Summary
유리에 다결정 실리콘 박막 태양 전지는 crystallisation, 결함 패시베이션 및 metallisation 다음 붕소 및 인 도핑된 실리콘 레이어 증착에 의해 조작된다. 가벼운 트래핑 Plasmonic은 ~ 45 % photocurrent 향상의 결과로 확산 반사판으로 공을 실리콘 전지 표면에 자세의 nanoparticles을 형성하여 소개하고 있습니다.
Protocol
1. 다결정 실리콘 태양 전지의 제작 (애니메이션 3)
- 실리콘 필름 증착
- ~ 100에서 그것을 베이킹하여 e-빔 증발 도구를 준비 ° C <3E-8 토르의 기본 압력에 도달하기 위해 하룻밤 사이에. 150 ° C 대기 온도 프리셋 샘플 히터.
- 5x5 cm 2 (또는 10 x10 cm 2) 기판의 borosilicate 유리 (SCHOTT Borofloat33)와 ~ 실리콘 질화물의 80 nm의 (N 2와 SiH 4 혼합 가스로부터 PECVD에 의해 준비된) 코팅 두께가 1.1 또는 3.3 mm, 만들어진 기판을 사용합니다.
- 먼지를 제거하고 샘플 홀더에 배치하기 위해 건조 질소로 기판의 표면을 불어. , 부하 잠금을 빼낼 샘플을로드, 압력 <1E5 토르로 다운로드 고정 펌프 및 메인 챔버로 샘플을 전송합니다. 250 ° C의 집합 점에 히터를 시작합니다 압력 8E-8 토르 이하에 도달하면 약 20 분 동안 빨리 움직이고.
- 체크 그 도펀트소스 및 실리콘 소스 셔터가 닫혀 있습니다. 대기 온도 프리셋 도펀트 소스 온도는, 700에서 인 소스 온도 즉 ° 1250에서 C와 붕소 소스 온도 ° C. 전자 총을 시작하고 천천히 전자 총기 전류를 증가시켜 도가니에 실리콘을 용융.
- 필요한 P의 농도와 B에 취해 실리콘 레이어 증발 : P의 -3 1E20 cm 35 nm의 방출을 : 필요한 전류 (이 전류는 전자 총과시 원본 조건에 따라 달라질 수 이전 교정에서)에 도달하면 , 2 B의 -3 5E15 cm시 ~ 3 μm의 흡수기, B. 정확한 도펀트 농도의 -3 4E19 cm 100 nm의 백 - 표면 필드 (BSF)는 같은 석영 크리스탈 모니터로 측정, 특정시 증착 속도를 일치에 의해 달성된다 (QCM), 특정 도펀트 소스 온도와 심즈 교정에서 설립 관계를 사용합니다.
- 증발은 히터를 끄고 완료되면 ~ 10 분 동안 샘플을 식다. 트랜스부하 자물쇠 샘플 하기까지, 게이트 밸브를 닫으로드 잠금을 빼낼하고 실리콘 필름으로 샘플을 언로 드합니다.
- 실리콘 crystallisation
예제는 10x10 cm 2면, 그것은 crystallisation에 앞서 4 개의 5x5 cm 2 셀 크기 조각으로 절단 할 수 있습니다. roughened 및 실리콘 질화물 코팅 SCHOTT Robax 유리 (고집 방지하기 위하여)으로 만들어진 홀더에 유리 (최대시 필름)에 입금 실리콘 필름을 넣으십시오. 질소 정화 오븐에 부하는 200-300로 preheated ° C. ° C에서 3 ~ 5 ° C / 분 600으로 온도를 최대 진입로를 30 시간 동안 어닐링. 오븐 히터의 전원을 켜고 ~ 200 ~ 자연스럽게 아래로 오븐은 식지 ° C (2 ~ 3 시간) 샘플을 내리기 전에. 샘플 crystallisation 동안 실리콘 수축에 의한 오목 모양을 가질 수 있습니다. 그것은 다음과 빠른 열 처리하는 동안 평평합니다. - 어닐링 도펀트 활성화 및 결함 (RTA)
pyrolytic 흑연하고 내가 만든 홀더에 크리스털 필름으로 샘플을 놓으십시오아르곤과 정화 신속한 열 프로세서에 oad. ° C 1에서 ° C / S, 그 후 최대 1000 ° C ~ 20 ° C / S, ~ 100로 자연스럽게 다음 쿨 1 분 동안 길게 ° C와 언로 600 온도를 램프. - 표면 산화물 제거
