Ce travail a été soutenu financièrement par le ministère de la Science et de la Technologie et du Conseil national de la science de la République de Chine (Les numéros de contrat. NSC 101-2221-E-027-042 et NSC 101-2622-E-027-003-CC2). DH Wei grâce l&#39;Université nationale de Taipei of Technology (TAIPEI TECH) pour le Prix Dr Shechtman Award.

1. Préparation du support et nettoyage <ol><li> Découpez 10 mm x 10 mm à partir de substrats de silicium Si (100) tranche. </li><li> Découpez 10 mm x 10 mm substrats de verre. </li><li> Utilisation de nettoyage à ultrasons pour nettoyer les substrats en silicium et en verre avec de l&#39;acétone pendant 10 minutes, de l&#39;alcool pendant 10 minutes, puis de l&#39;isopropanol pendant 15 min. </li><li> Rincer les substrats avec déminéralisée (DI) de l&#39;eau trois fois. </li><li> Séchez les substrats avec un pistolet d&#39;azote. </li></ol> 2. DEZn préparation et de conservation Remarque: diéthylzinc (C 2 H 5) 2 Zn, aussi appelé DEZn, est un composé organozincique hautement pyrophorique, comprenant un centre de zinc lié à deux des groupes éthyle. Ne jamais travailler seul lors de l&#39;utilisation DEZn. DEZn est très toxique et sensible à l&#39;oxygène et de l&#39;eau, assurez-vous de ne pas placer le DEZn près de l&#39;eau. Toujours porter des masques de protection et des lunettes de protection; toutes les procédures doivent être effectuées dans la hotte. Plus important encore, DEZn utilisé doit be stockées dans un environnement 5 o C. Note: Pour la première utilisation de DEZn, suivez l&#39;étape 2. Sinon, commencer l&#39;expérience de l&#39;étape 3. <ol><li> Utiliser une seringue pour tirer 30 ml DEZn de la bouteille et ensuite injecter dans un bécher placé dans un cylindre d&#39;acier. </li><li> Utilisez un tuyau en fer galvanisé pour connecter le cylindre en acier avec la chambre de réaction. </li><li> Utilisez pompe mécanique et vanne à boisseau sphérique pour pomper vers le bas le cylindre d&#39;acier dans un environnement de vide (à 6 Torr). Remarque: DEZn sera sévèrement réagir avec l&#39;oxygène, il doit être maintenu dans l&#39;environnement sous vide. </li><li> Rangez la DEZn utilisé dans un environnement de 5 o C. </li></ol> 3. PECVD Chambre Préparation et synthèse de couches minces de ZnO Remarque: Le schéma de principe de plasma de dépôt chimique en phase vapeur est représenté sur la figure 1. <ol><li> Réglez la distance de travail entre l&#39;électrode de douche et le stade de l&#39;échantillon à 30 mm. </li> &lt;li&gt; Placer les substrats sur la platine porte-échantillon de la chambre de réaction appropriée dans l&#39;emplacement où il y a une distance de 3 cm à partir de l&#39;entrée DEZn. </li><li> Ouvrir la pompe rotative et ouvrir progressivement les vannes d&#39;arrêt et la vanne papillon. </li><li> Attendre jusqu&#39;à ce que la pression de la chambre de réacteur d&#39;arrière-plan est inférieure à 30 mTorr. </li><li> Fermez le vannes et vanne papillon, qui se connecte à la pompe rotative. </li><li> Ensuite, ouvrez la pompe turbo et vannes rapport de grille pour atteindre haute vide de 3 x 10 -6 Torr. </li><li> Après avoir atteint l&#39;état de vide nécessaire, ouvrir le dispositif de commande de chaleur et chauffer la platine porte-échantillon à la température de synthèse (200, 300, 400, 500, et 600 ° C pour différents paramètres d&#39;expérimentation). </li><li> Lorsque la température et la pression atteignent la condition nécessaire, fermer la pompe turbo, puis ouvrir le robinets-vannes et vanne papillon qui se connecte à la pompe rotative simultanément. </li><li> Ensuite, ouvrez les soupapes d&#39;admission de gaz et tourner sur la argon gen tant que contrôleur de flux simultanément. </li><li> Écouler le gaz d&#39;argon (0,167 ml / sec) dans la chambre. </li><li> Régler la pression de la chambre à 500 mTorr. </li><li> Tournez sur le réseau RF (13,56 MHz) du générateur et l&#39;appariement, puis réglez la puissance RF à 100 W pour purger les échantillons de surface pendant 15 min. </li><li> Après avoir terminé la purge des échantillons, tourner la puissance RF jusqu&#39;à 70 W. </li><li> Ensuite, tournez la vanne de commande de gaz de dioxyde de carbone et d&#39;entrée de gaz. </li><li> Déroulement Le dioxyde de carbone (0,5 ml / sec) dans la chambre. </li><li> Régler la pression de travail à 6 Torr. </li><li> Après la pression de la chambre atteint 6 Torr, écouler l&#39;argon haute pureté comme gaz porteur (0,167 ml / s) pour la mise en diéthylzinc (DEZn) dans la chambre et la soupape de boule ouverte reliée à la DEZn simultanément. Dans le même temps, commencer la synthèse des films de ZnO. </li><li> Continuer la synthèse par plasma de films de ZnO pendant 5 min. </li><li> Après que les films de ZnO ont été synthétisés, en série désactiver le générateur RF, robinet à boisseau sphérique, la chaleur concontrôleur et l&#39;ensemble de contrôleurs