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Engineering

Polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mit Plasmonische-enhanced Light-Trapping

Published: July 2, 2012 doi: 10.3791/4092
Automatic Translation
1, 1, 1
1School of Photovoltaics, University of New South Wales

Summary

Polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen auf Glas werden durch Ablagerung von Bor und Phosphor dotierten Silizium-Schichten durch Kristallisation, Defekt Passivierung und Metallisierung gefolgt hergestellt. Plasmonische Licht-Trapping wird durch Bildung Ag-Nanopartikel auf dem Silizium-Zelloberfläche mit einer diffusen Reflektor was zu ~ 45% Fotostrom Enhancement begrenzt eingeführt.

Protocol

1. Herstellung von polykristallinen Silizium-Solarzellen (Animation 3)

  1. Silicon Filmabscheidung
    1. Bereiten Sie die Elektronenstrahlverdampfung Werkzeug gebacken wird bei ~ 100 ° C über Nacht, um die Basis Druck von <3E-8 Torr erreichen. Speichern Sie die Probe auf die Heizung 150 ° C Standby-Temperatur.
    2. Verwendung eines Substrats aus 5x5 cm 2 (oder 10 x 10 cm 2) Substratspezifität Borosilikatglas (Schott Borofloat33), 1,1 oder 3,3 mm dick, beschichtet mit ~ 80 nm Siliziumnitrid (hergestellt durch PECVD aus N 2 und SiH 4-Gemisch) hergestellt.
    3. Blasen Sie die Oberfläche des Substrats mit trockenem Stickstoff, um Staub zu entfernen und ihn in einen Probenhalter. Entlüften Sie die Schleusen, laden Sie die Probe, pumpen die Schleuse bis auf den Druck <1E5 Torr, und übertragen Sie die Probe in die Hauptkammer. Starten Sie die Heizung auf den Sollwert von 250 ° C Pumpe für etwa 20 min, wenn der Druck 8E-8 Torr oder weniger.
    4. Überprüfen Sie, dass die DotierungQuelle und das Siliciumquellengas Verschlüsse davon geschlossen sind. Preset Dotierstoffquelle Temperaturen in den Standby-Temperaturen, dh die Phosphorquelle bei 700 ° C und Borquelle Temperatur bei 1250 ° C Sie E-Pistole und Schmelze Silizium in einem Tiegel durch langsames Erhöhen der E-Pistolenstrom.
    5. Wenn die gewünschte Stromstärke erreicht (der letzten Kalibrierung: dieser Strom abhängig von der E-Pistole und die Si-Quelle variieren) zu verdampfen Siliziumschichten mit der erforderlichen Konzentration von P und B dotiert: 35 nm Emitter an 1E20 cm -3 P ; 2 ~ 3 um Absorber bei 5E15 cm -3 der B; 100 nm Back-Surface-Field (BSF) am 4E19 cm -3 von B. Die genauen Dotierstoffkonzentrationen werden durch die Zusammenführung bestimmter Si Abscheideraten erzielt werden, wie von Quartz Crystal-Monitor gemessen (QCM), die mit bestimmten Dotierstoffquelle Temperaturen, unter Verwendung von SIMS Kalibrierung Beziehungen etabliert.