바로 전에 수소에 대한 crystallisation과 RTA 동안 실리콘 필름에 형성된 표면 산화가 베어 실리콘 필름 표면이 수소에 노출되도록 제거해야합니다. 실리콘 표면이 소수성 나타나기 전까진 5퍼센트 HF 용액에 annealed 샘플 젖어 (30 ~ 100들). deionised 물로 헹굼과 질소 총을 들고 건조시키십시오. - 결함 패시베이션
리모트 수소 플라즈마 소스가 장착된 진공 챔버에 시료를로드합니다. 아래로 움직이고 <1E-4 토르, 최대 ~ 620까지 가열 샘플 ° C, (50:150 sccm) 아르곤 / 수소 혼합물 흐름을 설정, 압력 50-100 mTorr 설정 3.5 kW 급에서 플라즈마 소스를 시작합니다 마이크 로파 전력과 ~ 10 분 프로세스를 계속합니다. 히터를 끄고 잠시 mainta온도가 플라즈마를 끄고 가스 흐름을 중단하기 전에 350 ° C 이하로 아래로 떨어져 때까지 다른 10-15 분 플라즈마를 ining. 온도 이하 200 ° C. 때 샘플을 언로 드 - 세포 metallisation
세포 metallisation는 연속 photolithographic patterning, 알 필름 증착 및 11 년 세부에서 설명하는 단계를 에칭 일련 실시하고 있습니다. 애니메이션 3의 마지막 슬라이드에 표시된 것처럼 최종 세포 같습니다. metallised 세포의 클로즈업 전망은 그림 1에 표시됩니다. - metallised 세포의 EQE을 측정합니다.
2. Plasmonic 자세의 Nanoparticle (애니메이션 4)의 제조
- 먼지를 제거하고 자세의 과립 (0.3-0.5 G)로 가득 승 보트를 포함하는 열 증발기로 샘플을로드하는 건조 질소로 metallised 세포 표면을 불어. 2 기본 압력 ~ 3E-5 토르로 증발기 챔버를 높여. 자세에 대한 매개 변수가있는 프로그램 QCM : 밀도 10.50와 Z 비율 0.529.
- 샘플 셔터가 닫혀 있는지, (같은 전망이 포트를 통해 휴일) W 보트 히터를 켜고 자세의 과립이 녹아 때까지 8E-5 토르 이상 압력 상승을 피하기 위해 천천히 충분한 전류를 증가 확인하십시오. 압력은 0.1-0.2 A / S (교정에서)의 자세 증착 속도를 해당 세트 포인트에 전류를 설정하고 증착 프로세스를 시작하려면 셔터를 엽니다. 안정화 후
- QCM을 사용하여 성장하는 자세 필름 두께 14 nm의 모니터의 두께에 도달하면 셔터를 닫습니다. W 보트는 약 15 분 동안 식혀 허용, 샘플을 언로 드합니다. 영화는 자세 산화를 피하기 위해 가능한 한 빨리 증착 후 nanoparticles을 형성 annealed해야합니다.
- 갓 입금 자세 필름과 세포는 230 0.1-0.2 50 분 동안 annealed ° C에 preheated 질소 정화 오븐에 배치하고 언로 드됩니다. nanoparticles에 의한 표면 외관의 변화를 확인합니다. 자세의 nanoparticles의 전자 현미경 이미지를 스캔하는 것은 슈입니다그림에서 wn. 2.
- nanoparticle 어레이와 셀 EQE을 측정합니다.
3. 리어 리플렉터의 제작
후면 반사판은 MgF 2 (RI 1.38) 상업 하얀 천장 페인트 (Dulux)의 코트 유전체 cladding 두께 ~ 300 nm의 구성되어 있습니다.
- 후면 반사판을 fabricating 전에 세포 연락처가 그들 검은색 마커 잉크를 적용하여 보호해야하는 리프트 오프 공정에 의한 유전체 미만의 연락처를 노출하실 수 있습니다.
- NP 배열 및 먼지를 제거하는 그린 연락처와 함께 샘플을 날려 질소 총을 사용합니다. 멀리 nanoparticles를 늦추지 않도록 겸손한 질소 압력 및 운동 치료를 사용합니다. MgF 2 개 가득한 승 보트를 포함하는 열 증발기로 샘플을 놓습니다. 2 ~ 3E-5 토르의 압력에 증발기를 높여. 밀도 3.05와 Z 비율은 0.637 : MgF 2 QCM 매개 변수를 설정합니다.
