Поликристаллического кремния тонкопленочные солнечные элементы с Плазмонных повышенной световой захвата

Резюме

Поликристаллических кремниевых тонкопленочных солнечных элементов на стекло изготавливается путем осаждения бора и фосфора, легированных слоев кремния следует кристаллизации, пассивация дефектов и металлизации. Плазмонных свет захвата вводится путем формирования наночастиц серебра на поверхности кремния клетки ограничены с рассеянным отражатель в результате чего около 45% фототока аксессуара.

Аннотация

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.

протокол

1. Производство поликристаллического кремния, солнечных элементов (Анимация 3)

1. Кремний пленок
   1. Подготовка электронной лучевого испарения инструмент выпечке его на ~ 100 ° С в течение ночи, чтобы добраться до базы давление <3E-8 мм рт. Предустановленные образца нагревателя 150 ° C температура ожидания.
   2. Использование подложки из 5x5 см ² (или 10 х10 см ²⁾ подложки из боросиликатного стекла (Schott Borofloat33), 1,1 или 3,3 мм, покрытый с ~ 80 нм нитрида кремния (подготовленный ПХО от N ₂ и SiH ₄ смеси).
   3. Удар поверхности подложки с сухим азотом для удаления пыли и поместите его в держатель образца. Вентиляционные нагрузки замок, загрузка образца насоса нагрузки заблокировать под давлением <1E5 Торр, и передать образец основной камере. Запустите нагреватель уставка 250 ° C. Насос в течение 20 мин, когда давление достигает 8E-8 Торр и ниже.
   4. Убедитесь, что примесижалюзи источник и источник кремния закрыты. Предустановленные примеси температура источника в режим ожидания температур, т.е. температура фосфора источник при 700 ° С и температуре бор источник при 1250 ° C. Начать электронной пушки и расплавить кремния в тигель медленно растущих электронной пушкой тока.
   5. Когда требуемый ток достигает (от предыдущей калибровки: этот ток может меняться в зависимости от электронной пушки и условия Si источник) испаряются слоев кремния, легированных необходимой концентрации P и B: 35 нм излучатель на 1E20 см ^-3 Р , 2 ~ 3 мкм поглотителя 5E15 см ^-3 В, 100 нм обратно поверхности поля (ЧФ) в 4E19 см ^-3 Б. точные концентрации примесей достигается путем сопоставления определенных осаждения Si ставки, если судить по Кварцевый монитор (QCM), с определенной примеси температура источника, используя связи, установленные с калибровки SIMS.
   6. После испарения происходит переключение нагреватель, охладить образец для ~ 10 мин. Transфер образца нагрузку замок, закрыть затвор клапана, выход нагрузки замок и разгрузить образец пленки кремния.
2. Кремний кристаллизации
   Если образец 10х10 см ^2, то можно разрезать на четыре 5х5 см ^{2 шт} размер ячейки до кристаллизации. Поместите на хранение пленки кремния на стекле (Si фильм вверх) на держателе из шероховатой и нитрида кремния, покрытой Schott Robax стекла (чтобы избежать прилипания). Нагрузка на азот очищена печь, предварительно нагретую до 200-300 ° С. Нарастить температуру до 600 ° С на 3 ~ 5 ° С / мин и отжига в течение 30 часов. Поворот печь нагреватель и дайте печке остыть естественным ~ 200 ° C (2 ~ 3 часа) перед разгрузкой образца. Образец может иметь вогнутую форму за счет кремния усадки при кристаллизации. Это будет выравниваться в течение следующих быстрой термической обработки.
3. Примесей и дефектов активации отжига (RTA)
   Поместите образец кристаллизовался фильм на держателе из пиролитического графита и лOAD к быстрому процессору тепловой продували аргоном. Рампа температуре до 600 ° С на 1 ° С / с, а затем до 1000 ° C при 20 ° С / с, удерживая в течение 1 мин, затем охладить естественно до ~ 100 ° C и выгрузки.
4. Удаление поверхностных оксидов
   Непосредственно перед гидрирование поверхности окисла кремния на пленку во время кристаллизации и РТС должны быть удалены для того, чтобы голой поверхности пленки кремния подвергается воздействию водорода. Погрузитесь отожженного образца на 5%-ный раствор HF до поверхности кремния получается гидрофобный (30 ~ 100 с). Промойте дистиллированной водой и высушить с азотом пистолет.
5. Дефект пассивации
   Загрузка образца в вакуумной камере, оборудованной с удаленного источника водородной плазмы. Насос до <1E-4 тор, нагрев образцов до ~ 620 ° C, включите аргон / водород потока смеси (50:150 SCCM), установить давление 50-100 мторр, начните источника плазмы на 3,5 кВт СВЧ-мощности и продолжить процесс в течение ~ 10 мин. Включите нагреватель в то время как maintaining плазмы еще 10-15 мин, пока температура не падает ниже 350 ° C до поворота плазмы с и остановки потока газа. Выгрузка образца при температуре ниже 200 ° C.
6. Сотовые металлизации
   Сотовые металлизация проводится в серии последовательных фотолитографии рисунка, Al пленок и травления шагов, которые подробно описаны в ^11. Окончательный клетка выглядит, как показано в последнем слайде анимации 3. Крупным планом из металлизированной ячейки показана на рис 1.
7. Измерьте EQE из металлизированной клетки.

