Policristalinos de silicio de película delgada de células solares sobre vidrio se fabrican por la deposición de capas de boro y fósforo de silicio dopadas seguido por pasivación defecto de cristalización, y metalización. Plasmónica luz que atrapa se introduce mediante la formación de nanopartículas de Ag en la superficie celular de silicio tapado con un reflector difuso que resulta en la mejora ~ fotocorriente 45%.
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Artículo de método
De silicio policristalino película delgada de células solares con plasmónica mejorada luz que atrapa
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Resumen
Resumen
Uno de los principales enfoques para obtener celdas solares más económicas consiste en reducir la cantidad de material semiconductor utilizado en su fabricación y hacer que las celdas sean más delgadas. Para compensar la menor absorción de luz, estos dispositivos físicamente delgados deben incorporar técnicas de atrapamiento de luz que aumenten su espesor óptico. La dispersión de la luz mediante superficies texturizadas es una técnica común, pero no puede aplicarse universalmente a todas las tecnologías de celdas solares. Algunas celdas, por ejemplo las fabricadas con silicio evaporado, son planas tras su producción y requieren un método alternativo de atrapamiento de luz adecuado para dispositivos planos. La formación de nanopartículas metálicas sobre la superficie plana de la celda de silicio, capaces de dispersar la luz gracias a la resonancia de plasmones superficiales, es un enfoque eficaz.
El artículo presenta un procedimiento de fabricación de celdas solares de silicio policristalino evaporado con captura de luz plasmónica y demuestra cómo mejora la eficiencia cuántica de la celda debido a la presencia de nanopartículas metálicas.
Para fabricar las celdas, se deposita una película compuesta por capas alternativas de silicio dopado con boro y fósforo sobre un sustrato de vidrio mediante evaporación por haz de electrones. Una película inicialmente amorfa se cristaliza y los defectos electrónicos se reducen mediante recocido y pasivación con hidrógeno. Se aplican contactos metálicos en forma de rejilla sobre las capas de polaridad opuesta para extraer la electricidad generada por la celda. Típicamente, una celda de aproximadamente 2 μm de espesor presenta una densidad de corriente de cortocircuito (Jsc) de 14-16 mA/cm2, la cual puede aumentarse hasta 17-18 mA/cm2 (~25 % más alta) tras la aplicación de un reflector trasero difuso sencillo hecho de pintura blanca.
Para implementar el atrapamiento de luz plasmónica, se forma un arreglo de nanopartículas de plata sobre la superficie de silicio metalizada de la celda. Se deposita una película precursora de plata sobre la celda mediante evaporación térmica y se recocida a 23°C para formar nanopartículas de plata. El tamaño y la cobertura de las nanopartículas, que afectan la dispersión de luz plasmónica, pueden ajustarse para mejorar el rendimiento de la celda variando el espesor de la película precursora y las condiciones de recocido. Un arreglo optimizado de nanopartículas por sí solo produce un aumento del Jsc de la celda de aproximadamente el 28%, similar al efecto del reflector difuso. La corriente fotogenerada puede aumentarse aún más recubriendo las nanopartículas con un dieléctrico de bajo índice de refracción, como MgF2, y aplicando el reflector difuso. La estructura completa de la celda plasmónica comprende la película de silicio policristalino, un arreglo de nanopartículas de plata, una capa de MgF2 y un reflector difuso. El Jsc de dicha celda es de 21-23 mA/cm2, hasta un 45% mayor que el Jsc de la celda original sin atrapamiento de luz o aproximadamente un 25% mayor que el Jsc de la celda con solo el reflector difuso.
