Name: Polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mit Plasmonische-enhanced Light-Trapping (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:03:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Erfahren Sie, wie plasmonische Nanopartikel die Lichtabsorption in polykristallinen Silizium-Dünnschicht-Solarzellen verbessern. Diese Methode steigert den Photostrom um 45 % ohne komplizierte Herstellungsprozesse.

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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.

1. Herstellung von polykristallinen Silizium-Solarzellen (Animation 3) <ol><li> Silicon Filmabscheidung <ol class="lalpha"><li> Bereiten Sie die Elektronenstrahlverdampfung Werkzeug gebacken wird bei ~ 100 ° C über Nacht, um die Basis Druck von &lt;3E-8 Torr erreichen. Speichern Sie die Probe auf die Heizung 150 ° C Standby-Temperatur. </li><li> 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. </li><li> 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 &lt;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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Defect Passivierung Laden der Probe in eine Vakuumkammer mit dem Remote-Wasserstoff-Plasma-Quelle ausgestattet. Pumpe bis &lt;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 </li><li> 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. </li><li> Messen Sie EQE der metallisierte Zelle. </li></ol> 2. Die Herstellung der Nanopartikel Plasmonische Ag (Animation 4) <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Messen EEP der Zelle mit der Nanopartikel-Array. </li></ol> 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). <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Überwachen Sie die abgeschiedene Dicke mit QCM und schließen Sie den Auslöser, wenn 300 nm erreicht wird. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 (~&gt; 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. </li><li> Messen Sie EQE der Zelle mit der weißen Farbe Rückstrahler. </li></ol> 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. <table border="1"><tbody><tr><td> Schichtdicke der Zelle: </td><td colspan="2"> 2 um </td><td colspan="2"> 3 um </td></tr><tr><td></td><td> JSC, mA / cm 2 </td><td><s<html> Trong&gt; +% </td><td> JSC, mA / cm 2 </td><td> +% </td></tr><tr><td> Original-Zelle </td><td> 15,4 </td><td></td><td> 18,1 </td><td></td></tr><tr><td> Hintere diffuser Reflektor (R) </td><td> 20,1 </td><td> 30,5 </td><td> 21,5 </td><td> 18,8 </td></tr><tr><td> Nanopartikel (NP) </td><td> 20,3 </td><td> 31,8 </td><td> 21,9 </td><td> 21,0 </td></tr><tr><td> NP / MgF 2 / R </td><td> 22,3 </td><td> 45,3 </td><td> 25,7 </td><td> 42,0 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Plasmonische Zelle Kurzschluss-Strom und seine Steigerung im Vergleich zur ursprünglichen Zelle. <img alt="1" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig1.jpg" /> Abbildung 1. Nahaufnahme von Poly-Si-Dünnschicht-Solarzelle mit Metallisierung Gitter. / Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg &quot;/&gt; Abbildung 2. Rasterelektronenmikroskopie Bild von Ag-Nanopartikeln auf dem Silizium-Oberfläche. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig3.jpg" /> Abbildung 3. Eine schematische Darstellung eines plasmonischen kristallinen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle (nicht maßstabsgetreu). <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig4.jpg" /> 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 </em&gt; 22,32 mA / cm 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation1.pptx" target="_blank">Klicken Sie hier um Animation zu sehen</a> . Animation 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation2.pptx" target="_blank">Klicken Sie hier um Animation zu sehen</a> . Animation 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation3.pptx" target="_blank">Klicken Sie hier um Animation zu sehen</a>. Animation 4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation4.pptx" target="_blank">Klicken Sie hier um Animation zu sehen</a> . Animation 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation5.pptx" target="_blank">Klicken Sie hier um Animation zu sehen</a> .