    6. Nach dem Verdunsten geschieht das Heizgerät ausschalten, abkühlen lassen die Probe für ~ 10 min. Transfer der Probe auf den Beladungsschleusenkammer, schließt das Gate-Ventil hat, den Ladesperre und Entladen der Probe mit dem Siliziumfilm.
  2. Kristallisation von Silizium
    Wenn die Probe 10x10 cm 2, kann es in vier 5x5 cm 2 Zellgröße Stücke geschnitten werden, bevor die Kristallisation. Legen Sie eine abgeschiedene Silizium auf Glas (Si-Film oben) auf einem Halter von aufgerauten und Siliziumnitrid beschichtet Schott Glas Robax (zu kleben) gemacht. Laden in einen mit Stickstoff gespülten Ofen vorgewärmt auf 200-300 ° C Rampe auf die Temperatur bis zu 600 ° C bei 3 bis 5 ° C / min und 30 h Tempern. Drehen des Ofens Heizung und Ofen abkühlen lassen natürlich auf ~ 200 ° C (2 ~ 3 Stunden) vor der Entlastung der Probe. Die Probe kann eine konkave Form durch das Silicium Schrumpfung während der Kristallisation. Es wird während der folgenden Rapid Thermal Processing zu glätten.
  3. Dotandenaktivierung und Defektausheilung (RTA)
    Die Proben mit der kristallisierte Film auf einem Halter aus pyrolytischem Graphit und I aufoad einem schnellen thermischen Prozessor mit Argon gespült. Rampe die Temperatur bis 600 ° C bei 1 ° C / s, dann bis zu 1000 ° C bei 20 ° C / s, 1 min dann kühl halten Sie natürlich auf ~ 100 ° C und entladen.
  4. Oberflächenoxid Entfernung
    Unmittelbar vor der Hydrierung das Oberflächenoxid auf Siliziumfilm bei der Kristallisation und RTA ausgebildet entfernt werden, um sicherzustellen, dass die blanken Silizium Folienoberfläche Wasserstoff ausgesetzt werden. Tauchen Sie den geglühten Probe in 5% HF-Lösung, bis der Silizium-Oberfläche verwandelt hydrophoben (30 ~ 100 s). Spülen mit VE-Wasser und trocknen Sie mit einem Stickstoff-Pistole.
  5. Defect Passivierung
    Laden der Probe in eine Vakuumkammer mit dem Remote-Wasserstoff-Plasma-Quelle ausgestattet. Pumpe bis <1E-4 Torr, erwärmen sich die Probe bis zu ~ 620 ° C, auf der Argon / Wasserstoff-Gemisch fließen drehen (50:150 sccm), Ansprechdruck 50-100 mTorr, starten Sie den Plasma-Quelle bei 3,5 kW die Mikrowellenleistung und den Prozess für ~ 10 min. Drehen Sie die Heizung aus, während maintaligt ist, das Plasma für weitere 10-15 min, bis die Temperatur fällt unter 350 ° C, bevor das Plasma aus und Stoppen der Gasströmung. Entlasten Sie die Probe, wenn die Temperatur unter 200 ° C
  6. Zell-Metallisierung
    Handy Metallisierung in einer Reihe von aufeinanderfolgenden photolithographische Strukturierung, Al-Film Deposition und Ätzschritte, die im Detail in 11 beschrieben durchgeführt. Der letzte Zelle sieht aus wie in der letzten Folie of Animation 3 dargestellt. Eine Nahaufnahme des metallisierten Zelle ist in Abb. 1 dargestellt.
  7. Messen Sie EQE der metallisierte Zelle.

