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

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, zu zeigen, wie die Lichtstreuung durch plasmonische Nanopartikel den Lichteinfang in Dünnschichtsolarzellen verbessert und deren Leistung verbessert. Dies wird erreicht, indem ein Vorläufer-Silberfilm auf der hinteren Oberfläche der Dünnschicht-Solarzelle abgeschieden und dann gekniet wird, um ein lichtstreuendes zufälliges Silber-Nanopartikel-Array herzustellen. In einem zweiten Schritt wird die Solarzelle mit einem Nanopartikel-Array mit einer dielektrischen Magnesiumfluoridschicht beschichtet, gefolgt von einer weißen Farbe, um einen diffusen Rückstrahler hinzuzufügen, der das durch das Nanopartikel-Array übertragene Licht einfängt. Um den Photostrom der Zelle weiter zu erhöhen, das Licht, das in die Solarzelle eintritt und im ersten Durchgang nicht absorbiert wird, wird sowohl durch das Nanopartikel-Array als auch durch den hinteren diffusen Reflektor in schrägen Winkeln zu den Zellen zurückgestreut, wodurch die optische Zelldicke erhöht und somit die Lichtabsorption verbessert wird. Es werden Ergebnisse erzielt, die zeigen, dass der Kurzschlussstrom der Solarzelle in Gegenwart des plasmonischen Lichtstreureflektors um 45% ansteigt.

Der Hauptvorteil dieser Technik eines herkömmlichen Lichtfallens, der auf Texturierung basiert, besteht darin, dass sie auf planerische und vollständig gefertigte Vorrichtungen angewendet werden kann, wodurch unmögliche Komplikationen aufgrund von texturbezogenen Defekten oder Inkompatibilität mit Bauelementherstellungsprozessen vermieden werden. Obwohl diese Methode auf Zellzellen des kristallinen Siliziumsyndroms angewendet wird, kann sie auch auf andere Arten von Sonnenzellen und optoelektronischen Geräten angewendet werden, um deren Leistung zu verbessern, wie z. B. Amouröse, Silizium- und Mikrom-Filmzellen, organische Sonnenzellen und sogar Leuchtdioden. Beginnen Sie dieses Protokoll mit der Herstellung von polykristallinen Silizium-Solarzellen, wie im schriftlichen Protokoll zu diesem Video beschrieben.

Diese Nahaufnahme einer Zelle, die aus dem zweiwöchigen Herstellungsprozess hervorgegangen ist, zeigt die Siliziumoberfläche der Zelle zwischen dem Metallisierungsmuster, wo Silizium-Nanopartikel gebildet werden. Blasen Sie die metallisierte Zelloberfläche mit trockenem Stickstoff, um Staub zu entfernen, und laden Sie die Probe in einen thermischen Verdampfer, der ein Wolframschiffchen enthält, das mit 0,3 bis 0,5 Gramm Silbergranulat gefüllt ist. Pumpen Sie die Verdampferkammer auf einen Basisdruck von zwei bis drei mal 10 bis minus fünf bis 10 Grad ab.

Der Quarzkristall-Monitor, abgekürzt QCM, mit Parametern für Silber. Stellen Sie sicher, dass der Probenverschluss geschlossen ist, und schalten Sie die Wolframbootheizung ein. Erhöhen Sie den Strom langsam genug, um einen Druckanstieg über acht x 10 auf minus fünf Tor zu vermeiden, bis das Silbergranulat schmilzt, wie durch ein Ansichtsfenster beobachtet. Nachdem sich der Druck stabilisiert hat, stellen Sie den Strom auf den Sollwert ein, der der Silberabscheidungsrate von 0,1 bis 0,2 Ångström pro Sekunde entspricht.

Öffnen Sie den Verschluss, um den Abscheidungsprozess zu starten. Ein kritischer Aspekt bei der Herstellung eines Plus-Mono-Reflektors ist die präzise Kontrolle der Silberfilmdicke und der Kniebedingungen. Um die leistungsstärksten Nanopartikel-Arrays zu bilden.

Überwachen Sie die wachsende Dicke des Silberfilms mit QCM und schließen Sie den Verschluss, wenn eine Dicke von 14 Nanometern erreicht ist, lassen Sie das Wolframschiffchen etwa 15 Minuten abkühlen und entladen Sie dann die Probe. Die Zelle mit einem frisch abgeschiedenen Silberfilm wird in einen auf 230 Grad Celsius vorgeheizten Stickstoffofen gegeben und 50 Minuten lang gekniet. Nach einem Knien ist eine Veränderung des Oberflächenbildes aufgrund des Vorhandenseins von Nanopartikeln erkennbar. Der Rückstrahler besteht aus einer ca. 300 Nanometer dicken dielektrischen Magnesiumfluorid-Verkleidung mit einer Schicht handelsüblicher weißer Deckenfarbe.

