Celle in silicio policristallino solari a film sottile con plasmoniche-enhanced Light-trapping

Summary

In silicio policristallino a film sottile celle solari su vetro sono fabbricati dalla deposizione di strati di silicio drogati con boro e fosforo, seguita da cristallizzazione, passivazione difetto e metallizzazione. Plasmonici luce trapping viene introdotto formando nanoparticelle Ag sulla superficie cellulare di silicio ricoperto con un riflettore diffuso conseguente miglioramento fotocorrente ~ 45%.

Protocol

1. Fabbricazione di celle solari in silicio policristallino (animazione 3)

1. Silicon deposizione di film
   1. Preparare la e-beam strumento evaporazione dalla cottura di fuori a ~ 100 ° C per una notte a raggiungere la pressione di base <3E-8 Torr. Preset il riscaldatore campione alla temperatura di 150 ° C standby.
   2. Utilizzare un substrato fatto di 5x5 cm ² (o 10 x10 cm ²⁾ del substrato di vetro borosilicato (Schott Borofloat33), 1,1 o 3,3 mm di spessore, rivestite con ~ 80 nm di nitruro di silicio (preparato PECVD da N ₂ e SiH ₄ miscela).
   3. Suonate la superficie del substrato con azoto secco per rimuovere la polvere, metterla in un porta-campioni. Sfiatare il blocco di carico, caricare il campione, pompare il carico bloccare alla pressione <Torr 1E5, e trasferire il campione alla camera principale. Avviare il riscaldatore al set-point di 250 ° C. Pompa per circa 20 minuti quando la pressione raggiunge 8E-8 Torr o inferiore.
   4. Controllare che il drogantepersiane sorgente di origine e il silicio sono chiuse. Preimpostati sorgenti di temperatura a temperature droganti standby, cioè la temperatura sorgente fosforo a 700 ° C e temperatura boro sorgente a 1250 ° C. Avviare e-gun e si fondono in un crogiolo di silicio aumentando lentamente l'e-gun corrente.
   5. Quando la corrente desiderata (da calibrazione precedente: questa corrente può variare a seconda delle e-gun e le condizioni della sorgente di Si) evaporare strati di silicio drogato con le concentrazioni richieste di P e B: 35 nm emettitore a 1E20 cm ^-3 di P ; 2 ~ 3 assorbitore um a 5E15 ^-3 cm di B; 100 nm back-superficie di campo (BSF) a 4E19 ^-3 cm di B. Le concentrazioni esatte droganti vengono raggiunti da alcuni corrispondenti velocità di deposizione silicio, come misurato da Quarzo Monitor (QCM), con determinate temperature sorgente drogante, usando le relazioni stabilite dalla calibrazione SIMS.
   6. Dopo l'evaporazione è fatto spegnere il riscaldatore, raffreddare il campione per ~ 10 min. Transfer il campione al carico-blocco, chiudere il cancello-valvola, sfiatare il blocco di carico e scarico del campione con il film di silicio.
2. Silicon cristallizzazione
   Se il campione è 10x10 cm ^2, può essere tagliato in quattro pezzi di 5x5 cm ² cellulari dimensioni prima cristallizzazione. Posizionare un film di silicio depositato su vetro (film Si up) su un supporto fatto di ruvida e rivestito di nitruro di silicio Schott ROBAX vetro (per evitare di attaccare). Carica in un forno preriscaldato a azoto purificato 200-300 ° C. Di salita della temperatura fino a 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min e ricottura per 30 h. Girare del riscaldatore forno e lasciate raffreddare naturalmente forno a ~ 200 ° C (2 ~ 3 ore) prima di scaricare il campione. Il campione può avere una forma concava a causa di restringimento silicio durante la cristallizzazione. Esso appiattire durante il seguente trattamento rapido termico.
3. Attivazione del drogante e difetto di ricottura (RTA)
   Porre il campione con il film cristallizzato su un supporto realizzato di grafite pirolitica e load ad un processore rapido termica lavata con argo. La rampa di temperatura fino a 600 ° C a 1 ° C / s, quindi fino a 1000 ° C a 20 ° C / s, premuto per 1 minuto quindi raffreddare naturalmente a ~ 100 ° C e scarico.
4. Superficie di ossido di rimozione
   Immediatamente prima idrogenazione l'ossido formata sulla superficie del film di silicio durante la cristallizzazione e RTA devono essere rimossi per garantire che la nuda superficie della pellicola di silicio è esposto a idrogeno. Immergere il campione ricotto in soluzione al 5% HF fino a quando la superficie del silicio diventa idrorepellente (30 ~ 100 s). Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con una pistola di azoto.
5. Difetto passivazione
   Caricare il campione in una camera a vuoto dotato di sorgente remota plasma di idrogeno. Pompa al di sotto <1E-4 Torr, riscalda il campione fino a ~ 620 ° C, accendere il argon / miscela flusso di idrogeno (50:150 sccm), impostare la pressione 50-100 mTorr, avviare la sorgente del plasma a 3,5 kW di la potenza delle microonde e continuare il processo per ~ 10 min. Spegnere il riscaldatore, mentre maintaesaminando la plasma per un altro 10-15 min fino a quando la temperatura scende al di sotto 350 ° C prima di girare il plasma spento e arrestare il flusso di gas. Scaricare il campione quando la temperatura è inferiore a 200 ° C.
6. Cella metallizzazione
   Metallizzazione cella viene condotta in una serie consecutiva di patterning fotolitografica, deposizione di film di Al e incisione fasi che sono descritti in dettaglio in ^11. La cella finale si presenta come mostrato in l'ultima diapositiva di animazione 3. Una vista ravvicinata della cella metallizzato viene mostrato nella figura 1.
7. Misurare EQE della cella metallizzato.