Introducción
El atrapamiento de luz en celdas solares de silicio se logra comúnmente mediante la dispersión de la luz en interfaces texturizadas. La luz dispersa recorre la celda en ángulos oblicuos, aumentando su recorrido, y cuando dichos ángulos superan el ángulo crítico en las interfaces de la celda, la luz queda permanentemente atrapada dentro de esta por reflexión interna total (Animación 1: Atrapamiento de luz). Aunque este método funciona bien para la mayoría de las celdas solares, existen tecnologías emergentes en las que se producen capas ultrafinas de Si planas (por ejemplo, tecnologías de transferencia de capas y capas de c-Si epitaxiales) 1 o en las que dichas capas no son compatibles con sustratos texturizados (por ejemplo, silicio evaporado) 2. Para estas capas de Si originalmente planas, se han sugerido enfoques alternativos de atrapamiento de luz, tales como reflectores de pintura blanca difusa 3, texturizado de silicio por plasma 4 o reflectores de nanopartículas con alto índice de refracción 5.
Las nanopartículas metálicas pueden dispersar eficazmente la luz incidente hacia un material de mayor índice de refracción, como el silicio, debido al efecto de resonancia de plasmones superficiales 6. Además, pueden formarse fácilmente sobre la superficie plana de una celda de silicio, ofreciendo así un enfoque alternativo de atrapamiento de luz frente al texturizado. Para una nanopartícula situada en la interfaz aire-silicio, la fracción de luz dispersada que se acopla al silicio supera el 95 %, y una gran parte de esa luz se dispersa en ángulos superiores al ángulo crítico, proporcionando condiciones casi ideales de atrapamiento de luz (Animación 2: Plasmones en NP). La resonancia puede sintonizarse en la región de longitud de onda más importante para un material y diseño de celda determinados, al variar el tamaño promedio de la nanopartícula, la cobertura superficial y el entorno dieléctrico local 6,7. Se han propuesto principios teóricos de diseño para celdas solares de nanopartículas plasmónicas 8. En la práctica, una matriz de nanopartículas de Ag es una pareja ideal de atrapamiento de luz para celdas solares de película delgada de silicio policristalino, ya que la mayoría de estos principios de diseño se cumplen naturalmente. La forma más sencilla de formar nanopartículas, mediante recocido térmico de una fina película precursora de Ag, da como resultado una matriz aleatoria con una distribución relativamente amplia de tamaños y formas, lo cual es particularmente adecuado para el atrapamiento de luz, ya que dicha matriz presenta un pico de resonancia amplio, que cubre el rango de longitudes de onda de 700-900 nm, importante para el rendimiento de las celdas solares de silicio policristalino. La matriz de nanopartículas solo puede ubicarse en la superficie trasera de la celda de silicio policristalino, evitando así la interferencia destructiva entre la luz incidente y la luz dispersada, que ocurre cuando las nanopartículas están situadas en la superficie frontal 9. Además, las celdas de película delgada de silicio policristalino no requieren una capa pasivante, y las nanopartículas de forma plana y base achatada (que se forman naturalmente durante el recocido térmico de una película metálica) pueden colocarse directamente sobre el silicio, lo que aumenta aún más la eficiencia de dispersión plasmónica debido a la resonancia de plasmón-polaritón superficial 10.
La celda con la matriz de nanopartículas plasmónicas descrita anteriormente puede tener una fotocorriente aproximadamente un 28 % mayor que la celda original. Sin embargo, la matriz aún transmite una cantidad significativa de luz que escapa por la parte trasera de la celda y no contribuye a la corriente. Esta pérdida puede mitigarse añadiendo un reflector trasero que permita capturar la luz transmitida y redirigirla nuevamente hacia la celda. Al proporcionar una distancia suficiente entre el reflector y las nanopartículas (unos pocos cientos de nanómetros), la luz reflejada experimentará un evento adicional de dispersión plasmónica al pasar nuevamente a través de la matriz de nanopartículas al reingresar a la celda, y el propio reflector puede hacerse difuso; ambos efectos facilitan aún más la dispersión de la luz y, por tanto, el atrapamiento de luz. Es importante que las nanopartículas de Ag estén encapsuladas con un dieléctrico inerte y de bajo índice de refracción, como MgF2 o SiO2, desde el reflector trasero para evitar daños mecánicos y químicos 7. Se requiere un bajo índice de refracción para esta capa de revestimiento con el fin de mantener una fracción de acoplamiento elevada hacia el silicio y ángulos de dispersión más grandes, lo cual está garantizado por el alto contraste óptico entre los medios en ambos lados de la nanopartícula, silicio y dieléctrico 6. La fotocorriente de la celda plasmónica con el reflector trasero difuso puede ser hasta un 45 % mayor que la corriente de la celda original o hasta un 25 % mayor que la corriente de una celda equivalente con solo el reflector difuso.
