnelles dans les couches AR et l'épaisseur émetteur). Solide noir - 2 pm cellulaire épaisse texture préparé par plasma de dépôt chimique en phase vapeur (sur verre de 3 mm d'épaisseur), Jsc 26,4 mA / cm ^2, à titre de comparaison.

Animation 1. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 2. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 3. Cliquez ici pour voir l'animation.

Animation 4. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 5. Cliquez ici pour voir l'animation .

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

Discussion

Évaporés cellules de silicium polycristallines et les nanoparticules diffusion de la lumière plasmonique sont des partenaires idéaux pour la lumière-piégeage. Ces cellules sont planes, ils ne peuvent donc pas compter sur une diffusion de lumière à partir de surfaces texturées, ni nanoparticules plasmoniques être facilement formé sur les surfaces texturées. Les cellules ont un seul, face arrière avec le silicium directement exposés, qui se trouve être également le meilleur emplacement pour la plupart des ...

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

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nom du réactif	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Granulaire Argent	Sigma-Aldrich	303372	99,99%
MgF 2, cristaux aléatoires, de qualité optique	Sigma-Aldrich	378836	> = 99,99%
Peinture Dulux plafond en une seule couche	Dulux		R> 90% (500-1100 nm)