Schützen Sie vor der Herstellung des Rückstrahlers die Zellkontakte, indem Sie schwarze Markierungstinte auf sie auftragen. Dadurch können die Kontakte durch einen Liftoff-Vorgang unter dem Dielektrikum freigelegt werden. Verwenden Sie eine Stickstoffpistole, um das Nanopartikel-Array zu blasen, und lackierte Kontakte, um Staub zu entfernen.

Verwenden Sie einen moderaten Stickstoffdruck, um zu vermeiden, dass wöchentlich anhaftende Nanopartikel entfernt werden. Geben Sie die Probe in den thermischen Verdampfer, in dem sich ein mit Magnesium gefülltes Wolframschiffchen befindet. Fluorid-Stücke.

Pumpen Sie den Verdampfer auf einen Druck von zwei bis drei mal 10 bis minus fünf Toren ab. QCM-Parameter für Magnesiumfluorid, stellen Sie sicher, dass der Probenverschluss geschlossen ist, und schalten Sie das Boot ein. Erhöhen Sie langsam den Strom, um einen übermäßigen Druck zu vermeiden, bis das Magnesiumfluorid schmilzt, wie durch ein Sichtfenster zu sehen ist.

Nachdem sich der Druck stabilisiert hat, stellen Sie den Strom auf den Sollwert ein, der der Magnesiumfluorid-Abscheidungsrate von 0,3 Nanometern pro Sekunde entspricht, und öffnen Sie den Probenverschluss. Überwachen Sie die abgeschiedene Dicke mit QCM und schließen Sie den Verschluss, wenn 300 Nanometer erreicht sind, schalten Sie die Heizung aus, nachdem das Wolframschiffchen etwa 15 Minuten lang abgekühlt ist, und entladen Sie die Probe. Beachten Sie die Veränderung des Zellbildes mit der Magnesiumfluorid-Ummantelung.

Um die Tintenmaske von den Zellkontakten zu entfernen, tauchen Sie die Zelle mit der dielektrischen Ummantelung in Aceton. Warten Sie, bis das Dielektrikum über der Tinte zu reißen beginnt und sich abhebt. Halten Sie die Zelle in Aceton, bis die gesamte Tinte mit dem Dielektrikum entfernt ist und die Metallkontakte vollständig freigelegt sind.

Entfernen Sie die Probe aus dem Aceton. Versuchen Sie es mit einer Stickstoffpistole. Tragen Sie eine Schicht weiße Farbe mit einem feinen, weichen Pinsel auf die gesamte Zelloberfläche auf.

sorgfältiger Vermeidung von Metallkontakten muss die Farbschicht dick genug sein, um vollständig undurchsichtig zu sein, damit beim Blick durch die lackierte Zelle auf eine helle Lichtquelle kein Licht zu sehen ist, lassen Sie die Farbe einen Tag lang trocknen. Der Kurzschlussstrom der Solarzelle wird berechnet, indem die externe Quanteneffizienz- oder EQE-Kurve über das globale Standard-Solarspektrum integriert wird. Sowohl der Zellstrom als auch dessen Erhöhung durch Lichteinschluss hängen von der Schichtdicke des Zellabsorbers ab.

Der Strom selbst ist bei dickeren Zellen höher, bei dünneren Geräten jedoch höher. Die originalen, zwei Mikrometer dicken Zellen ohne Lichteinschluss haben eine Kurzschlussstromdichte, die mit einem diffusen Rückstrahler bei etwa 15 Milliampere pro Quadratzentimeter gemessen wird. Der Strom kann etwa 20 Milliampere pro Quadratzentimeter oder 25 bis 31 % höher sein, nachdem ein Nanopartikel-Array auf der hinteren Zelloberfläche hergestellt wurde.

Die Kurzschlussstromdichte steigt auf bis zu etwa 20 Milliampere pro Quadratzentimeter, was einer Verbesserung von 32 % entspricht, etwas besser als der Verstärkungseffekt des diffusen Rückstrahlers. Erst nach dem Hinzufügen des hinteren diffusen Reflektors auf der Magnesiumfluorid-Ummantelung der Zelle mit dem plasmonischen Nanopartikel-Array wird die Kurzschlussstromdichte weiter auf 22,3 Milliampere pro Quadratzentimeter oder eine Verbesserung von etwa 45 % erhöht. Beachten Sie, dass für die drei Mikrometer dicke Zelle alle Ströme bis zu 25,7 Milliampere pro Quadratzentimeter höher sind, während die relative Verbesserung mit 42 % etwas geringer ist.

Dieser Eingriff kann innerhalb von vier bis fünf Stunden durchgeführt werden, wenn er ordnungsgemäß durchgeführt wird. Schließen Sie sich der reflektierenden Farbe an, die etwa 12 Stunden und Raumtemperatur benötigt. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie plasmonisches Tonfangen für Solarzellen funktioniert.

Darüber hinaus sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen plasmonischen Streureflektor auf den Solarzellen herstellt, um den Lichteinfang im Photostrom der Zelle zu verbessern.