2. Die Herstellung der Nanopartikel Plasmonische Ag (Animation 4)

  1. Brennen der metallisierte Zelloberfläche mit trockenem Stickstoff zur Entfernung von Staub und Laden der Probe in einem thermischen Verdampfer mit einem W Boot mit Ag Granulat (0,3-0,5 g) gefüllt. Abpumpen der Verdampferkammer mit der Basis Druck von 2 ~ 3E-5 Torr. QCM Programm mit Parametern für Ag: Dichte 10,50und Z-Verhältnis 0,529.
  2. Stellen Sie sicher, dass die Probe Shutter geschlossen ist, drehen Sie das W Heizung für Boote auf und erhöhen den Strom langsam genug, um Druckanstieg über 8E-5 Torr zu vermeiden, bis Ag Granulat schmelzen (wie über eine Sicht-Port beobachtet). Nach dem Druck stabilisiert den Strom auf den eingestellten Punkt entsprechend der Ag Abscheidungsrate von 0,1-0,2 Å / s (ab Kalibrierung) eingestellt und öffnen Sie den Auslöser, um die Abscheidung zu starten.
  3. Überwachen Sie den wachsenden Ag Schichtdicke mittels QCM und schließen Sie den Auslöser, wenn die Dicke von 14 nm erreicht wird. Lassen Sie das Boot W abkühlen für ca. 15 min, entlasten Sie die Probe. Der Film sollte geglüht werden, um Nanopartikel, sobald nach der Abscheidung zu bilden, wie möglich, Ag Oxidation zu vermeiden.
  4. Eine Zelle mit einer frisch abgeschiedenen Ag-Film wird in einen mit Stickstoff gespülten Ofen vorgewärmt auf 230 ° C von 0,1 bis 0,2, für 50 Minuten geglüht platziert und dann entladen. Beachten Sie die Änderung im Aussehen der Oberfläche durch Nanopartikel. Rasterelektronenmikroskopie Bild von Ag-Nanopartikeln ist shown in Abb. 2.
  5. Messen EEP der Zelle mit der Nanopartikel-Array.

3. Die Herstellung der Rückreflektor

Der hintere Reflektor besteht aus ~ 300 nm dicken MgF 2 (RI 1,38) dielektrische Verkleidung mit einem Mantel von einem kommerziellen weißen Deckenfarbe (Dulux).

  1. Vor Herstellung der Rückreflektor die Zell-Kontakte sind durch Aufbringen einer schwarzen Marker-Tinte auf sie zu schützen, die es erlaubt Aussetzen der Kontakte unter dem dielektrischen mit einem Lift-Off-Prozess.
  2. Verwenden Sie Stickstoff-Pistole, die Probe mit NP-Array und bemalt Kontakte zum Entfernen von Staub zu blasen. Verwenden Sie bescheiden Stickstoffdruck und Bewegung achten, dass die Nanopartikel wegblasen. Legen Sie die Probe in die thermische Verdampfer mit einer W Boot mit MgF 2 Stück gefüllt. Abpumpen des Verdampfers auf Druck von 2 ~ 3E-5 Torr. Stellen Sie QCM Parameter für MgF 2: Dichte 3,05 und Z-Verhältnis 0,637.
  3. Stellen Sie sicher, dass die Probe Shutter geschlossen ist, auf dem Boot Heizung ein und erhöhen Sie langsam den Strom auf übermäßigen Druckanstieg zu vermeiden, bis MgF 2 schmilzt wie über eine Sicht-Port gesehen. Nachdem der Druck stabilisiert den Strom auf den eingestellten Punkt entsprechend den MgF 2 Abscheiderate von 0,3 nm / s eingestellt und öffnen Sie die Beispieldatenbank Verschlusszeit.
  4. Überwachen Sie die abgeschiedene Dicke mit QCM und schließen Sie den Auslöser, wenn 300 nm erreicht wird.
  5. Schalten Sie die Heizung ab. Lassen Sie das Boot W abkühlen lassen für ca. 15 min, entlasten Sie die Probe. Beachten Sie die Änderung in der Zelle mit dem Erscheinungsbild MgF 2 Mantel.
  6. Um die Farbe Maske aus den Zell-Kontakte entfernen Tauchen Sie die Zelle mit dem dielektrischen Verkleidung in Aceton. Warten Sie, bis das Dielektrikum über der Tinte beginnt Rissbildung und Abheben. Halten der Zelle in Aceton, bis die gesamte Tinte mit der dielektrischen wird entfernt und die Metallkontakte vollständig aufgedeckt. Entfernen Sie die Probe aus Aceton, mit frischem Aceton spülen und trocknen mit Stickstoff Pistole.
  7. Tragen Sie eine Schicht einweiße Farbe (Dulux One-Coat Deckenfarbe) mit einem feinen Pinsel auf die gesamte Zelloberfläche sorgfältig vermeidet die Metallkontakte. Der Anstrich muss dick genug sein, um völlig undurchsichtig (~> 0,5 mm) sein, so dass kein Licht zu sehen ist, wenn man durch die bemalte Zelle an der hellen Lichtquelle werden. Lassen Sie malen trocken für einen Tag.
  8. Messen Sie EQE der Zelle mit der weißen Farbe Rückstrahler.