- 확인 그 샘플 shutteR가 닫혀, 보트 히터 켜고 천천히 MgF 2와 같은 전망이 포트를 통해 본 녹아까지 과도한 압력 상승을 방지하기 위해 전류를 증가시킵니다. 압력은 0.3 nm의 / s의 MgF이 증착 속도를 해당 세트 포인트에 전류를 설정하고 샘플 셔터를 엽니다. 안정화 후
- QCM을 사용하여 침전 두께를 모니터 300 nm의에 도달하면 셔터를 닫습니다.
- 히터의 전원을 끕니다. W 보트는 약 15 분 동안 식혀하도록 허용, 샘플을 언로 드합니다. MgF 2 cladding과 세포 모양의 변화를 확인합니다.
- 셀 연락처에서 잉크 마스크를 제거하기 위해서는 유전체가 아세톤에 cladding과 세포 젖어. 잉크 위에 유전체가 균열 및 해제 리프팅 시작할 때까지 기다립니다. 유전체 모든 잉크를 제거하고 금속 접점이 완전히 노출되는 때까지 아세톤에 세포 보관. 아세톤에서 시료를 제거, 신선한 아세톤으로 씻어 질소 총을 들고 건조시키십시오.
- 의 레이어를 적용전체 세포 표면에 좋은 부드러운 브러쉬와 흰색 페인트 (Dulux 하나 코트 천정 페인트)는 조심스럽게 금속 접촉을 피하고. 페인트 레이어는 밝은 광원에서 그려진 전지를 통해 검색할 때 더 빛을 보지 수 있도록 완전히 불투명 (~> 0.5 ㎜)이 될만큼 두께가되어야합니다. 하루 동안 건조 페인트하자.
- 흰색 페인트 후면에 반사기로 세포의 EQE을 측정합니다.
4. 대표 결과
태양 전지 단락 전류는 표준 글로벌 태양광 스펙트럼여 EQE 곡선 (공기 질량 1.5) 통합하여 계산됩니다. 가벼운 트래핑에 의한 세포의 현재와 그 개선 모두 세포 흡수체 층의 두께에 따라 달라집니다 : 자체 전류가 두꺼운 세포에 대한 높은 있지만 현재의 강화가 얇은 장치, EQE에 대한 각각의 데이터와 애니메이션 5 표 1 참조 높은입니다 곡선. 가벼운 트래핑, H없이 원래 2 μm의 두께 세포,번가 JSC 단계 1.7에서 측정). ~ 15mA / ㎝ 2로. nanoparticle 어레이의 제조 후, JSC는 32 %의 향상은 약 20 mA / cm 2까지 증가합니다. 그것은 후면 확산 반사판에 의해서만 25-30%의 개선 효과보다 약간 더 좋다. plasmonic nanoparticle 어레이와 셀로 cladding MgF 2 후면 확산 반사를 추가한 후, JSC는 22.3 mA / cm 2로 더욱 증가, 또는 약 45 % 향상된다. 상대적인 강화가 약간 낮은 반면 3 μm의 두께 세포에 대한 모든 전류가 25.7 mA / cm 2, 높은 것을 참고, 42 % 가벼운 트래핑은 얇은 장치에 상대적으로 더 큰 효과가 있습니다.
| 셀 두께 : | 2 μm의 | 3 μm의 | ||
| JSC, MA / cm 2 | JSC, MA / cm 2 | + % | ||
| 원래 세포 | 15.4 | 18.1 | ||
| 후면 확산 반사기 (R) | 20.1 | 30.5 | 21.5 | 18.8 |
| Nanoparticles (NP) | 20.3 | 31.8 | 21.9 | 21.0 |
| NP / MgF 2 / R | 22.3 | 45.3 | 25.7 | 42.0 |
표 1. Plasmonic 세포 단락 회로 전류와 원래의 세포에 비해 그 향상.
metallisation 그리드와 폴리 - 네 박막 태양 전지의 그림 1. 클로즈업 볼 수 있습니다.
/ ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
그림 2. 실리콘 표면에 자세에 nanoparticles의 전자 현미경 이미지를 스캔.
그림 3. plasmonic 결정 실리콘 박막 태양 전지 (없는 규모)의 개략도 볼 수 있습니다.