2. Изготовление плазмонных наночастиц Ag (анимация 4)

1. Удар металлизированной поверхности клетки с сухим азотом для удаления пыли и загрузки образца в испарителе теплового содержащие W лодка заполнена гранулами Ag (0,3-0,5 г). Откачки испарителя камеры к базовому давлению 2 ~ 3Е-5 мм рт. Программа QCM с параметрами для Ag: плотность 10,50и Z коэффициент 0,529.
2. Убедитесь, что образец затвор закрыт, включите обогреватель W лодке и увеличить текущие достаточно медленно, чтобы избежать повышения давления выше 8E-5 торр до Ag гранул расплава (как это наблюдается через представление-порт). После того, как давление стабилизируется установить тока уставки, соответствующих скорости осаждения Ag 0,1-0,2 A / S (с калибровкой) и открыть затвор, чтобы начать процесс осаждения.
3. Следить за растущей пленки Ag толщиной использованием QCM и закрыть затвор при толщине 14 нм достигается. Позвольте лодке W остыть в течение примерно 15 мин, выгрузка образца. Пленка должна быть отжигали для формирования наночастиц сразу после нанесения, чтобы избежать окисления серебра.
4. Ячейки с свежеосажденной фильм Ag помещается в азоте очищена печь нагревается до 230 0,1-0,2 ° С, отжиг в течение 50 минут, а затем выгружается. Обратите внимание на изменение внешнего вида за счет наночастиц. Сканирующей электронной микроскопии изображение наночастиц серебра является сеш на рис. 2.
5. Измерьте EQE клетки с наночастицами массива.

3. Изготовление задней отражатель

Задний отражатель состоит из ~ 300 нм MgF ₂ (RI 1.38) диэлектрической оболочки с пальто коммерческой белой краской потолок (Dulux).

1. До изготовления задних отражатель клетки контакты должны быть защищены путем применения черных чернил на них маркер, который позволяет подвергая контакты из-под диэлектрика старт процессу.
2. Использование азота пистолет удар образца с НП массив и окрашенные контакты, чтобы удалить пыль. Используйте скромный давление азота и соблюдайте осторожность, чтобы не взорвать наночастиц далеко. Поместите образец в испарителе теплового содержащие W лодка заполнена MgF _{2 шт.} Откачки испарителя давление 2 ~ 3Е-5 мм рт. Установите параметры QCM MgF _2: Плотность 3.05 и Z соотношение 0,637.
3. Убедитесь, что образец шторкойг закрыты, включите обогреватель и лодка медленно увеличивать ток, чтобы избежать чрезмерного повышения давления до MgF ₂ тает, как видно по тем-порт. После того, как давление стабилизируется установить тока уставки, соответствующих MgF ₂ скорость осаждения 0.3 нм / с и открыть образец выдержки.
4. Следить за хранение толщины, используя QCM и закрыть затвор при 300 нм достигается.
5. Выключите обогреватель. Позвольте лодке W остыть в течение примерно 15 мин, выгрузка образца. Обратите внимание на изменения в клетке с появлением MgF ₂ оболочки.
6. Для удаления чернил маски из клетки контакты погрузиться ячейки с диэлектрической оболочки на ацетон. Подождите, пока диэлектрической выше чернил начинается растрескивание и отрывая. Держите ячейку в ацетоне, пока все чернила с диэлектрической удаляется, а металлические контакты полностью раскрыты. Удаление образца с ацетоном, промойте пресной ацетон и просушите азотом пистолет.
7. Нанесите слойбелой краски (Dulux Одно-Coat потолок краской) с тонкой мягкой кисточкой по всей поверхности клетки тщательно избегая соприкосновения металлических контактов. Красочный слой должен быть достаточно толстым, чтобы быть полностью непрозрачным (~> 0,5 мм), так что без света можно увидеть при просмотре через окрашенные клетки на яркий источник света. Пусть сохнет краска на один день.
8. Измерьте EQE клетки с белым отражателем задней краской.

