プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

要約

ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜太陽電池は、結晶化、欠陥のパッシベーションおよびメタライゼーションに続いてホウ素やリンをドープしたシリコン層の堆積によって製造されています。プラズモニック光トラッピングは〜45％の光電流の増強の結果、拡散反射板でキャップシリコン細胞表面上のAgナノ粒子を形成することによって導入されています。

要約

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.

プロトコル

1。多結晶シリコン太陽電池の作製（アニメーション3）

1. シリコン膜の堆積
   1. ℃で一晩<3E-8 Torrのベー​​ス圧力に到達するために100〜でそれを焼成することにより、電子ビーム蒸着ツールを準備します。 150℃スタンバイ温度にプリセットサンプルヒーター。
   2. 5x5のcm ^2の （または10×10 cm ^2）の基板ホウケイ酸ガラス（SCHOTT Borofloat33）、窒化ケイ素の約80 nmの（N ₂とSiH _4の混合物からPECVDによって調製した）で被覆した厚さ1.1または3.3ミリメートル、からなる基板を使用しています。
   3. ほこりを除去し、試料ホルダーにそれを配置する乾燥窒素で基板の表面を吹く。 、ロードロックを発散サンプルをロードし、圧力<1E5 Torrにダウンロードロックポンプ、メインチャンバーにサンプルを転送します。 250℃のセットポイントにヒーターを起動します。圧力が8E-8トール以下に到達した約20分間ポンプを備えています。
   4. そのドーパントを確認してくださいソースとケイ素源シャッターが閉じられます。スタンバイ温度にプリセットドーパント源温度は、1250℃、ホウ素源温度は700℃でリン源温度、すなわち電子銃を開始し、徐々に電子銃の電流を増加させることにより坩堝内のシリコンを溶かす。
   5. 必要な電流が到達したときに、P ^-3 1E20 cmで35nmのエミッタ：PとBの必要な濃度でドープされたシリコン層を蒸発させる（前のキャリブレーションから、この電流は、電子銃とSi源条件の異なる場合があります）として水晶モニタで測定したBの^-3 4E19 cmで100nmの裏面フィールド（BSF）正確なドーパント濃度が一定のSiの堆積速度を照合することによって達成され、; Bの^-3 5E15 cmで2〜3μmの吸収（QCM）、特定のドーパント源の温度が、SIMSのキャリブレーションから確立されたリレーションシップを使用して。
   6. 蒸発は、ヒーターのスイッチをオフに行われた後、約10分間、サンプルをクールダウン。トランスロードロックのサンプルFERは、ゲートバルブを閉じ、ロードロックを発散し、シリコン膜でサンプルをアンロードします。
2. シリコン結晶
   サンプルは10×10 cm ²である場合、それは結晶化する前に4 5x5のcm ^2のセルサイズのピースにカットすることができます。粗と窒化ケイ素コーティングされたショットRobaxガラス（付着を避けるために）作られたホルダーにガラス基板上に堆積シリコン膜（最大Si膜）を配置します。窒素パージされたオーブンに負荷が200から300℃に予熱℃で3時〜5℃/ minで600の温度を立ち上げ、30時間のためにアニールする。サンプルをアンロードする前に、オーブンヒーターの電源を入れ、〜200℃（2〜3時間）に自然にオーブンがクールダウンしましょう​​。サンプルは、結晶中にシリコン収縮に起因する凹面形状を有することができる。それは以下の急速熱処理中に平らにします。
3. ドーパントの活性化とアニール欠陥（RTA）
   グラファイトとlで作られたホルダーに結晶化した膜でサンプルを置きますアルゴンでパージし、急速な熱プロセッサにOAD。 ℃、1℃/ sが、その後1000℃まで20℃/秒、約100に自然にしてクールで1分間押し°Cおよびアンロード600の温度を立ち上げる。
4. 表面酸化物の除去
   直ちに結晶化とRTAの間にシリコン膜上に形成された水素化の前に表面酸化物は、ベアシリコン膜の表面が水素にさらされていることを確認するために削除する必要があります。シリコン表面が疎水性になるまで5％フッ酸溶液中にアニールした試料を浸漬（30〜100秒）。脱イオン水ですすぎ、窒素銃で乾燥させます。
5. 欠陥パッシベーション
   リモート水素プラズマ源を備えた真空チャンバ内にサンプルをロードします。まで〜620 <1E-4 Torrで、ヒートアップサンプルでは、​​°C、50から100ミリトール圧力を設定してアルゴン/水素混合物の流れ（50:150 SCCM）は、3.5 kWにおけるプラズマ源を起動しオンにポンプダウンマイクロ波電力と約10分間の処理を続行します。 maintaながらヒーターをオフにする温度はプラズマをオフにしてガスの流れを停止する前に、350°Cの下に落下するまで、別の10〜15分間プラズマをining。温度が200℃のときにサンプルをアンロードする
6. セルの金属被覆
   セルの金属被覆は^、11に詳細に記載されている連続したフォトリソグラフィパターニング、Al膜の堆積とエッチングの一連の手順で行われる。アニメーション3の最後のスライドに示すように最後のセルが見える。メタライズドセルのクローズアップビューを図1に示されています。
7. メタライズドセルの外部量子効率を測定します。