그림 4 확산 반사와 plasmonic nanoparticles과 다결정 실리콘 박막 전지에 대한 현재의 외부 양자 효율과 단락 회로 : 점선-블랙 - 오리지널 2 μm의 두께 셀 라이트 - 트래핑, JSC 15.36 mA / cm 2이없는, 파란 - 세포. 확산 페인트 반사기와 JSC 20.08 mA / cm 2; 적색 - plasmonic 자세를 nanoparticles와 세포, JSC 20.31 mA / cm 2; 녹색 - nanoparticles와 세포, MgF 2 및 확산 페인트 반사기, JSC 2. 퍼플 - 3 μm의 두께 셀 (3mm 두께 유리에서) nanoparticles와 MgF 2 및 확산 반사판, JSC 25.7 mA / cm 2 (때문에 AR 레이어와 에미터 두께 무심코 차이 낮은 청색 반응을합니다.) 솔리드 블랙 - 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 (3mm 두께 유리에서), 비교를 위해 표시 JSC 26.4 mA / cm 2, 준비한 2 μm의 두께 질감 세포.
애니메이션은 1. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
애니메이션 2. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
애니메이션 3. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오.
애니메이션 4. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
애니메이션 5. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
증발 다결정 실리콘 태양 전지와 광 산란 plasmonic nanoparticles는 가벼운 트래핑을위한 이상적인 파트너입니다. 이러한 세포는 평면이며, 따라서 그들은 거친 표면의 광 산란에 의존 수 없으며 plasmonic nanoparticles 쉽게 질감 표면에 형성 할 수 있습니다. 세포는 광 산란 가장 효과적인 plasmonic위한 최상의 nanoparticle 위치에서 일어나는 직접적으로 노출된 실리콘과 단 하나, 후면 표면 있습니다. 그것이 결정 실리콘에 가벼운 트래핑을위한 가장 중요한 700 및 1000 nm의 사이에 광범위한 공명 피크로 무작위 nanoparticle 배열에서 결과 있기 때문에 또한, 열적 어닐링에 의한 nanoparticle 형성을위한 가장 쉬운 방법은 또한 가벼운 트래핑에 가장 적합 얇은 필름 세포. 언제 까지나 기능성 세포가 만들어진 것처럼 plasmonic 반사판의 제작은 이전 섹션에 설명된대로 비교적 단순하고 간단합니다. 가능한 합병증은 사실과 관련되는 나노입자가 실리콘 전지 표면에 있지만 물론 metallisation 그리드 패턴 이상뿐만 아니라 형성된다. 이시킬 수 있으며 nanoparticle 상대적인 표면 적용 범위가 너무 크거나 특히 대형 nanoparticles가 덧붙여 형성되면 때때로 shunting으로 이어질 않습니다. 보험 결과가 30-35%에, 50 %와 쉽게 14 nm의 전구체 필름의 표준 프로세스가, 위에서 설명한 것을 고려 이루어진다 ~ 20 nm의 아래 계속되는 전구체 필름 두께, 아래에 보관해야합니다 shunting 세포를 방지하려면 범위.
자신에 의해 Plasmonic nanoparticle이 ~ 30% JSC 향상과 함께 색소 페인트 확산 반사경보다 광 산란에서만 약간 나은만큼 효율적이며, 또는 ~ 지원할 간단한 있습니다 25~30%. 확산 페인트 반사경의 광 트래핑 성능이 더욱 향상시킬 수 없다면서 그러나 plasmonic nanoparticles가 확산 반사판으로 칭찬받는 옵션도는 B를 배치, 따라서 혼자 nanoparticles에 의해보다 최대 45%까지 상당히 높은 JSC 향상의 결과로 그들을 ehind. 이 photocurrent 향상 적 평면 결정시 박막 전지에 대해 보여준 최고이며, 가장 최근 높은 RI 유전체 nanoparticle의 반사판 5로 40 % 향상을 보고한 초과. 또한, 더 높은 photocurrent 향상, 50 %를 초과하는 대신 상용 흰색 페인트 등 5에서 설명하는 등 높은 RI의 nanoparticle의 확산 반사기, 함께 수 있어야한다.