<ol><li>Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).</li>
<li>Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shunting+problems+due+to+sub-micron+pinholes+in+evaporated+solid-phase+crystallised+poly-Si+thin-film+solar+cells+on+glass%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovoilt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass.</a> Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).</li>
<li>Kunz, O., Ouyang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5%25+Efficient+evaporated+solid-phase+crystallised+polycrystalline+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells.</a> Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).</li>
<li>Van Nieuwenhuysen, K., Payo, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitaxially+grown+emitters+for+thin+film+silicon+solar+cells+result+in+16%25+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Epitaxially grown emitters for thin film silicon solar cells result in 16% efficiency.</a> Thin Solid Films. 518, S80-S82 (2008).</li>
<li>Lee, B. G., Stradin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-trapping+by+a+dielectric+nanoparticle+back+reflector+in+film+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 99, 064101(2011).</li>
<li>Catchpole, K. R., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Plasmonic solar cells.</a> Optics Express. 16, 21793-21800 (2008).</li>
<li>Ouyang, Z., Zhao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+enhanced+light-trapping+in+thin-film+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells.</a> Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).</li>
<li>Catchpole, K. R., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+principle+for+particle+plasmon+enhanced+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Design principle for particle plasmon enhanced solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 191113(2008).</li>
<li>Beck, F. J., Mokkapati, S., Polman, A., Catchpole, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetry+in+photocurrent+enhancement+by+plasmonic+nanoparticle+arrays+located+on+the+front+or+on+the+rear+of+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Asymmetry in photocurrent enhancement by plasmonic nanoparticle arrays located on the front or on the rear of solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 96, 033113(2008).</li>
<li>Beck, F. J., Verhagen, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant+SPP+modes+supported+bt+discrete+metal+nanoparticles+on+high+index+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates.</a> Optics Express. 19, 146-156 (2010).</li>
<li>Kunz, O., Ouyang, Z., al, at <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5%25+Efficient+evaporated+solid-phase+crystallised+polycrystalline+silicon+thin-film+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt%22%5BJournal%5D)">5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells.</a> Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).</li>
<li>10% Efficient CSG minimodules. Keevers, M. J., Young, T. L. Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy, , 1783-1790 (2007).</li>
</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

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. Darübe...

<table border="1"><tbody><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Silber granulare </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 303372 </td><td> 99,99% </td></tr><tr><td> MgF 2, Random Kristalle, optischer Güte </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 378836 </td><td> &gt; = 99,99% </td></tr><tr><td> Dulux Ein-Schicht-Deckenfarbe </td><td> Dulux </td><td></td><td> R&gt; 90% (500-1100 nm) </td></tr></tbody></table>

polykristalline silizium-dünnschicht-solarzellen mit plasmonische-enhanced light-trapping

