סיליקון polycrystalline תאים סולאריים סרט דק עם plasmonic משופרת אור השמנה

Summary

סיליקון polycrystalline סרט דק תאים סולריים על זכוכית מיוצרים על ידי הפקדת שכבות בורון וזרחן סיליקון מסוממים ואחריו פסיבציה, פגם גבישים ו metallisation. Plasmonic אור השמנה הוא הציג על ידי יצירת חלקיקים שמייצרת חברת על משטח סיליקון תא כתרים עם רפלקטור מתפזרת וכתוצאה מכך שיפור ~ פוטוני 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. ייצור של סיליקון לתאים סולאריים polycrystalline (אנימציה 3)

1. הסיליקון בתצהיר הסרט
   1. להכין את הכלי הקורה אלקטרוני על ידי אידוי אפייה זה ב ~ 100 מעלות צלזיוס למשך הלילה כדי להגיע ללחץ בסיס Torr 3E-8 <. תנור קבוע מראש מדגם הטמפרטורה 150 ° C המתנה.
   2. השתמש המצע עשוי 5x5 ס"מ ² (או 10 X10 ס"מ ²⁾ המצע ההתכה של זכוכית בורו (שוט Borofloat33), 1.1 או 3.3 מ"מ עובי, מצופים ~ 80 ננומטר של סיליקון ניטריד (שהוכן על ידי PECVD מ N ₂ ו SIH ₄ תערובת).
   3. לפוצץ את פני השטח של המצע עם חנקן יבש כדי להסיר אבק למקם אותו בעל המדגם. לפרוק את המנעול עומס, טען את המדגם, לשאוב את עומס לנעול ללחץ
   4. בדוק dopantהמקור סיליקון תריסים מקור סגורים. מראש בטמפרטורות המקור dopant על טמפרטורות המתנה, כלומר הטמפרטורה מקור זרחן על 700 ° C ומקור הטמפרטורה בורון ב 1250 ° C. התחל דואר אקדח להמיס סיליקון בכור ההיתוך של לאט הגדלת הנוכחי דואר אקדח.
   5. כאשר הזרם הנדרש הוא הגיע (מ הכיול הקודם: זרם זה יכול להשתנות בהתאם הרובה אלקטרוני ותנאי מקור SI) להתאדות שכבות סיליקון מסוממים עם הריכוזים הנדרשים של P ו-B: 35 ננומטר פולט ב ^-3 ס"מ 1E20 של P : 2 ~ 3 בולם מיקרומטר ב ^-3 ס"מ 5E15 ב ', 100 גב פני השדה ננומטר (BSF) בשעה 4E19 ^-3 ס"מ של ב' הריכוזים המדויקים dopant מושגות על ידי התאמת מסוימים שיעורי סי בתצהיר, כפי שנמדד על ידי קוורץ קריסטל צג (QCM), עם טמפרטורות מסוימות מקור dopant, באמצעות מערכות יחסים מבוססות מן כיול סימס.
   6. לאחר אידוי מתבצע לעבור את דוד, לצנן את המדגם עבור 10 דקות ~. טרנסfer מדגם למנעול עומס, לסגור את השער שסתום, לפרוק את המנעול לטעון ולפרוק את המדגם עם הסרט סיליקון.
2. הסיליקון גבישים
   אם המדגם הוא 10x10 ס"מ ^2, אותו ניתן לחתוך לארבעה 5x5 ס"מ ² חתיכות בגודל התא לפני התגבשותה. מניחים סרט סיליקון שהופקדו על זכוכית (Si את הסרט) על בעל עשוי מחוספס סיליקון מצופה ניטריד שוט Robax זכוכית (כדי למנוע דבק). טען לתנור שחומם מראש ל חנקן מטוהר 200-300 ° C. כבש את הטמפרטורה עד 600 מעלות צלזיוס ב 3 ~ 5 ° C / min ו לחשל עבור שעות 30. הפעל את התנור של דוד ולתת לתנור להתקרר באופן טבעי ~ 200 ° C (2 ~ 3 שעות) לפני ההסרה, לדוגמה. לדוגמה יכול להיות בעל צורה קעורה בשל הצטמקות סיליקון במהלך התגבשותה. זה יהיה לרדד במהלך עיבוד הבאה תרמית מהירה.
3. הפעלת פגם dopant חישול (להרכבה עצמית)
   מניחים את המדגם עם הסרט התגבש על בעל עשוי גרפיט אני פירוליטי וoad למעבד תרמית מהירה מטוהר עם ארגון. כבש את הטמפרטורה עד 600 מעלות צלזיוס בשעה 1 ° C / S, אז עד 1000 מעלות צלזיוס ב 20 ° C / S, החזק דקות 1 מגניב ואז למטה באופן טבעי ~ 100 ° C ולפרוק.
4. תחמוצת פני סילוק
   מיד לפני הידרוגנציה תחמוצת פני השטח נוצרו על הסרט סיליקון במהלך התגבשותה ו RTA יש להסיר על מנת להבטיח כי השטח החשוף הסרט סיליקון חשוף מימן. לטבול את המדגם annealed בפתרון HF 5% עד משטח סיליקון הופך הידרופובי (30 ~ 100 ים). לשטוף עם מים ולייבש deionised עם אקדח חנקן.
5. פגם פסיבציה
   טען את המדגם לתוך תא ואקום מצויד מקור המימן מרחוק פלזמה. לשאוב עד <1E-4 Torr, לחמם את המדגם עד ~ 620 ° C, להפעיל את ארגון / תערובת זרימת המימן (50:150 SCCM), קבע הלחץ 50-100 mTorr, הפעל את מקור הפלזמה על 3.5 קילוואט של כוח מיקרוגל להמשיך בתהליך דקות 10 ~. הפעל את התנור בזמן maintaining פלזמה 10-15 דקות אחר עד שהטמפרטורה יורדת למטה 350 מעלות צלזיוס לפני הפעלת הפלזמה את והפסקת זרימת הגז. לפרוק את המדגם כאשר הטמפרטורה היא מתחת 200 ° C.
6. תא metallisation
   Metallisation תא מתנהל בסדרה של דפוסים photolithographic ברציפות, בתצהיר אל הסרט ותחריט צעדים שיפורטו פרטים ב ^11. התא הסופי נראה כמו שמוצג השקופית האחרונה של אנימציה 3. מבט מקרוב של התא metallised מוצג באיור 1.
7. למדוד EQE של התא metallised.