4. Repräsentative Ergebnisse

Die Solarzelle Kurzschluss-Strom wird durch Integration der EQE Kurve über den globalen Standard-Sonnenspektrum (Luftmasse 1,5) berechnet. Sowohl der Zelle und ihrer Erweiterung durch lichtabschirmenden auf die Zelle Absorberschicht Dicke ab: der Strom selbst höher ist für dickere Zellen, aber die aktuelle Verstärkung ist höher für schmalere Geräte, siehe Tabelle 1 für die jeweiligen Daten und Animation 5 für EEP Kurven. Die ursprünglichen 2 um dicke Zellen, ohne Licht-Trapping, hAll Jsc bei Schritt 1.7 gemessen.) von ~ 15 mA / cm 2. Nach der Herstellung eines Nanopartikels Array erhöht Jsc bis zu etwa 20 mA / cm 2, was 32% Verbesserung ist. Es ist etwas besser als die verbessernde Wirkung von 25-30% durch die hintere diffusen Reflektor nur. Nach dem Hinzufügen des hinteren diffuser Reflektor auf der MgF 2 Mantel auf die Zelle mit der Plasmonen Nanopartikel Arrays, wird der weitere Jsc auf 22,3 mA / cm 2 erhöht, oder ungefähr 45% Verbesserung. Beachten Sie, dass für die 3 um dicke Zelle alle Ströme höher, bis zu 25,7 mA / cm 2 sind während der relative Verbesserung ist etwas geringer, 42%: Licht-Trapping hat eine relativ größere Wirkung in dünneren Geräten.

Schichtdicke der Zelle: 2 um 3 um
JSC, mA / cm 2 Trong> +% JSC, mA / cm 2 +%
Original-Zelle 15,4 18,1
Hintere diffuser Reflektor (R) 20,1 30,5 21,5 18,8
Nanopartikel (NP) 20,3 31,8 21,9 21,0
NP / MgF 2 / R 22,3 45,3 25,7 42,0

Tabelle 1. Plasmonische Zelle Kurzschluss-Strom und seine Steigerung im Vergleich zur ursprünglichen Zelle.

1
Abbildung 1. Nahaufnahme von Poly-Si-Dünnschicht-Solarzelle mit Metallisierung Gitter.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Abbildung 2. Rasterelektronenmikroskopie Bild von Ag-Nanopartikeln auf dem Silizium-Oberfläche.

Abbildung 3
Abbildung 3. Eine schematische Darstellung eines plasmonischen kristallinen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle (nicht maßstabsgetreu).

Abbildung 4
Abbildung 4 Externe Quanteneffizienz und Kurzschluss-Strom für die polykristallinen Silizium-Dünnschicht-Zellen mit diffusem Reflektor und plasmonischen Nanopartikel: gestrichelten schwarz - original 2 um dicke Zelle ohne Licht-Trapping, Jsc 15,36 mA / cm 2; blau - Zelle. mit diffuser Lack Reflektor, Jsc 20,08 mA / cm 2; rot - Zelle mit Plasmonen Ag-Nanopartikel, Jsc 20,31 mA / cm 2; grün - Zelle mit Nanopartikeln, MgF 2, Farbe und diffuse Reflektor, Jsc 2. Lila - 3 um dicke Zelle (auf 3 mm dickem Glas) mit Nanopartikeln, MgF 2, und diffusen Reflektor, Jsc 25,7 mA / cm 2 (beachten Sie, untere blaue Reaktion durch unbeabsichtigte Unterschiede in den AR-Schichten und den Emitter Dicke). Solid black - 2 um dicke texturierte Zelle durch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (über 3 mm dickem Glas), JSC 26,4 mA / cm 2, zum Vergleich gezeigt vorbereitet.