d&#39;écoulement de gaz avec des soupapes d&#39;admission de gaz. </li><li> Retirez l&#39;échantillon lorsque la température de l&#39;étage d&#39;échantillon se refroidit à la température ambiante. Remarque: La vitesse de refroidissement est d&#39;environ 1,8 ° C / min. </li></ol> 4. Préparation du Motif Interdigitated comme sur telle que synthétisée ZnO Thin Film Remarque: Le schéma de procédé de lithographie est représenté sur la figure 3. <ol><li> Utiliser une plaque chauffante pour cuire l&#39;échantillon de ZnO tel que synthétisé à 150 ° C pendant 10 min. </li><li> Placer l&#39;échantillon sur la tournette, puis distribuer la solution liquide de résine photosensible (S1813) avec 100 ul de l&#39;échantillon sur ZnO. </li><li> Exécutez la tournette à 800 tours par minute pendant 10 secondes, puis accélérer à 3000 tours par minute pendant 30 secondes pour produire une couche uniformément mince. </li><li> Cuisson douce de l&#39;échantillon de ZnO résine photosensible revêtu à 105 o C pendant 90 secondes. </li><li> Après la cuisson-doux, utiliser la lumière UV pour exposer l&#39;échantillon trou de résine photosensible revêtuegh un photomasque par alignement de masque. Le temps d&#39;exposition est de 2 secondes et la puissance est de 400 W. Remarque:. Le modèle de photomasque est conçu comme interdigitées-like, qui est de 0,03 mm de large et 4 mm de long (14 paires) et a un espacement inter-électrode de 0,15 mm, comme le montre la figure 2 Il est à noter que le photosensible totale région est 84.32 mm 2 pour le détecteur. </li><li> Après la procédure d&#39;exposition, utiliser des pinces pour couper les échantillons, puis plonger dans le révélateur dilué (mélanger 50 ml de révélateur et 150 ml d&#39;eau déminéralisée) à travers des actions de balancer de gauche à droite pendant 35 s pour obtenir l&#39;échantillon développé. </li><li> Rincer l&#39;échantillon développé avec de l&#39;eau DI et sec avec de l&#39;azote gazeux. </li><li> Utilisez le microscope optique pour vérifier le modèle intact. Sinon, utilisez l&#39;acétone pour éliminer la résine photosensible et répétez les étapes 4.2 à 4.7 jusqu&#39;à ce que le modèle parfait a été obtenu. </li><li> Disque cuire l&#39;échantillon à 120 ° C pendant 20 min. </li></ol><ol><li> Utiliser le système de pulvérisation à magnetron RF pour déposer une couche mince conductrice de Pt (100 nm) sur le dessus de l&#39;échantillon au point avant de passer à la procédure de décollage chimique. </li><li> Réglez la distance entre la cible et le substrat à 13 mm. </li><li> Utilisez la pompe mécanique pour atteindre un vide approximative de 5 mTorr. </li><li> Ensuite, utilisez la pompe turbo pour obtenir un vide poussé de 7 x 10 -7 Torr. </li><li> Attendez jusqu&#39;à ce que la chambre atteigne le haut vide, fermer la pompe turbo et ouvrir la pompe mécanique suite. </li><li> Écouler le gaz d&#39;argon à 0,3 ml / sec dans la chambre par le contrôleur de flux de mas jusqu&#39;à ce que la pression de la chambre atteindre la pression de travail de 100 mTorr. </li><li> Allumez le courant continu (DC) de décharger alimentation et régler la puissance DC à 15 W pour pulvériser le Pt électrode de film mince sur l&#39;échantillon pendant 25 min. </li><li> Après que la couche d&#39;électrode de Pt a été déposée par magnétron sputtméthode eRing, prendre l&#39;échantillon de la chambre. </li><li> Immerger l&#39;échantillon dans le liquide de l&#39;acétone pour le processus de lift-off chimique par nettoyeur à ultrasons pour éliminer la résine photosensible. </li><li> Réglez le temps de nettoyage à 1 min pour éliminer soigneusement résine photosensible, et obtenir ensuite l&#39;électrode Pt interdigitée comme sur le film mince de ZnO. </li></ol> 6. processus RTA <ol><li> Placer l&#39;échantillon Pt / ZnO comme-fabriqué dans le système RTA. </li><li> Utilisez la pompe mécanique et vanne à la pompe en bas de la pression de la chambre RTA à 20 mTorr. </li><li> Attendez jusqu&#39;à ce que la pression de la chambre atteint 20 mTorr, flux de gaz d&#39;argon à 0,3 ml / sec dans la chambre et régler la pression de travail de 5 Torr. </li><li> Ensuite, définissez le taux de chauffage à 100 ° C / min. </li><li> Ensuite, l&#39;échantillon recuit à 450 ° C pendant 10 min. </li><li> Une fois recuit, attendre jusqu&#39;à ce que l&#39;échantillon se refroidit à RT, puis prendre l&#39;échantillon. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Étapes et les modifications critiques Dans l&#39;étape 1, les supports doivent être soigneusement nettoyés et les étapes 1.3 à 1.5 suivi pour vous assurer qu&#39;il n&#39;y a pas de graisse ou de contaminations organiques et inorganiques sur les substrats. Toute graisse ou contaminations organiques et inorganiques sur la surface du substrat réduiront considérablement l&#39;adhérence du film. Étape 2 est la procédure la plus importante avant que le proc...