2. ייצור של Nanoparticle Ag plasmonic (אנימציה 4)

1. לפוצץ את שטח פני התא metallised עם חנקן יבש כדי להסיר אבק נטען מדגם לתוך המאייד תרמית המכילה סירה W מלא גרגרי AG (0.3-0.5 גרם). לשאוב את תא המאייד ללחץ בסיס של 2 ~ 3E-5 Torr. תוכנית QCM עם פרמטרים עבור Ag: צפיפות 10.50ו-Z יחס 0.529.
2. ודא תריס מדגם סגור, להפוך את הסירה דוד W על ולהגדיל הנוכחי לאט מספיק כדי למנוע עליית הלחץ מעל Torr 8E 5 עד גרגרי שמייצרת חברת נמס (כפי שנצפה דרך נמל השקפת). לאחר לחץ מייצב להגדיר הנוכחית עד כדי להגדיר המקביל שיעור בתצהיר Ag של 0.1-0.2 A / S (מ כיול), לפתוח את התריס כדי להתחיל את תהליך הדחה.
3. לפקח על עובי הסרט גדל Ag באמצעות QCM ולסגור את התריס כאשר עובי של 14 ננומטר הוא הגיע. לאפשר את הסירה W להתקרר במשך 15 דקות בערך, לפרוק את המדגם. הסרט צריך להיות מרותק אל יוצרים חלקיקים מיד לאחר בתצהיר ככל האפשר, כדי למנוע חמצון Ag.
4. תא עם הסרט Ag שהופקדו טרי מכניסים לתנור שחומם מראש ל חנקן מטוהר 230 0.1-0.2 מעלות צלזיוס, מרותק דקות 50, ופרק אחר. הערה שינוי מראה פני השטח בשל חלקיקים. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של חלקיקים AG היא shoWN באיור. 2.
5. למדוד EQE של התא עם מערך nanoparticle.