Animation 1. Klicken Sie hier um Animation zu sehen .

Animation 2. Klicken Sie hier um Animation zu sehen .

Animation 3. Klicken Sie hier um Animation zu sehen.

Animation 4. Klicken Sie hier um Animation zu sehen .

Animation 5. Klicken Sie hier um Animation zu sehen .

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Discussion

Verdampft polykristallinen Silizium-Solarzellen und die lichtstreuenden plasmonischen Nanopartikel sind ideale Partner für Licht-Trapping. Solche Zellen sind planar und können daher nicht auf lichtstreuenden verlassen aus texturierten Oberflächen, noch kann plasmonischen Nanopartikel leicht auf strukturierten Oberflächen gebildet werden. Die Zellen haben nur einen, hinteren Oberfläche mit Silizium direkt ausgesetzt, der zufällig auch der beste Standort für Nanopartikel effektivste Plasmonen Licht streuenden sein. Darüber hinaus ist die einfachste Methode für die Bildung von Nanopartikeln durch thermisches Ausheilen auch am geeignetsten für die Licht-Trapping, weil es in einer zufälligen Anordnung von Nanopartikeln mit einem über Resonanzspitze zwischen 700 und 1000 nm, am wichtigsten für Licht-Trapping in kristallinen Silizium-Dünnschicht- Film-Zellen. Solange funktionale Zellen hergestellt werden, ist die Herstellung der Plasmonen Reflektor relativ einfach und unkompliziert wie in den vorangegangenen Abschnitten beschrieben. Eine mögliche Komplikation ist zu tun, dass die Nano-Partikel nicht nur auf dem Silizium-Zelloberfläche, sondern über die Metallisierung Gittermuster sowie ausgebildet. Er kann führen, und macht manchmal Rangieren führen, wenn die Nanopartikel relativ Flächendeckung ist zu groß oder besonders große Nanopartikel werden übrigens gebildet. Um Zellen zu vermeiden Rangieren die Abdeckung unter 50% und der Vorstufe Filmdicke unter ~ 20 nm gehalten werden, die leicht erreicht wird man bedenkt, dass die Standard-Prozess aus der 14 nm Vorläuferfolie, wie oben beschrieben gehalten werden sollte, führt zu 30-35% Berichterstattung.

Plasmonische Nanopartikel durch sich selbst, mit der ~ 30% Jsc Enhancement, sind ungefähr so effizient wie oder nur geringfügig besser bei Licht streuenden als pigmentierter Farbe diffuse Reflektoren, ~ 25-30%, was am einfachsten zu gelten. Doch während die Licht-Trapping-Leistung der diffusen Reflektoren Farbe kann nicht weiter verbessert werden, müssen die Nanopartikel plasmonischen eine Option, von den diffusen Reflektoren ergänzt platziert behind sie, was zu signifikant höheren Jsc Verbesserung bis zu 45% größer als die durch die Nanopartikel allein. Dieser Photostrom Verbesserung ist die höchste jemals für planare kristalline Si-Dünnschicht-Zellen nachgewiesen, Überschreitung zuletzt 40% Steigerung durch eine hohe RI dielektrische Nanopartikel-Reflektor 5 berichtet. Darüber hinaus, sogar noch höher Photostrom Verbesserung, mehr als 50%, sollte mit einer so hohen RI Nanopartikel diffuser Reflektor, wie in 5 beschrieben, anstelle der kommerzielle weiße Farbe möglich.