ZnO est un matériau prometteur de semi-conducteurs fonctionnelle large bande interdite en raison de ses propriétés uniques telles que la stabilité chimique élevée, à faible coût, la non-toxicité, le seuil de faible puissance pour le pompage optique, bande interdite directe de large (3,37 eV) à température ambiante et grande exciton l&#39;énergie de ~ 60 meV 1-2 contraignant. Récemment, des films minces de ZnO ont été utilisés dans de nombreux domaines d&#39;application, y compris oxyde conducteur (TCO) des films transparents, dispositif de lumière bleue électroluminescente, transistors à effet de champ, et de capteurs de gaz 3-6. D&#39;autre part, le ZnO est un matériau candidat pour remplacer l&#39;oxyde d&#39;étain indium (ITO) en raison de l&#39;étain et d&#39;indium étant rare et coûteux. En outre, ZnO possède transmittance optique élevée dans la région de longueur d&#39;onde visible et à faible résistivité par rapport à des films d&#39;ITO 7-8. En conséquence, la fabrication, la caractérisation et l&#39;application de ZnO a été largement rapporté. La présente étude se concentre sur la synthèse de l&#39;axe c (0002) ZnO films minces élevés par un simple, unD efficacement méthode et son application pratique vers un photodétecteur UV. Les conclusions du rapport de recherche récents indiquent que le ZnO film mince de haute qualité pourrait être synthétisé par diverses techniques telles que la méthode sol-gel, la fréquence radio pulvérisation magnétron, dépôt organométallique chimique en phase vapeur (MOCVD), et ainsi de suite 9-14. Chaque technique a ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, un avantage principal de dépôt par pulvérisation cathodique est que les matériaux cibles ayant un point de fusion très élevé sont facilement pulvérisées sur le substrat. En revanche, le procédé de pulvérisation est difficile à combiner avec un lift-off pour la structuration du film. Dans notre étude, le système plasma dépôt chimique en phase vapeur (PECVD) a été utilisé pour synthétiser de haute qualité selon l&#39;axe c des films minces de ZnO. Bombardement Plasma est un facteur clé dans le processus de synthèse qui peut augmenter la densité de la couche mince et d&#39;améliorer la vitesse de réaction de décomposition d&#39;ions 15. DansDe plus, le taux de croissance élevé et de grande surface dépôt uniforme sont d&#39;autres avantages distinctifs pour technique PECVD. Sauf pour la technique de synthèse, la bonne adhérence sur le substrat est une autre question examinée. Dans de nombreuses études, le saphir de c-Plane a été largement utilisé en tant que substrat pour la synthèse de haut selon l&#39;axe c des films minces de ZnO parce que le ZnO et le saphir ont la même structure en treillis hexagonal. Cependant, le ZnO a été synthétisé sur saphir substrat présentant une morphologie de surface rugueuse et résiduelles concentrations de porteurs élevée (connexe de défauts) En raison du grand marginaux de réseau entre le ZnO et c-Plane saphir (18%) orientées dans la direction dans le plan 16. En comparaison avec le substrat de saphir, une tranche de Si est un autre substrat couramment utilisé pour la synthèse ZnO. Tranches de Si ont été largement utilisés dans l&#39;industrie du semi-conducteur; et, par conséquent, la croissance de films minces de ZnO de haute qualité sur des substrats de Si est très important et nécesSary. Malheureusement, la structure cristalline et le coefficient de dilatation thermique entre le ZnO et Si sont évidemment différentes conduisant à une détérioration de la qualité du cristal. Au cours des dix dernières années, de grands efforts ont été faits pour améliorer la qualité de ZnO films minces sur des substrats de Si à l&#39;aide de divers procédés comprenant des couches de ZnO tampon 17, un recuit en atmosphère de gaz divers 18, et la passivation de la surface du substrat de Si 19. La présente étude a offert avec succès une