2。プラズモニックのAgナノ粒子（アニメーション4）の作製

1. ほこりを除去し、銀顆粒（0.3〜0.5グラム）を充填したWボートを含む熱蒸発器にサンプルをロードするために乾燥窒素で金属化細胞表面を吹く。 2〜3E-5 Torrのベー​​ス圧力に蒸発チャンバーをポンプダウン。 Agのパラメータを持つプログラムQCM：密度10.50とZ比0.529。
2. サンプルのシャッターが閉まっていること、（ようにビューポートを介して観察）WボートヒーターをオンにするとAg顆粒が溶けるまで、8E-5 Torrの上記の圧力上昇を避けるために徐々に十分な電流を増加させることを確認してください。圧力が0.1から0.2Å/ sでのAg析出速度（校正から）対応するセットポイントに電流を設定し、成膜プロセスを開始するためにシャッターを開いて安定した後。
3. QCMを用いて成長してAg膜の厚さを監視し、14nmの厚さに達したときにシャッターを閉じます。 Wのボートは約15分間のクールダウンできるように、サンプルをアンロードします。フィルムは、Agの酸化を避けるためにできるだけ早く堆積した後、ナノ粒子を形成するためにアニールする必要があります。
4. 新たに堆積Ag膜を持つセルは230 0.1から0.2まで50分間アニール°Cに予熱した窒素パージオーブンに入れ、その後アンロードされます。ナノ粒子による表面外観の変化に注意してください。 Agナノ粒子の電子顕微鏡画像をスキャンすると、翔です。図WN。 2。
5. ナノ粒子の配列を持つセルの外部量子効率を測定します。

3。後部反射器の作製

後部反射器は、市販の白い天井のペンキ（Dulux）のコートとクラッド〜300 nmの厚さMgF _2の （RI 1.38）誘電体で構成されています。

1. 後部反射器を製造する前にセルの連絡先は、リフトオフプロセスによって誘電体の下から連絡先を公開することができている、それらに黒のマーカーのインクを適用することによって保護する必要があります。
2. NPの配列やほこりを取り除くために描いた連絡先でサンプルを爆破する窒素銃を使用しています。離れてナノ粒子を吹き飛ばすしないように控えめな窒素圧力と運動の注意を払ってください。 MGF ₂個で満たされたWボートを含む熱蒸発器にサンプルを置きます。 2〜3E-5 Torrの圧力に蒸発器をポンプダウン。密度3.05およびZ比0.637：MgF _2のためのQCMパラメータを設定します。
3. ことを確認し、サンプルshutterがクローズされ、ボートのヒーターをオンにして徐々にMgF _{2をとして}ビューポートを通して見溶けるまで過度の圧力上昇を避けるために電流を増加させる。圧力は、0.3 nm / sのMgF _2の堆積速度を対応するセットポイントに電流を設定し、サンプルシャッターを開いた安定した後。
4. QCMを用いて堆積厚さを監視し、300nm以下に達したときにシャッターを閉じます。
5. ヒーターの電源をオフにします。 Wボートは約15分間冷却することができ、サンプルをアンロードします。 MgF _2のクラッドを持つセルの外観の変化に注意してください。
6. セルの連絡先からインクマスクを削除するには、誘電体はアセトンにクラッドを有する細胞を浸す。インク、上記誘電体割れと持ち上げ開始されるまで待ちます。誘電体を使用したすべてのインクが削除され、金属の接点が完全に露出されるまで、アセトン中で細胞を保持します。アセトンからサンプルを削除するには、新鮮なアセトンですすぎ、窒素銃で乾燥させます。
7. の層を適用する全細胞の表面に微細な柔らかいブラシで白い塗料（Duluxワンコート天井のペンキ）は慎重に金属接点を回避することができます。塗料層は、明るい光源で描いたセルを検索するときには光が見えることはできませんので、完全に不透明（〜> 0.5 mm）とするのに十分な厚さにする必要があります。一日乾燥したペイントしましょう​​。
8. 白いペンキ後部反射器と電池の外部量子効率を測定します。