2. Realizzazione della nanoparticelle plasmoniche Ag (Animazione 4)

1. Suonate la superficie metallizzata cella con azoto secco per rimuovere la polvere e caricare il campione in un evaporatore termico, contenenti una barca W riempito con granuli di Ag (0,3-0,5 g). Pump la camera di evaporatore alla pressione di base 2 ~ 3E-5 Torr. QCM di programma con i parametri per Ag: Densità 10,50e Z rapporto di 0,529.
2. Assicurarsi che l'otturatore campione è chiuso, accendere il riscaldamento della barca W e aumentare lentamente la corrente sufficiente per evitare l'aumento della pressione al di sopra 8E-5 Torr fino granuli Ag sciogliersi (come osservate attraverso una visione-port). Dopo la pressione si stabilizza impostare la corrente fino al punto corrispondente set la velocità di deposizione Ag di 0,1-0,2 Å / s (da calibrazione) e aprire l'otturatore per avviare il processo di deposizione.
3. Monitorare la crescita spessore della pellicola di Ag usando QCM e chiudere l'otturatore quando lo spessore di 14 nm viene raggiunto. Lasciare la barca W raffreddare per circa 15 min, scaricare il campione. Il film deve essere ricotto per formare nanoparticelle appena dopo la deposizione possibile per evitare l'ossidazione Ag.
4. Una cella con una pellicola di Ag appena depositato viene posto in un forno preriscaldato spurgato con azoto gassoso a 230 0,1-0,2 ° C, ricotto per 50 min, e quindi scaricato. Notare la variazione di aspetto superficiale a causa di nanoparticelle. Microscopia a scansione elettronica dell'immagine, di nanoparticelle di Ag è shown in Fig. 2.
5. Misurare EQE della cellula con la matrice delle nanoparticelle.

3. Realizzazione della riflettore posteriore

Il riflettore posteriore è composta da ~ 300 nm di spessore MgF ₂ (RI 1.38) rivestimento dielettrico con una mano di vernice commerciale soffitto bianco (Dulux).

1. Prima di fabbricazione del riflettore posteriore i contatti cellule devono essere protetti applicando un inchiostro nero marcatore su di essi, che permette di esporre i contatti da sotto il dielettrico da un lift-off processo.
2. Utilizzare la pistola di azoto a soffiare il campione con array di NP e contatti dipinte per rimuovere la polvere. Utilizzare modesta pressione di azoto e fare attenzione a non soffiare via le nanoparticelle. Porre il campione nell'evaporatore termico contenente una barca W riempito con MgF ₂ pezzi. Svuotare il evaporatore a pressione di 2 ~ 3E-5 Torr. Impostare i parametri per QCM MgF _2: densità 3,05 e il rapporto Z 0,637.
3. Assicurarsi che il campione shutter è chiuso, accendere il riscaldamento barca e aumentare lentamente la corrente per evitare un eccessivo aumento della pressione fino MgF ₂ si scioglie come si è visto attraverso una visione-port. Dopo la pressione si stabilizza impostare la corrente al set point che corrispondono a ₂ velocità di deposizione MgF di 0,3 nm / s ed aprire l'otturatore campione.
4. Monitorare lo spessore depositato utilizzando QCM e chiudere l'otturatore quando 300 nm viene raggiunto.
5. Spegnere il riscaldatore. Lasciare la barca W raffreddare per circa 15 minuti, scaricare il campione. Notare il cambiamento nell'aspetto cella con la MgF ₂ rivestimento.
6. Per rimuovere la maschera di inchiostro dai contatti cella immergere la cella con il rivestimento dielettrico in acetone. Attendere il dielettrico sopra l'inchiostro inizia cracking e sollevando il piede. Mantenere la cella in acetone finché tutto l'inchiostro con il dielettrico viene rimosso e le contatti metallici sono completamente esposti. Rimuovere il campione dal acetone, risciacquare con acetone fresco e secco con la pistola di azoto.
7. Applicare uno strato di unavernice bianca (Dulux One-Coat vernice soffitto) con un pennello morbido sulla superficie della cellula intera evitando accuratamente i contatti metallici. Lo strato di vernice deve essere sufficientemente spesso per essere completamente opaca (~> 0,5 mm), così che nessuna luce può essere visto guardando attraverso la cella dipinta alla sorgente luminosa. Lasciate asciugare per dipingere un giorno.
8. Misurare EQE della cella con il riflettore posteriore vernice bianca.