méthode simple et efficace pour synthétiser haute axe c ZnO film mince sur des substrats de silicium sans couche tampon ou de pré-traitement. Les résultats de l&#39;expérience indiquent que les films minces de ZnO synthétisés sous la température optimale de croissance de cristal ont montré le bien et qualités optiques. La structure cristalline, la composition du plasma RF, la morphologie de surface et les propriétés optiques des couches minces de ZnO ont été examinées par diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie d&#39;émission optique (OES), sc à émission de champAnning microscopie électronique (FE-SEM), et RT photoluminescence (PL) spectres, respectivement. En outre, la transmittance de films minces de ZnO a également été confirmé et signalé. Le film mince de ZnO tel que synthétisé a été une couche de détection pour l&#39;application de photodétecteur UV a également été étudié dans cette étude. Le photo-détecteur UV a de grandes applications potentielles dans la surveillance des UV, commutateur optique, alarme flamme, et missiles système de réchauffement 20-21. Il existe de nombreux types de photodétecteurs qui ont été menées telles que le mode (broche) de négative intrinsèque positive et métal-semiconducteur-métal (MSM) structures y compris le contact ohmique et contact Schottky. Chaque type a ses propres avantages et inconvénients. Actuellement, les structures de photodétecteurs MSM ont suscité un intérêt intensive en raison de leur performance exceptionnelle dans la réceptivité, la fiabilité et la réponse et le temps de récupération 22-24. Les résultats présentés ici ont montré que le mode de contact ohmique MSM a été employépour fabriquer ZnO film mince photodétecteur UV base. Un tel type de photodétecteur révèle généralement une bonne réceptivité et de fiabilité, ce qui indique que la haute axe c ZnO film mince est une couche de détection approprié pour photodétecteur UV.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>RF power supply</td>
			<td>ADVANCED ENERGY</td>
			<td>RFX-600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butterfly valve</td>
			<td>MKS</td>
			<td>253B-1-40-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass flow conctroller</td>
			<td>PROTEC INSTRUMENTS</td>
			<td>PC-540</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure conctroller</td>
			<td>MKS</td>
			<td>600 series&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heater</td>
			<td>UPGRADE INSTRUMENT CO.</td>
			<td>UI-TC 3001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sputter gun</td>
			<td>AJA INTERNATIONAL</td>
			<td>A320-HA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DEZn 1.5M</td>
			<td>ACROS ORGANIC USA, New Jersey</td>
			<td></td>
			<td>also called Diethylzinc (C2H5)2Zn</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater&#160;</td>
			<td>SWIENCO</td>
			<td>PW - 490</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>I-V measurement</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>Model: 2400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photocondutive measurement&#160;</td>
			<td>Home-built</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV light sourse</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>ANUJ 6160</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mask aligner</td>
			<td>Karl Suss</td>
			<td>MJB4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoresist</td>
			<td>Shipley a Rohm &#38; Haas company</td>
			<td>S1813</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Developer</td>
			<td>Shipley a Rohm &#38; Haas company</td>
			<td>MF319</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer</td>
			<td>E-Light Technology Inc</td>
			<td>12/0801</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass substrate</td>
			<td>CORNING</td>
			<td>1737</td>
			<td>P-type / Boron</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