Protocolo
1. Fabricación de células solares de silicio policristalino (Animación 3)
- Silicio deposición de película
- Preparar la herramienta evaporación por haz de electrones por hornearlo a cabo a ~ 100 ° C durante la noche para llegar a la presión de base de <3E-8 Torr. Preajuste de la muestra del calentador a la temperatura de 150 ° C en espera.
- Utilizar un sustrato hecho de 5x5 cm 2 (o 10 x 10 cm 2) substrato de vidrio de borosilicato (Schott Borofloat33), 1,1 o 3,3 mm de espesor, revestidas con ~ 80 nm de nitruro de silicio (preparado por PECVD a partir de N 2 y la mezcla de SiH 4).
- Restos de la superficie del sustrato con nitrógeno seco para quitar el polvo, ponerlo en un soporte de la muestra. Ventile el bloqueo de carga, la carga de la muestra, la bomba de la carga, bloquear a la presión
- Compruebe que el dopantepersianas de origen y la fuente de silicio están cerrados. Prefijados temperaturas fuente dopantes a temperaturas de espera, es decir, la temperatura de la fuente de fósforo a 700 ° C y temperatura de la fuente de boro a 1250 ° C. Empezar electrónico pistola y se funden en un crisol de silicio aumentando lentamente la corriente de e-pistola.
- Cuando la corriente requerida se alcanza (a partir de calibración previa: esta corriente puede variar dependiendo de la dirección de la pistola y las condiciones de origen silicio) se evaporan con capas de silicio dopado con las concentraciones requeridas de P y B: 35 nm en el emisor 1E20 cm -3 de P ; 2 ~ 3 micras, con absorbedor 5E15 -3 cm de B; 100 nm superficie trasera campo (FBS) al 4E19 -3 cm de B. Las concentraciones exactas de dopado se logran haciendo coincidir ciertas velocidades de deposición de Si, medida por cristal de cuarzo monitor (QCM), con ciertas temperaturas de origen dopantes, con relaciones que se establecen a partir de calibración SIMS.
- Después de la evaporación se hace cambiar el calentador, enfríe la muestra durante ~ 10 minutos. Transfer la muestra a la carga de bloqueo, cierre la puerta de válvula, purgar el bloqueo de carga y descarga de la muestra con la película de silicio.
- Silicio cristalización
Si la muestra es de 10x10 cm 2, se puede cortar en cuatro 5x5 cm 2 piezas de tamaño de células antes de la cristalización. Colocar una película de silicio depositadas sobre vidrio (película de Si arriba) sobre un soporte hecho de rugosa y de nitruro de silicio recubierto de vidrio Schott Robax (para evitar la adherencia). Cargar en un horno purgado con nitrógeno precalentado a 200-300 ° C. Rampa hasta la temperatura hasta 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min y recocido durante 30 horas. Gire a la del calentador de horno y deje enfriar el horno de forma natural a ~ 200 ° C (2 ~ 3 horas) antes de descargar la muestra. La muestra puede tener una forma cóncava debido a la contracción de silicio durante la cristalización. Se aplanan durante el siguiente proceso de cocción rápida. - Activación del dopante y el defecto de recocido (RTA)
Colocar la muestra con la película cristalizó en un soporte de grafito pirolítico y load a un procesador térmico rápido se purgó con argón. Rampa la temperatura hasta 600 ° C a 1 ° C / s, a continuación, hasta 1000 ° C a 20 ° C / s, mantener durante 1 min y después enfriar naturalmente a ~ 100 ° C y descarga. - Superficie eliminación de óxido
Inmediatamente antes de la hidrogenación del óxido de la superficie formada en una película de silicio durante la cristalización y RTA debe ser eliminado para garantizar que la superficie de silicio de película queden expuestos al hidrógeno. Sumergir la muestra recocida en 5% de solución de HF hasta que la superficie de silicio se convierte hidrófobo (30 ~ 100 s). Enjuague con agua desionizada y seque con una pistola de nitrógeno. - Defecto de pasivación