4。代表的な結果

太陽電池の短絡電流は、標準的なグローバル太陽スペクトル（空気質量1.5）上の外部量子効率曲線を積分することによって計算されます。ライトトラップに起因するセル電流とその強化の両方がセルの光吸収層の厚さに依存します。自体は電流が厚い細胞に対する高いが、現在の拡張機能は、シンナーのデバイスに対して、外部量子効率は、それぞれのデータとアニメーション5の表1を参照してより高いです曲線を示す。光トラッピング、Hせずに元の厚さ2μmの細胞、aveのJSCは 、ステップ1.7で測定されます。）〜15ミリアンペア/ cm ²の。ナノ粒子アレイの作製した後、JSCは 32％拡張したものです約20ミリアンペア/ cm ^2で 、最大増加します。それは後部の拡散反射のみによって25〜30％の向上効果よりも若干優れています。プラズモニックナノ粒子アレイとセルにMgF _2のクラッド層の背面拡散反射を追加した後、JSCは 22.3ミリアンペア/ cm ^2で 、または約45％向上にさらに増加します。光トラッピングは薄くデバイスの比較的大きな効果があります。相対的増強は、42％やや低いですが3μmの厚さのセルのすべての電流が高く、最大25.7ミリアンペア/ cm ²であることに注意してください。

セルの厚さ：	2μmの		3μmの
	JSC、ミリアンペア/ cm 2で	trong> +％	JSC、ミリアンペア/ cm 2で	+％
起源細胞	15.4		18.1
リア拡散反射（R）	20.1	30.5	21.5	18.8
ナノ粒子（NP）	20.3	31.8	21.9	21.0
NP / MGF 2 / R	22.3	45.3	25.7	42.0

表1。プラズモニックセルの短絡電流とその拡張は、元のセルと比較されます。

金属化グリッドのポリSi薄膜太陽電池の図1。クローズアップビュー。

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図2：シリコン表面上のAgナノ粒子の電子顕微鏡画像をスキャンしています。

図3。プラズモニック結晶シリコン薄膜太陽電池（実寸ではありません）の模式図。

図4拡散反射とプラズモニックナノ粒子と多結晶シリコン薄膜セルの現在の外部量子効率および短絡：点線の黒-ライトトラップせずに元の厚さ2μmのセル、JSC 15.36ミリアンペア/ cm ^2で 、青-セル。びまん性塗料の反射鏡と、JSC 20.08ミリアンペア/ cm ^2で 、赤-モニックのAgナノ粒子と細胞、JSC 20.31ミリアンペア/ cm ^2で 、緑-ナノ粒子と細胞、MgF _2を 、びまん性塗料の反射、JSC 22.32ミリアンペア/ cm ^2である 。紫-ナノ粒子、MGF _2、拡散反射と3μmの厚さのセル（3mm厚ガラスの場合）、Jscは 25.7ミリアンペア/ cm ^2の （AR層とエミッタの厚さで意図しない違いによる低青色応答に注意してください）。黒一色-プラズマ化学蒸着（3mm厚ガラスの場合）によって調製し2μmの厚さのテクスチャのセル、Jscは 26.4ミリアンペア/ cm ^2とは 、比較のため示した。

アニメーションは、1。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。

アニメーションは、2。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。

（3）アニメーション アニメーションを表示するにはここをクリック。

アニメーション4。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。

アニメーション5。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。

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ディスカッション

蒸発した多結晶シリコン太陽電池と光散乱プラズモンナノ粒子は、光トラッピングのための理想的なパートナーです。そのような細胞は平面であり、それゆえ彼らは、テクスチャの表面からの光散乱に頼ることはできません。また、プラズモニックナノ粒子は容易にテクスチャ面上に形成することができる。細胞はまた、最も効果的なプラズモニック光散乱のために最高のナノ粒子の位​​?...

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資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
試薬の名前	会社	カタログ番号	コメント
粒状の銀	Sigma-Aldrich社	303372	99.99パーセント
MgF 2を 、ランダムな結晶、光学グレード	Sigma-Aldrich社	378836	> = 99.99％
Duluxワンコートの天井のペンキ	Dulux		R> 90％ （500-1100 nm）の