3. ייצור של רפלקטור אחורי

רפלקטור אחורי כולל של ~ 300 ננומטר עבים MGF ₂ (RI 1.38) חיפוי דיאלקטרי עם המעיל של צבע התקרה מסחרי לבן (Dulux).

1. לפני בודה רפלקטור אחורי המגעים התא צריך להיות מוגן על ידי יישום דיו שחור סמן עליהם, המאפשר לחשוף את המגעים מתחת דיאלקטרי בתהליך ההמראה.
2. השתמש באקדח החנקן לפוצץ את המדגם עם מערך NP ואנשי הקשר צבועים להסרת אבק. להפעיל לחץ חנקן צנוע טיפול תרגיל לא לפוצץ את חלקיקי משם. מניחים את המדגם לתוך המאייד תרמית המכילה סירה W מלא MGF _{2 יחידות.} לשאוב את המאייד ללחצים של Torr 2 3E-5 ~. הגדרת פרמטרים QCM עבור MGF _2: צפיפות 3.05 יחס Z 0.637.
3. ודא shutte מדגםR סגורה, להפעיל את דוד הסירה ולאט לאט להגביר את הזרם, כדי למנוע עלייה בלחץ מוגזם עד MGF ₂ נמס לראות דרך יציאת השקפת. לאחר לחץ מייצב להגדיר הנוכחית עד כדי להגדיר המקביל שיעור ₂ MGF בתצהיר של 0.3 ננומטר / ים ופתח את תריס מדגם.
4. לפקח על עובי שהופקדו באמצעות QCM ולסגור את התריס כאשר 300 ננומטר הוא הגיע.
5. מכבים את התנור. לאפשר את הסירה W להתקרר במשך 15 דקות בערך, לפרוק את המדגם. הערה שינוי מראה את התא עם חיפוי ₂ MGF.
6. כדי להסיר את המסכה דיו אנשי הקשר סלולריים לטבול את התא עם דיאלקטרי חיפוי לתוך אצטון. המתן עד דיאלקטרי מעל הדיו מתחיל פיצוח ממריא. שמור על תא אצטון עד שכל הדיו עם דיאלקטרי יוסר אנשי הקשר מתכת חשופים לחלוטין. הסר את המדגם מ אצטון, לשטוף עם אצטון טרי ויבש עם אקדח חנקן.
7. למרוח שכבה שלצבע לבן (Dulux אחד מעיל בצבע התקרה) עם מברשת רכה יפה על פני התא כולו בזהירות למנוע את מגעי המתכת. שכבת הצבע צריך להיות עבה מספיק כדי להיות אטום לגמרי (~> 0.5 מ"מ), כך אין אור ניתן לראות כאשר מסתכלים דרך התא צבוע במקור אור חזק. בואו לצייר יבש ליום אחד.
8. למדוד EQE של התא עם רפלקטור אחורי בצבע לבן.