Jedoch ist sogar 45% Erhöhung nur etwa die Hälfte von dem, was typischerweise in Poly-Si-Dünnschicht-Zellen Herstellung von PECVD auf gut strukturierte Superstrate, die in Jsc der erzielten Ergebnisse etwa 29 mA / cm 2 (~ 90% Steigerung im Vergleich zu der Verweis planaren Zelle) 12. Es gibt zwei wichtige Gründe für eine deutlich bessere Leistung der Zellen auf strukturierten Superstrate. Erstens, die Reflexion von der texturierten vorderenZelloberfläche ist viel niedriger als von der ebenen Oberfläche wodurch mehr Licht in die Zelle somit mehr Strom erzeugen. Antireflex-Eigenschaften der Plasmonen-Zellen mit dem ebenen Frontfläche müssen verbessert werden, um Plasmonen Licht-Trapping mehr wettbewerbsfähig mit konventioneller Texturierung werden. Zweitens, wenn zwei Zellen Schnittstellen eben und parallel bleiben, ist ein signifikanter Teil des Lichts nach innen und spiegelnd innerhalb der Zelle (~ 17% Si / Glas oder Si / MgF 2-Schnittstelle), ohne durch entweder ein diffuser Reflektor oder Nanopartikel verstreut sind. Dies äußert sich in Gegenwart von Interferenzstreifen in der Zelle Reflexionsspektren oder in Kurven EQE von planaren Zellen mit diffuser oder plasmonischen Reflektoren. Weniger Streuung bedeutet weniger Licht-Trapping, also weniger Strom Verbesserung. Texturierte Zellen, in denen das Licht gut verteilt, während bei nicht-parallele Schnittstellen reflektiert wird keine Interferenzstreifen wie in einem Beispiel EEP Kurve F gezeigtig. 2.

Bei der Betrachtung Photostroms Steigerung durch die Plasmonen-Nanopartikel, sowie durch andere Mittel angewandt, um die Rückseite der Solarzellen, wie diffuse Reflektoren, ist es wichtig, einen Zielkonflikt zwischen Erzielung höherer absolute Ströme oder höher zeigen aktuelle Erweiterung zu erinnern. Dünnere Geräte profitieren mehr von Licht-Trapping, zeigen höhere Strom Enhancement, während der Strom selbst deutlich geringer als durch die Ergebnisse für 2 um und 3 um dicke Zellen in der Tabelle 1, 22,3 vs 25,7 mA / cm 2 nachgewiesen ist. Ähnlich haben die Zellen mit einer schlechten kurzer Wellenlänge ("blau") Reaktion (wie in 5 beschrieben) relativ höheren Steigerung von Licht-Trapping, was wichtig ist, zu längeren Wellenlängen ("rot") Reaktion, als die Zellen mit einem guten blaue Antwort, aber diese kann natürlich eine höhere absolute Strom und damit eine bessere Gesamtleistung. Als ein wesentliches Ziel der Photovoltaik ist die bessere performing Solarzellen, sollte sich die Präferenz auf den lichtabschirmenden Verfahren, die zu höheren absoluten Ströme, die nicht höher aktuellen Verstärkung gegeben werden.

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Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Dieses Forschungsprojekt wird von Australian Research Council durch die Verknüpfung mit Zuschuss CSG Solar Pty Ltd Rao Jing unterstützt erkennt ihr University of NSW Vizekanzler Postdoc-Stipendium. REM-Aufnahmen wurden von Jongsung Park der Verwendung des Geräts durch die Elektronenmikroskopie Unit der University of NSW gefasst hat.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Tags

Physik Ausgabe 65 Materialwissenschaft Photovoltaik Silizium-Dünnschicht-Solarzellen Licht-Trapping- Metall-Nanopartikel Oberflächenplasmonen
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Varlamov, S., Rao, J., Soderstrom,… More

Varlamov, S., Rao, J., Soderstrom, T. Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping. J. Vis. Exp. (65), e4092, doi:10.3791/4092 (2012).

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