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

Einer der wichtigsten Ansätze zur Herstellung kostengünstigerer Solarzellen besteht darin, die Menge an Halbleitermaterial, das für ihre Herstellung verwendet wird, zu verringern und die Zellen dünner zu gestalten. Um die geringere Lichtabsorption auszugleichen, müssen solche physikalisch dünnen Bauelemente eine Lichtfangstruktur enthalten, die ihre optische Dicke erhöht. Die Lichtstreuung an strukturierten Oberflächen ist eine gängige Technik, kann jedoch nicht universell auf alle Solarzellentechnologien angewendet werden. Einige Zellen, beispielsweise solche aus verdampftem Silizium, liegen in planarer Form vor und erfordern daher alternative Lichtfangmethoden, die für planare Bauelemente geeignet sind. Metall-Nanopartikel, die auf der planaren Siliziumzelloberfläche gebildet werden und aufgrund der Oberflächenplasmonenresonanz zur Lichtstreuung fähig sind, stellen einen wirksamen Ansatz dar.
Die Arbeit stellt ein Herstellungsverfahren für verdampfte polykristalline Silizium-Solarzellen mit plasmonischem Lichtfang vor und zeigt, wie sich die Quanteneffizienz der Zelle durch das Vorhandensein von metallischen Nanopartikeln verbessert.
Zur Herstellung der Zellen wird mittels Elektronenstrahlverdampfung ein Film aus abwechselnden, mit Bor und Phosphor dotierten Siliziumschichten auf ein Glas-Substrat aufgebracht. Ein anfänglich amorpher Film wird durch Temperbehandlung kristallisiert und elektronische Defekte durch Wasserstoffpassivierung verringert. Metallische Gitterkontakte werden auf die Schichten entgegengesetzter Polarität aufgebracht, um den von der Zelle erzeugten elektrischen Strom abzugreifen. Typischerweise weist eine solche etwa 2 μm dicke Zelle eine Kurzschlussstromdichte (Jsc) von 14–16 mA/cm2 auf, die durch Anwendung eines einfachen diffusen Rückreflektors aus weißer Farbe auf 17–18 mA/cm2 (~25 % höher) gesteigert werden kann.
Zur Implementierung der plasmonischen Lichtstreuung wird ein Silber-Nanopartikel-Array auf der metallisierten Siliziumoberfläche der Zelle gebildet. Ein Silber-Vorläuferfilm wird durch thermische Verdampfung auf der Zelle abgeschieden und bei 23 °C geglüht, um Silber-Nanopartikel zu bilden. Die Größe und Bedeckung der Nanopartikel, die die plasmonische Lichtstreuung beeinflussen, können durch Anpassung der Dicke des Vorläuferfilms und der Glühbedingungen zur Verbesserung der Zellenleistung optimiert werden. Ein optimiertes Nanopartikel-Array allein führt zu einer Erhöhung des Zellen-Jsc um etwa 28 %, vergleichbar mit der Wirkung eines diffus reflektierenden Rückseitenreflektors. Der Photostrom kann weiter gesteigert werden, indem die Nanopartikel mit einem dielektrischen Material mit niedrigem Brechungsindex wie MgF2 beschichtet und zusätzlich der diffuse Reflektor angewendet wird. Die vollständige plasmonische Zellstruktur besteht aus dem polykristallinen Siliziumfilm, einem Silber-Nanopartikel-Array, einer MgF2-Schicht und einem diffus reflektierenden Rückseitenreflektor. Der Jsc-Wert einer solchen Zelle beträgt 21–23 mA/cm2, bis zu 45 % höher als der Jsc-Wert der ursprünglichen Zelle ohne Lichtstreuung oder etwa 25 % höher als der Jsc-Wert der Zelle mit nur diffus reflektierendem Rückseitenreflektor.
Einleitung
Die Lichtfangung in Silizium-Solarzellen wird üblicherweise durch Lichtstreuung an strukturierten Grenzflächen erreicht. Gestreutes Licht durchläuft die Zelle in schrägen Winkeln über einen längeren Weg, und wenn diese Winkel den kritischen Winkel an den Zellengrenzflächen überschreiten, wird das Licht durch totale innere Reflexion dauerhaft in der Zelle eingefangen (Animation 1: Lichtfangung). Obwohl dieses Prinzip für die meisten Solarzellen gut funktioniert, gibt es neuartige Technologien, bei denen ultradünne Si-Schichten planar hergestellt werden (z. B. Schichttransfertechnologien und epitaktische c-Si-Schichten) 1 oder bei denen solche Schichten nicht mit strukturierten Substraten kompatibel sind (z. B. verdampftes Silizium) 2. Für derart ursprünglich planare Si-Schichten wurden alternative Lichtfangmethoden vorgeschlagen, wie beispielsweise reflektierende diffus streuende Weißlackbeschichtungen 3, Silizium-Plasmabehandlung zur Raustrukturierung 4 oder Reflektoren aus Nanopartikeln mit hohem Brechungsindex 5.