4. נציג תוצאות

הנוכחי השמש לקצר תא מחושב על ידי שילוב עקומת EQE על פני ספקטרום תקן השמש העולמי (מסת אוויר 1.5). גם התא הנוכחי ושיפור שלה בשל אור השמנה תלוי בעובי שכבת בולם התא: הנוכחי עצמו הוא גבוה יותר תאים עבים יותר אבל שיפור הנוכחי גבוה עבור מכשירים דקים יותר, ראה טבלה מס '1 עבור הנתונים המתאימים ואנימציה 5 עבור EQE עקומות. המקוריים 2 מיקרומטר תאים עובי, בלי אור, השמנה, Hשד 'JSC נמדד צעד 1.7.) של ~ 15 mA / cm ^2. לאחר ייצור של מערך nanoparticle, JSC מגדילה עד כ - 20 mA / cm ^2, שהוא שיפור של 32%. הוא קצת יותר השפעה שיפור של 25-30% על ידי רפלקטור מפוזר האחורי בלבד. לאחר הוספת רפלקטור האחורי מפוזר על MGF ₂ חיפוי לתא עם מערך nanoparticle plasmonic, JSC הוא גדל עוד יותר עד ² 22.3 mA / cm, או שיפור על 45%. שימו לב לתא מיקרומטר 3 עבה זרמים בכל גבוהות יותר, עד 25.7 mA / ² ס"מ תוך שיפור יחסי הוא מעט נמוך יותר, 42%: אור ההשמנה יש השפעה יחסית גדולה יותר של מכשירים דקים יותר.

התא עובי:	2 מיקרומטר		3 מיקרומטר
	JSC, mA / cm 2	טרונג> +%	JSC, mA / cm 2	+%
התא המקורי	15.4		18.1
מפוזר רפלקטור אחורי (R)	20.1	30.5	21.5	18.8
חלקיקים (NP)	20.3	31.8	21.9	21.0
NP / MGF 2 / R	22.3	45.3	25.7	42.0

טבלה 1. תא plasmonic לקצר הנוכחי ושיפור שלה בהשוואה לתא המקורי.

1. איור מקרוב לאור תא פולי-Si סרט דק השמש עם רשת metallisation.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
איור 2. סריקת תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של חלקיקים שמייצרת חברת על משטח סיליקון.

איור 3. תצוגה סכמטית של תא plasmonic גבישי סרט דק סיליקון השמש (לא בקנה מידה).

איור 4 חיצוני היעילות הקוונטית ו לקצר הנוכחי על סיליקון polycrystalline סרט דק תאים עם רפלקטור מפוזר חלקיקים plasmonic: מקווקו שחור - האוסף 2 מיקרומטר עבה תא ללא אור השמנה, JSC 15.36 mA / cm ^2, כחול - התא. עם רפלקטור צבע דיפוזי, JSC 20.08 mA / cm ^2, אדום - תא עם חלקיקים plasmonic AG, JSC 20.31 mA / cm ^2, ירוק - תא עם חלקיקים, MGF _2, המשקף צבע דיפוזי, JSC 22.32 mA / cm ^2. סגול - 3 תאים מיקרומטר עבה (על זכוכית בעובי 3 מ"מ) עם חלקיקים, MGF _2, המשקף מפוזר, JSC 25.7 mA / cm ² (לציין בתגובה כחול נמוך בשל הבדלים לא מכוונות בשכבות AR ואת עובי פולט). מוצק שחור - 2 מיקרומטר מרקם עבה תא שהוכן על ידי בתצהיר פלזמה משופרת אדים כימיים (על זכוכית 3 מ"מ עובי), JSC 26.4 mA / cm ^2, הראו להשוואה.

אנימציה 1. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .

אנימציה 2. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .

אנימציה 3. לחץ כאן כדי להציג אנימציה.

4 אנימציה. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .

אנימציה 5. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .

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

Discussion

התאדו polycrystalline סיליקון לתאים סולאריים פיזור האור חלקיקים plasmonic שותפים אידיאליים אור השמנה. תאים אלה הם מישוריים, ולכן הם לא יכולים להסתמך על פיזור אור ממשטחים בעלי מרקם, או חלקיקים plasmonic יכול להיווצר בקלות על משטחים בעלי מרקם. התאים אחת בלבד, השטח האחורי עם סיליקון חשו...

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

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
שם מגיב	חברה	מספר קטלוגי	תגובות
כסף גרעינית	Sigma-Aldrich	303372	99.99%
MGF 2, גבישים אקראיים, כיתה אופטי	Sigma-Aldrich	378836	> = 99.99%
Dulux חד מעיל התקרה בצבע	Dulux		R> 90% (500-1100 ננומטר)