synthesis and characterization of high c-axis zno thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition system and its uv photodetector application

Dans cette étude, l&#39;oxyde de zinc (ZnO) des films minces à haute axe c (0002) orientation préférentielle ont été avec succès et efficacement synthétisé sur silicium (Si) substrats par l&#39;intermédiaire des températures différentes synthétisées à l&#39;aide de plasma de dépôt chimique en phase vapeur du système (PECVD). Les effets de différentes températures de synthèse sur la structure cristalline, des morphologies de surface et les propriétés optiques ont été étudiées. La diffraction des rayons X (XRD) indique que les modèles de l&#39;intensité (0002) est devenu plus fort pic de diffraction avec l&#39;augmentation de la température jusqu&#39;à ce que synthétisé 400 o C. L&#39;intensité de diffraction de (0002) est devenu progressivement plus faible pic d&#39;accompagnement avec apparition de (10 à 10) en tant que pic de diffraction de la température de synthèse jusqu&#39;à plus de 400 o C. La RT photoluminescence (PL) spectres présentait une forte bande-bord proche (NBE) émissions observée à environ 375 nm et une émission niveau profond négligeable (DL) situé à environ 575 nm under haute axe c ZnO films minces. La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) ont révélé des images de la surface et avec une répartition homogène de petite taille des grains. Les films minces de ZnO ont également été synthétisés sur des substrats de verre dans les mêmes paramètres de mesure de la transmittance. Aux fins d&#39;application ultraviolet (UV) de photodétecteurs, la platine interdigitée (Pt) à film mince (épaisseur ~ 100 nm) fabriqué par procédé de lithographie optique classique et la fréquence radio (RF) de pulvérisation cathodique magnétron. Afin d&#39;atteindre un contact ohmique, le dispositif a été recuite dans des circonstances d&#39;argon à 450 o C par le système rapide de recuit thermique (RTA) pendant 10 min. Après les mesures systématiques, le courant-tension (I - V) courbe de photo et les résultats de la réponse de photocourant actuels et dépendant du temps sombres présentait une bonne réceptivité et de fiabilité, ce qui indique que la haute axe c ZnO film mince est une couche de détection appropriéUV pour l&#39;application de photodétecteur.