Metall-Nanopartikel können einfallendes Licht aufgrund des Effekts der Oberflächenplasmonenresonanz effektiv in ein Material mit höherem Brechungsindex, wie Silizium, streuen 6. Außerdem lassen sie sich leicht auf der planaren Siliziumzelloberfläche bilden und bieten somit einen alternativen Ansatz zur Lichtfangung anstelle einer Texturierung. Bei einem Nanopartikel, der an der Grenzfläche Luft-Silizium positioniert ist, übersteigt der Anteil des in das Silizium eingekoppelten gestreuten Lichts 95 %, und ein großer Teil dieses Lichts wird unter Winkeln über dem kritischen Winkel gestreut, was nahezu ideale Bedingungen für die Lichtfangung schafft (Animation 2: Plasmonen auf NP). Die Resonanz kann durch Variation der mittleren Partikelgröße, der Oberflächenbedeckung und der lokalen dielektrischen Umgebung in den Wellenlängenbereich abgestimmt werden, der für ein bestimmtes Zellmaterial und eine bestimmte Zellstruktur am wichtigsten ist 6,7. Theoretische Gestaltungsprinzipien für plasmonische Nanopartikel-Solarzellen wurden vorgeschlagen 8. In der Praxis ist ein Silber-Nanopartikel-Array ein idealer Partner zur Lichtfangung in polykristallinen Dünnschicht-Solarzellen, da die meisten dieser Gestaltungsprinzipien von Natur aus erfüllt sind. Die einfachste Methode zur Herstellung von Nanopartikeln – die thermische Annealing-Behandlung eines dünnen Vorläuferfilms aus Silber – führt zu einem zufälligen Array mit einer relativ breiten Größen- und Formverteilung, was sich besonders gut für die Lichtfangung eignet, da ein solches Array einen breiten Resonanzpeak aufweist, der den für die Leistung polykristalliner Silizium-Solarzellen wichtigen Wellenlängenbereich von 700–900 nm abdeckt. Das Nanopartikel-Array kann ausschließlich auf der rückseitigen Oberfläche der polykristallinen Zelle angeordnet werden, wodurch destruktive Interferenz zwischen einfallendem und gestreutem Licht, wie sie bei vorderseitig angeordneten Nanopartikeln auftritt, vermieden wird 9. Darüber hinaus benötigen polykristalline Dünnschicht-Solarzellen keine passivierende Schicht, und die flachen, basisförmigen Nanopartikel, die sich natürlich bei der thermischen Behandlung eines Metallfilms bilden, können direkt auf das Silizium aufgebracht werden, was die Effizienz der plasmonischen Streuung aufgrund der Oberflächenplasmon-Polariton-Resonanz weiter erhöht 10.
Die Zelle mit dem oben beschriebenen plasmonischen Nanopartikel-Array kann einen Photostrom aufweisen, der etwa 28 % höher ist als der der ursprünglichen Zelle. Dennoch lässt das Array einen erheblichen Anteil an Licht durch, das durch die Rückseite der Zelle entweicht und nicht zum Strom beiträgt. Dieser Verlust kann durch Hinzufügen eines rückseitigen Reflektors verringert werden, der das durchgelassene Licht auffängt und zurück in die Zelle lenkt. Durch ausreichenden Abstand zwischen dem Reflektor und den Nanopartikeln (einige hundert Nanometer) erfährt das reflektierte Licht beim erneuten Durchtritt durch das Nanopartikel-Array einen weiteren plasmonischen Streuvorgang, und der Reflektor selbst kann diffus ausgeführt sein – beide Effekte begünstigen die Lichtstreuung und damit die Lichtfangwirkung zusätzlich. Wichtig ist, dass die Ag-Nanopartikel gegenüber dem rückseitigen Reflektor mit einem inerten Dielektrikum mit niedrigem Brechungsindex, wie MgF2 oder SiO2, umhüllt werden müssen, um mechanische und chemische Schäden zu vermeiden7. Ein niedriger Brechungsindex dieser Umhüllungsschicht ist erforderlich, um einen hohen Kopplungsanteil in Silizium und größere Streuwinkel aufrechtzuerhalten, die durch den hohen optischen Kontrast zwischen den Medien auf beiden Seiten des Nanopartikels, Silizium und Dielektrikum, gewährleistet werden6. Der Photostrom der plasmonischen Zelle mit diffus rückseitigem Reflektor kann bis zu 45 % höher sein als der der ursprünglichen Zelle oder bis zu 25 % höher als der einer vergleichbaren Zelle mit nur diffusen Reflektor.