4. Представитель Результаты

Солнечных батарей ток короткого замыкания вычисляется путем интегрирования EQE кривой по сравнению со стандартной глобального солнечного спектра (воздушная масса 1.5). Обе клетки тока и его усиление за счет захвата света зависит от толщины слоя поглотителя ячейки текущего себя выше для толстых клеток, но текущее повышение выше для более тонких устройств, см. таблицу 1 для соответствующих данных и анимация 5 EQE кривых. Оригинальный 2 мкм клетки, без света захвата, чПр АО измеряется в шаге 1.7.) ~ 15 мА / см ^2. После изготовления наночастиц массив, ОАО возрастает до 20 мА / см ^2, что на 32% повышение. Это немного лучше, чем усиление эффекта на 25-30% на заднюю диффузный отражатель только. После добавления задней диффузный отражатель на MgF ₂ оболочки в камеру с плазмонных массивов наночастиц, ОАО дальнейшем увеличении до 22,3 мА / см ^2, или около 45% повышения. Обратите внимание, что за 3 мкм клетки все токи выше, вплоть до 25,7 мА / см ^2, а относительное увеличение немного ниже 42%: светло-захвата имеет сравнительно больший эффект в более тонких устройств.

Сотовые толщина:	2 мкм		3 мкм
	ОАО мА / см 2	Чонг> +%	ОАО мА / см 2	+%
оригинальные клетки	15,4		18,1
Задний отражатель диффузного (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Наночастицы (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Таблица 1. Плазмонных клетки токов короткого замыкания и его повышение по сравнению с оригинальной клетки.

Рисунок 1. Крупным планом поли-Si тонкопленочные солнечные элементы с металлизацией сетки.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Сканирующей электронной микроскопии изображение наночастиц серебра на поверхности кремния.

Рисунок 3. Схематический вид плазмонных кристаллического кремния тонкопленочных солнечных элементов (не в масштабе).

Рисунок 4 внешних квантовой эффективности и ток короткого замыкания для поликристаллического кремния тонкопленочных ячеек с диффузным отражателем и плазмонных наночастиц: штрих-черный - оригинал 2 мкм ячейке без света захвата, ОАО 15,36 мА / см ^2, синий - клетки. с диффузным отражателем краски, ОАО 20,08 мА / см ^2, красный - клетки с наночастицами Ag плазмонных, ОАО 20,31 мА / см ^2, зеленый - клетки с наночастицами, MgF ₂ и диффузный отражатель краски, ОАО 22,32 мА / см ^2. Фиолетовый - 3 мкм клетки (на 3 мм, стекло) с наночастицами, MgF ₂ и диффузный отражатель, ОАО 25,7 мА / см ² (обратите внимание на нижнюю синий ответ от непреднамеренных различий в слоях АР и эмиттером толщины). Сплошной черный - 2 мкм текстурированной клетки подготовленных плазмы расширения химического осаждения паров (на 3 мм стекла), ОАО 26,4 мА / см ^2, показаны для сравнения.

Анимация 1. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Анимация 2. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Анимация 3. Щелкните здесь для просмотра анимации.

Анимация 4. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Анимация 5. Щелкните здесь для просмотра анимации .

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

Обсуждение

Сгущенное поликристаллических кремниевых солнечных элементов и рассеяния света плазмонные наночастицы являются идеальными партнерами для легкого захвата. Такие клетки являются плоскими, поэтому они не могут рассчитывать на рассеяния света от текстурированных поверхностей, не може...

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

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Название реагента	Компания	Номер по каталогу	Комментарии
Серебряный гранулированные	Sigma-Aldrich	303372	99,99%
MgF 2, случайные кристаллы оптического качества	Sigma-Aldrich	378836	> = 99,99%
Dulux одного слоя краски потолка	Dulux		R> 90% (500-1100 нм)