Le ZnO (0002) films minces à haut selon l&#39;axe c orientation préférentielle ont été synthétisés avec succès sur les substrats de silicium en utilisant le système de PECVD. Le dioxyde de carbone (CO 2) et le diéthylzinc (DEZn) ont été utilisés comme précurseurs de l&#39;oxygène et de zinc, respectivement. La structure cristalline de films minces de ZnO a été caractérisé par diffraction des rayons X (figure 4), ce qui indique que le film mince de ZnO synthétisé ...

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Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.

Synthèse et caractérisation de l&#39;axe c Haute ZnO Thin Film par Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition système et son application Photodetector UV

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto ...

synthesis-characterization-high-c-axis-zno-thin-film-plasma-enhanced

Research

JoVE Journal

Engineering

15.1K vues.  National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH). We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.

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Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

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 &mu;m 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&deg;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.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

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

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Recherche

Ingénierie

Encapsulation and Permeability Characteristics of Plasma Polymerized Hollow Particles

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma polymerization of isopropanol on various solid substrates, including silica and potassium chloride. This versatile technique is used to treat nanoparticles and nanopowders with sizes ranging from 37 nm to 1 micron, by depositing films whose thickness can be anywhere from 1 nm to upwards of 100 nm. Dissolution of the core allows us to study the rate of permeation through the film. In these experiments, we determine the diffusion coefficient of KCl through the barrier film by coating KCL nanocrystals and subsequently monitoring the ionic conductivity of the coated particles suspended in water. The primary interest in this process is the encapsulation and delayed release of solutes. The thickness of the shell is one of the independent variables by which we control the rate of release. It has a strong effect on the rate of release, which increases from a six-hour release (shell thickness is 20 nm) to a long-term release over 30 days (shell thickness is 95 nm). The release profile shows a characteristic behavior: a fast release (35% of the final materials) during the first five minutes after the beginning of the dissolution, and a slower release till all of the core materials come out.

We have used plasma enhanced chemical vapor deposition to deposit thin films ranging from a few nm to several 100 nm on nano-sized particles of various materials. We subsequently etch the core material to produce hollow nanoshells whose permeability is controlled by the thickness of the shell. We characterize the permeability of these coatings to small solutes and demonstrate that these barriers can provide sustained release of the core material over several days.

Caractéristiques d&#39;encapsulation et la perméabilité des particules polymérisées plasma creux

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma ...

Nanomoulding of Functional Materials, a Versatile Complementary Pattern Replication Method to Nanoimprinting

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding combined with layer transfer enables the replication of arbitrary surface patterns from a master structure onto the functional material. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes. In particular we demonstrate the fabrication of patterned transparent zinc oxide electrodes for light trapping applications in solar cells.

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes.

Nanomoulding de matériaux fonctionnels, une méthode complémentaire de réplication Versatile Modèle de nano-impression

We describe a nanomoulding technique which  allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks  and full devices. Nanomoulding ...