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.

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

Einer der wichtigsten Ansätze zur Kostensenkung von Solarzellen besteht darin, die Menge des für ihre Herstellung verwendeten Halbleitermaterials zu reduzieren und die Zellen dünner zu gestalten. Um ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, zu demonstrieren, wie die Lichtstreuung durch plasmonische Nanopartikel die Lichtfangwirkung in Dünnschichtsolarzellen verbessert und deren Leistung steigert. Dies wird erreicht, indem ein Silber-Vorläuferfilm auf die rückwärtige Oberfläche der Dünnschichtsolarzelle aufgebracht und anschließend geglüht wird, um ein zufällig angeordnetes Silber-Nanopartikel-Array zur Lichtstreuung herzustellen. Im zweiten Schritt wird die Solarzelle mit einem Nanopartikel-Array mit einer dielektrischen Schicht aus Magnesiumfluorid beschichtet, gefolgt von weißer Farbe, um einen diffus reflektierenden Rückseitenreflektor hinzuzufügen, der das durch das Nanopartikel-Array transmittierte Licht auffängt. Um den Photostrom der Zelle weiter zu erhöhen, wird das in die Solarzelle eintretende Licht, das beim ersten Durchgang nicht absorbiert wird, sowohl durch das Nanopartikel-Array als auch durch den rückseitigen diffusen Reflektor unter schrägen Winkeln zurück in die Zelle gestreut, wodurch die optische Zellendicke vergrößert und somit die Lichtabsorption verbessert wird. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kurzschlussstrom der Solarzelle in Gegenwart des plasmonischen, lichtstreuenden Reflektors um 45 % ansteigt.Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zu herkömmlichen Lichtfangverfahren auf der Basis von Strukturierung besteht darin, dass sie auf planare und vollständig hergestellte Bauelemente angewendet werden kann, wodurch unmögliche Komplikationen aufgrund von strukturbedingten Defekten oder Inkompatibilitäten mit den Herstellungsprozessen der Bauelemente vermieden werden. Obwohl diese Methode auf kristalline Silizium-Solarzellen angewendet wird, kann sie auch auf andere Arten von Solarzellen und optoelektronischen Bauelementen zur Leistungssteigerung übertragen werden, wie beispielsweise amorphe Silizium- und Dünnschichtzellen, organische Solarzellen und sogar Leuchtdioden. Beginnen Sie dieses Protokoll mit der Herstellung von polykristallinen Silizium-Solarzellen, wie im schriftlichen Protokoll beschrieben, das diesem Video beiliegt.Diese Nahansicht einer resultierenden Zelle aus dem zweiwöchigen Herstellungsprozess zeigt die Siliziumoberfläche der Zelle zwischen dem Metallisierungsmuster, an der Silizium-Nanopartikel gebildet werden. Blasen Sie die metallisierte Zelloberfläche mit trockenem Stickstoff ab, um Staub zu entfernen, und laden Sie die Probe in einen thermischen Verdampfer, der ein Wolframboot enthält, das mit 0,3 bis 0,5 Gramm Silbergranulat gefüllt ist. Pumpen Sie die Verdampferkammer auf einen Basisdruck von zwei bis drei mal zehn hoch minus fünf Torr herunter. Nächster Programmschritt.Der Quarz-Kristall-Monitor, abgekürzt QCM, mit Parametern für Silber. Stellen Sie sicher, dass die Probenblende geschlossen ist, und schalten Sie die Wolframboot-Heizung ein. Erhöhen Sie den Strom langsam genug, um einen Druckanstieg über acht mal 10 hoch minus fünf Torr hinaus zu vermeiden, bis die Silberkügelchen, wie durch ein Sichtfenster beobachtet, schmelzen. 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 entscheidender Aspekt bei der Herstellung eines Plus-Mono-Reflektors ist die präzise Steuerung der Silberschichtdicke und der Kniebedingungen. Um die leistungsfähigsten Nanopartikelanordnungen zu bilden.Überwachen Sie die Dicke des wachsenden Silberfilms mit QCM und schließen Sie den Verschluss, wenn eine Dicke von 14 Nanometern erreicht ist. Lassen Sie das Wolframboot etwa 15 Minuten abkühlen und entladen Sie dann die Probe. Die Zelle mit dem frisch abgeschiedenen Silberfilm wird in einen mit Stickstoff gespülten Ofen gegeben, der auf 230 Grad Celsius vorgeheizt ist, und 50 Minuten lang geglüht. Nach dem Glühen ist eine Veränderung des Oberflächenaussehens aufgrund der Anwesenheit von Nanopartikeln erkennbar. Der rückseitige Reflektor besteht aus einer etwa 300 Nanometer dicken dielektrischen Deckschicht aus Magnesiumfluorid mit einer Beschichtung aus handelsüblicher weißer Deckfarbe.Bevor der Hinterreflektor hergestellt wird, schützen Sie die Zellenkontakte, indem Sie schwarze Markertinte auf diese