4. Risultati rappresentativi

La cella solare corrente di corto circuito si calcola integrando la curva EQE rispetto allo standard dello spettro solare globale (massa d'aria 1,5). Sia la cella corrente e la valorizzazione dovuto alla luce-trapping dipendono dallo spessore dello strato assorbente cella: la stessa corrente è maggiore per le cellule ma più spessi il miglioramento corrente è maggiore per i dispositivi più sottili, vedi Tabella 1 per i rispettivi dati e animazione 5 per EQE curve. Le cellule originali 2 micron di spessore, senza luce-trapping, hAve Jsc misurata a passo 1,7.) di ~ 15 mA / cm ^2. Dopo la fabbricazione di una matrice di nanoparticelle, Jsc aumenta fino a circa 20 mA / cm ^2, che è 32% miglioramento. E 'leggermente migliore rispetto all'effetto miglioramento del 25-30% entro il riflettore posteriore diffusa solo. Dopo aver aggiunto il riflettore posteriore diffusa sul MgF ₂ rivestimento alla cella con la matrice nanoparticelle plasmoniche, il Jsc è ulteriormente aumentato a 22,3 mA / cm ^2, o circa il 45% miglioramento. Si noti che per la cella di 3 micron di spessore tutte le correnti sono più alti, fino a 25,7 mA / cm ^2, mentre il miglioramento relativo è leggermente inferiore, 42%: luce-trapping ha un effetto relativamente maggiore in dispositivi più sottili.

Cella spessore:	2 um		3 pm
	JSC, mA / cm 2	Trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
cella originale	15,4		18,1
Diffusa riflettore posteriore (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanoparticelle (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabella 1. Plasmonici cellula corrente di corto circuito e la sua miglioramento rispetto alla cella originale.

Figura 1. Close-up vista di poli-Si celle solari a film sottile con griglia metallizzazione.

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Figura 2. La microscopia elettronica dell'immagine di nanoparticelle Ag sulla superficie del silicio.

Figura 3. Una vista schematica di un plasmoniche silicio cristallino film sottile cella solare (non in scala).

Figura 4 esterni efficienza quantica e la corrente di corto circuito per il silicio policristallino celle a film sottile con riflettore diffusa e nanoparticelle plasmoniche: tratteggiata-black - originali 2 micron di spessore cella senza luce-trapping, Jsc 15,36 mA / cm ^2; blu - cell. con riflettore vernice diffusa, Jsc 20,08 mA / cm ^2; rosso - cellulare con plasmoniche nanoparticelle Ag, Jsc 20,31 mA / cm ^2; verde - cellulare con nanoparticelle, MgF _2, e riflettore vernice diffusa, Jsc 2. Viola - 3 celle micron di spessore (il 3 mm di vetro di spessore) con nanoparticelle, MgF _2, e riflettore diffusa, Jsc 25,7 mA / cm ² (nota più bassa la risposta blu a causa delle differenze non intenzionali negli strati AR e lo spessore emettitore). Solido bianco - 2 cellula um di spessore testurizzati preparato mediante deposizione di vapore chimico maggiore plasma (il vetro 3 mm di spessore), Jsc 26,4 mA / cm ^2, mostrata per comparazione.

Animazione 1. Clicca qui per vedere Animation .