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Synthèse et Microdiffraction à des pressions et des températures extrêmes

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Faire Enregistrez-efficacité SnS cellules solaires par évaporation thermique et Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Preparation of ZnO Nanorod/Graphene/ZnO Nanorod Epitaxial Double Heterostructure for Piezoelectrical Nanogenerator by Using Preheating Hydrothermal

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we describe a one-step fabrication technique to synthesis freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod double heterostructure. The preparation of the double heterostructure is performed by using thermal chemical vapor deposition (CVD) and preheating hydrothermal technique. In addition, the morphological properties were characterized by using the scanning electron microscopy (SEM). The utility of freestanding double heterostructure is demonstrated by fabricating the piezoelectric nanogenerator. The electrical output is improved up to 200% compared to that of a single heterostructure owing to the coupling effect of the piezoelectricity between the arrays of ZnO nanorods on the top and bottom of graphene. This unique double heterostructure have a tremendous potential for applications of electrical and optoelectrical devices where the high number density and specific surface area of nanorod are needed, such as pressure sensor, immuno-biosensor and dye-sensitized solar cells.

One-step fabrication method for obtaining freestanding epitaxial double heterostructure is presented. This approach could achieve ZnO coverage with a higher number density than that of the epitaxial single heterostructure, leading to a piezoelectric nanogenerator with an increased output electrical performance.

Préparation de ZnO nanotige / graphène / ZnO nanotige épitaxiale double hétérostructure pour piézoélectriques Nanogénérateur à l&#39;aide de préchauffage hydrothermale

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

In Situ Suivi de la dégradation de Performance accélérée des cellules et Modules solaires : une étude de cas pour les cellules solaires de Cu (In, Ga) Se2

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

Bien alignées verticalement orienté ZnO nanotige tableaux et leur Application en inversé petite molécule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present an advanced method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics. The proposed process addresses several fabrication issues, including large area processing. Specifically, the protocol describes a process for fabricating ultra-thin color films using an electron beam evaporator for oblique angle deposition of germanium (Ge) and gold (Au) on silicon (Si) substrates.&#160; Film porosity produced by the oblique angle deposition induces color changes in the ultra-thin film. The degree of color change depends on factors such as deposition angle and film thickness. Fabricated samples of the ultra-thin color films showed improved color tunability and color purity. In addition, the measured reflectance of the fabricated samples was converted into chromatic values and analyzed in terms of color. Our ultra-thin film fabricating method is expected to be used for various ultra-thin film applications such as flexible color electrodes, thin film solar cells, and optical filters. Also, the process developed here for analyzing the color of the fabricated samples is broadly useful for studying various color structures.

We present a detailed method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics for optical coatings. The oblique angle deposition technique using an electron beam evaporator allows improved color tunability and purity. Fabricated films of Ge and Au on Si substrates were analyzed by reflectance measurements and color information conversion.

Fabrication de Films couleur ultra-mince avec hautement absorbant Media Depot en Angle Oblique

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...

Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O (Cu variant) entropy-stabilized oxides. Phase pure and chemically homogeneous (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (x = 0.20, 0.27, 0.33) and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O (x = 0.11, 0.27) ceramic pellets are synthesized and used in the deposition of ultra-high quality, phase pure, single crystalline thin films of the target stoichiometry. A detailed methodology for the deposition of smooth, chemically homogeneous, entropy-stabilized oxide thin films by pulsed laser deposition on (001)-oriented MgO substrates is described. The phase and crystallinity of bulk and thin film materials are confirmed using X-ray diffraction. Composition and chemical homogeneity are confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The surface topography of thin films is measured with scanning probe microscopy. The synthesis of high quality, single crystalline, entropy-stabilized oxide thin films enables the study of interface, size, strain, and disorder effects on the properties in this new class of highly disordered oxide materials.

The synthesis of high quality bulk and thin film (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O entropy-stabilized oxides is presented.

En vrac et la synthèse de minces d’oxydes d’entropie stabilisé une composition Variant

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and ...