auftragen. Dies ermöglicht die Freilegung der Kontakte unter dem Dielektrikum durch einen Abhebevorgang. Verwenden Sie eine Stickstoffpistole, um den Nanopartikel-Array und die lackierten Kontakte abzublasen und Staub zu entfernen.Verwenden Sie einen mäßigen Stickstoffdruck, um schwach haftende Nanopartikel nicht zu entfernen. Geben Sie die Probe in den thermischen Verdampfer, der ein Wolframboot mit Magnesium enthält. Fluoridstücke.Pumpen Sie den Verdampfer auf einen Druck von zwei bis drei mal 10 hoch minus fünf Torr herunter. QCM-Parameter für Magnesiumfluorid einstellen, sicherstellen, dass die Probenblende geschlossen ist, und das Boot einschalten. Die Heizstromzufuhr langsam erhöhen, um eine übermäßige Druckerhöhung zu vermeiden, bis das Magnesiumfluorid schmilzt, wie durch ein Sichtfenster zu erkennen ist.Nachdem sich der Druck stabilisiert hat, stellen Sie den Strom auf den Sollwert ein, der der Abscheidungsrate von Magnesiumfluorid von 0,3 Nanometern pro Sekunde entspricht, und öffnen Sie den Probenverschluss. Überwachen Sie die abgeschiedene Schichtdicke mithilfe der QCM und schließen Sie den Verschluss, wenn eine Dicke von 300 Nanometern erreicht ist. Schalten Sie die Heizung aus, nachdem die Wolframwanne etwa 15 Minuten abgekühlt ist, und nehmen Sie die Probe heraus. Achten Sie auf die Veränderung des Zellaussehens durch die Magnesiumfluorid-Deckschicht.Um die Tintenmaske von den Zellenkontakten zu entfernen, tauchen Sie die Zelle mit der dielektrischen Umhüllung in Aceton ein. Warten Sie, bis das Dielektrikum über der Tinte zu reißen und abzulösen beginnt. Belassen Sie die Zelle so lange in Aceton, bis die gesamte Tinte zusammen mit dem Dielektrikum entfernt ist und die Metallkontakte vollständig freigelegt sind.Entfernen Sie die Probe aus Aceton. Versuchen Sie es mit einer Stickstoffpistole. Tragen Sie mit einem feinen, weichen Pinsel eine Schicht weißer Farbe auf die gesamte Zelloberfläche auf.Die Farbschicht muss – unter sorgfältiger Vermeidung der Metallkontakte – so dick aufgetragen werden, dass sie vollständig undurchsichtig ist und kein Licht durchscheint, wenn man die bemalte Zelle gegen eine helle Lichtquelle hält; anschließend sollte die Farbe einen Tag lang trocknen. Der Kurzschlussstrom der Solarzelle wird durch Integration der externen Quanteneffizienz- oder EQE-Kurve über das standardisierte globale Sonnenspektrum berechnet. Sowohl der Zellstrom als auch dessen Verstärkung aufgrund von Lichtfang hängen von der Dicke der Absorberschicht der Zelle ab.Der Strom selbst ist bei dickeren Zellen höher, aber die Stromsteigerung ist bei dünneren Bauelementen größer. Die ursprünglichen zwei Mikrometer dicken Zellen ohne Lichtfang weisen eine Kurzschluss-Stromdichte von etwa 15 Milliampere pro Quadratzentimeter bei diffuser Rückreflexion auf. Der Strom kann nach der Herstellung eines Nanopartikel-Arrays auf der rückseitigen Zelloberfläche etwa 20 Milliampere pro Quadratzentimeter betragen oder um 25 bis 31 % höher liegen.Die Kurzschlussstromdichte steigt um bis zu etwa 20 Milliampere pro Quadratzentimeter an, was einer Steigerung um 32 % entspricht und leicht über der Verbesserungswirkung des diffusen Rückreflektors liegt. Erst durch die zusätzliche Anbringung des diffusen Rückreflektors auf der Magnesiumfluorid-Beschichtung an der Zelle mit dem plasmonischen Nanopartikel-Array erhöht sich die Kurzschlussstromdichte weiter auf 22,3 Milliampere pro Quadratzentimeter bzw. um etwa 45 %. Beachten Sie, dass bei der drei Mikrometer dicken Zelle alle Ströme höher sind, bis zu 25,7 Milliampere pro Quadratzentimeter, während die relative Steigerung mit 42 % leicht niedriger ausfällt. Die Lichtfangwirkung hat bei dünneren Bauelementen einen relativ größeren Effekt, sobald sie beherrscht wird.Dieses Verfahren kann innerhalb von vier bis fünf Stunden durchgeführt werden, wenn es ordnungsgemäß ausgeführt wird. Ausgenommen ist die Verbindung mit reflektierender Farbe, die etwa 12 Stunden und Raumtemperatur erfordert. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie eine gute Vorstellung davon haben, wie das plasmonische Ton-Trap-Verfahren für Solarzellen funktioniert.Außerdem sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen plasmonischen Streureflektor auf Solarzellen herstellt, um die Lichtfangwirkung im photoelektrischen Strom der Zelle zu verbessern.

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Forschung

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