그러나, 심지어는 45 % 향상은 일반적으로 JSC시킨 결과가 잘 질감 superstrates에 PECVD에 의해 폴리 - 네 박막 전지 제조에 달성되는 절반 약 29mA / ㎝ 2 (~ 90 % 향상에 비해 약 참조 평면 세포) 12. 질감 superstrates에 대한 세포의 더 나은 성능을 위해 두 가지 주요 이유가 있습니다. 질감이 정면에서 첫째, 반사세포 표면에 따라서 더 많은 전류 생성하는 세포에 들어가기보다 가벼운 결과로 평면 표면에서보다 훨씬 낮습니다. 평면 앞 표면과 plasmonic 세포의 반사 특성은 기존의 텍스처링과 plasmonic 라이트 - 트래핑보다 경쟁력 있도록 개선되어야합니다. 둘째, 두 세포 인터페이스는 평면과 평행하게 유지하면 빛의 상당한 분율은 내부이며 specularly 확산 반사판이나 nanoparticles 중으로 흩어져되지 않고 세포 (SI / 유리 또는시 / MgF 두 인터페이스에서 ~ 17 %) 이내에 반영. 이것은 세포 반사 스펙트럼 또는 미만성 또는 plasmonic 반사경을 평면 세포의 EQE 곡선의 간섭 변두리의 면전에서 자신을 승객 명단. 덜 산란 적은 가벼운 트래핑 따라서 적은 전류 향상을 의미합니다. F의 예제 EQE 곡선과 같이 비 병렬 인터페이스에서 반사되는 동안 불빛이 잘 흩어져있다 질감 세포는 간섭 변두리이 없습니다IG. 2.
plasmonic nanoparticles뿐만 아니라 확산 반사판처럼 태양 전지의 후면에 적용된 기타 수단으로하여 photocurrent 향상을 고려하면 높은 절대적인 전류를 달성하는 이상 현재의 향상을 보여주 사이에 트레이드 오프를 기억하는 것이 중요합니다. 얇은 디바이스 자체는 표 1, 22.3 대 25.7 mA / cm 2의 2 μm의 3 μm의 두께 세포에 대한 결과가 보여준대로 상당히 낮은 전류 동안 높은 전류 향상을 보여주는, 라이트 - 트래핑으로부터 더 많은 혜택을 누릴 수 있습니다. 마찬가지로, 가난한 짧은 파장 ( "파란색") 응답 (5에서 설명한 것과 같은)과 세포가 좋은와 세포보다 긴 파장 ( "적색") 반응에 중요한지, 라이트 - 트래핑에서 상대적으로 높은 개선도 푸른 응답하지만, 후자는 분명히 높은 절대적인 현재와 따라서 더 나은 전체 성능을 가질 수 있습니다. photovoltaics의 주요 목표는 더 나은 performi 만들기되면서NG 태양 전지는 환경 설정이 높은 절대적인 전류가 아닌 이상 현재의 강화로 이어지는 가벼운 트래핑 방법을 제공해야한다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
Acknowledgments
이 연구 프로젝트가 CSG 솔라 Pty. 공사 징 라오와 연동 보조금을 통해 오스트 레일 리아 연구위원회가 지원하는 것은 뉴사우스 웨일즈 대학 부총장 박사 과정 이수의 원정 그녀의 대학 인정한다. SEM 이미지는 뉴사우스 웨일즈 대학의 전자 현미경 단위에서 제공하는 장비를 사용하여 공원을 Jongsung에게 납치되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silver granular | Sigma-Aldrich | 303372 | 99.99% |
| MgF2, random crystals, optical grade | Sigma-Aldrich | 378836 | >=99.99% |
| Dulux one-coat ceiling paint | Dulux | R>90% (500-1100 nm) |
References
- Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).
- Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass. Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).
- Kunz, O., Ouyang, Z. 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).
- Van Nieuwenhuysen, K., Payo, M. R. Epitaxially grown emitters for thin film silicon solar cells result in 16% efficiency. Thin Solid Films. 518, S80-S82 (2008).
- Lee, B. G., Stradin, P. Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 064101 (2011).
- Catchpole, K. R., Polman, A.
- Ouyang, Z., Zhao, X. Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).
- Catchpole, K. R., Polman, A. Design principle for particle plasmon enhanced solar cells. Appl. Phys. Lett. 93, 191113 (2008).
- Beck, F. J., Mokkapati, S., Polman, A., Catchpole, K. R. Asymmetry in photocurrent enhancement by plasmonic nanoparticle arrays located on the front or on the rear of solar cells. Appl. Phys. Lett. 96, 033113 (2008).
- Beck, F. J., Verhagen, E. Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates. Optics Express. 19, 146-156 (2010).
- Kunz, O., Ouyang, Z., al, at 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells. Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).
- 10% Efficient CSG minimodules. Keevers, M. J., Young, T. L. Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy, , 1783-1790 (2007).