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Discussion

Evaporati celle solari in silicio policristallino e le light-scattering di nanoparticelle plasmoniche sono partner ideali per la luce-trapping. Tali cellule sono planari, quindi non può contare su light-scattering da superfici strutturate, né può essere facilmente nanoparticelle plasmoniche formato su superfici strutturate. Le cellule hanno una sola, superficie posteriore con il silicio esposto direttamente, il che avviene anche per essere la posizione migliore per la maggior parte delle nanoparticelle plasmoniche efficace di diffusione della luce. Inoltre, il metodo più semplice per la formazione di nanoparticelle di ricottura termica è anche il più adatto per luce cattura perché risulta in una matrice nanoparticella casuale con un picco di risonanza ampio tra 700 e 1000 nm, più importante per la luce-cattura in silicio cristallino sottile celle a film. Finché celle funzionali sono fatti, la fabbricazione del riflettore plasmoniche è relativamente semplice e diretto, come descritto nelle sezioni precedenti. Una possibile complicazione è legato al fatto che il nanosi formano particelle non solo sulla superficie cellulare di silicio, ma il modello di griglia e metallizzazione. Si può portare e che a volte portare a manovre quando la relativa copertura della superficie delle nanoparticelle è troppo grande o particolarmente grandi nanoparticelle sono formate casualmente. Per evitare cella smistamento la copertura deve essere mantenuta al di sotto del 50% e lo spessore del film precursore essere mantenuta al di sotto circa 20 nm, che è facilmente ottenibile considerando che il processo standard del film precursore 14 nm, sopra descritto, i risultati nel 30-35% copertura.

Nanoparticelle plasmoniche da soli, con la valorizzazione ~ 30% Jsc, sono circa più efficienti, o solo leggermente migliore di diffusione della luce di riflettori diffuse vernici pigmentate, ~ 25-30%, che sono i più semplici da applicare. Tuttavia, mentre la luce-trapping prestazioni dei riflettori vernice diffuse non può essere ulteriormente migliorata, le nanoparticelle plasmoniche hanno la possibilità di essere completato dai riflettori diffuse posto behind loro, con conseguente miglioramento Jsc significativamente più elevata, fino al 45%, che da solo le nanoparticelle. Questo miglioramento fotocorrente è la più alta mai dimostrata per planare silicio cristallino celle a film sottile, superando la maggior parte ha recentemente riportato il 40% il miglioramento da un elevato riflettore nanoparticella dielettrica RI ^5. Inoltre, enhancement fotocorrente ancora più elevata, superiore al 50%, dovrebbe essere possibile con un alto riflettore diffuso nanoparticelle RI, come descritto in ^5, al posto della vernice bianca commerciali.

Tuttavia, anche 45% il miglioramento è solo circa la metà di ciò che è di solito realizzato in polisilicio a film sottile fabbricazione cellule PECVD su ben strutturate superstrates, che si traduce in Jsc di circa 29 mA / cm ² (~ miglioramento del 90% rispetto al la cella di riferimento planare) ^12. Ci sono due ragioni principali per le prestazioni molto migliore delle celle superstrates texture. In primo luogo, la riflessione dalla parte anteriore testurizzatosuperficie cellulare è molto inferiore dalla superficie planare conseguente più luce che entra nella cellula generando così più corrente. Proprietà antiriflesso delle cellule plasmoniche con la superficie frontale piana devono essere migliorati per rendere plasmoniche luce-trapping più competitivo con i tradizionali texturing. In secondo luogo, quando due interfacce cellule rimangono planari e parallele, una frazione significativa di luce è internamente e riflessa specularmente all'interno della cellula (~ 17% di Si / o vetro Si / interfaccia MgF ₂₎ senza essere dispersa o da un riflettore diffuso o nanoparticelle. Ciò si manifesta in presenza di frange di interferenza negli spettri di riflessione cella o in curve EQE di cellule planari con riflettori diffusi o plasmonici. Meno dispersione significa meno luce-trapping, miglioramento quindi meno corrente. Celle strutturate in cui la luce è ben disperse mentre viene riflessa non paralleli interfacce non hanno frange di interferenza, come illustrato in una curva esempio EQE in Fig. 2.

Quando si considera enhancement fotocorrente dalle nanoparticelle plasmonici, così come con altri mezzi applicati sul lato posteriore di celle solari, come riflettori diffusi, è importante ricordare un compromesso tra ottenere elevate correnti assoluti o dimostrare miglioramento corrente maggiore. Sottili dispositivi beneficiare più dalla luce-trapping, mostrando maggiore miglioramento corrente, mentre la corrente stessa è notevolmente inferiore come dimostrato dai risultati di 2 um e 3 um di spessore cellule in Tabella 1, 22,3 contro 25,7 mA / cm ^2. Analogamente, le cellule con una lunghezza d'onda corta povero ("blu") Risposta (come quelli descritti in ⁵⁾ hanno miglioramento relativamente elevato dalla luce-trapping, che è importante per lunghezza d'onda ("rosso") di risposta, che le cellule con un buon risposta blu, ma quest'ultimo può ovviamente avere un più alto in assoluto le performance attuali e quindi più totale. Come uno dei principali obiettivi del fotovoltaico sta facendo meglio performing celle solari, la preferenza dovrebbe essere data alla luce metodi di cattura che portano a correnti più elevate assoluto, non di aumento maggiore corrente.

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)