Cargar la muestra en una cámara de vacío equipado con la fuente de plasma de hidrógeno a distancia. De la bomba hasta <1E-4 Torr, calentar la muestra hasta ~ 620 ° C, encender el argón / flujo de la mezcla de hidrógeno (50:150 SCCM), ajustar la presión de 50-100 mTorr, inicie la fuente de plasma de 3,5 kW de la potencia de microondas y continuar el proceso de ~ 10 min. Apague el calentador cuando maintanando el plasma para otro 10-15 minutos hasta que la temperatura cae por debajo de 350 ° C antes de encender el plasma fuera y detener el flujo de gas. Descargue la muestra cuando la temperatura está por debajo de 200 ° C. - Metalización de la célula
Metalización de la célula se lleva a cabo en una serie de patrones consecutivo fotolitográfico, la deposición de película de Al y el grabado pasos que se describen en detalle en 11. El final de células parece se muestra en la última diapositiva de animación en 3. Una vista en primer plano de la celda metalizada se muestra en la figura 1. - Medir EQE de la célula metalizado.
2. La fabricación de la plasmónica nanopartículas de Ag (Animación 4)
- Blow la superficie celular metalizado con nitrógeno seco para eliminar el polvo y cargar la muestra en un evaporador de cocción que contienen un barco W llena con gránulos de Ag (0.3-0.5 g). La bomba abajo de la cámara del evaporador a la presión de base de 2 ~ 3E-5 Torr. Programa QCM con parámetros para Ag: Densidad 10,50y Z proporción 0,529.
- Asegúrese de que el obturador de la muestra está cerrada, apague el calentador barco de W y el aumento de la corriente lo suficientemente lento para evitar que suba la presión por encima de 8E-5 Torr hasta que los gránulos Ag fusión (como se observa a través de un punto de vista de un puerto). Después de la presión se estabiliza ajustar la corriente al punto de referencia que corresponde la tasa de deposición de Ag de 0,1-0,2 Å / s (de calibración) y abrir el obturador para iniciar el proceso de deposición.
- Vigilar la creciente espesor Ag película usando QCM y cerrar el obturador cuando el espesor de 14 nm se alcanza. Deje que el barco de W se enfríe durante unos 15 minutos, descargar la muestra. La película debe ser recocido para formar nanopartículas tan pronto como sea posible después de la deposición para evitar la oxidación de Ag.
- Una célula con un recién depositado película de Ag se coloca en un horno purgado con nitrógeno precalentado a 230 ° C 0.1 hasta 0.2, recocido durante 50 minutos, y luego descargado. Tenga en cuenta el cambio en la apariencia de la superficie debido a las nanopartículas. Escaneado de imágenes de microscopía electrónica de las nanopartículas de Ag es shown en la figura. 2.
- Mida EQE de la célula con la matriz de las nanopartículas.
3. La fabricación del reflector trasero
El reflector trasero consta de ~ 300 nm de espesor MgF2 (IR 1,38) revestimiento con una capa dieléctrica de una pintura del techo blanco comercial (Dulux).
- Antes de fabricar la parte trasera del reflector los contactos de células tienen que ser protegidos mediante la aplicación de una tinta marcador negro sobre ellos, que permite la exposición de los contactos de bajo el dieléctrico por un proceso de despegue.
- Use una pistola de nitrógeno para hacer estallar la muestra con la matriz NP y contactos pintadas para quitar el polvo. Use una presión de nitrógeno modesto y tenga cuidado de no soplar las nanopartículas de distancia. Colocar la muestra en el evaporador de cocción que contienen un bote lleno de W MgF2 piezas. La bomba abajo del evaporador a presión de 2 ~ 3E-5 Torr. Establezca los parámetros de QCM para MgF 2: Densidad de 3,05 y la relación de Z 0,637.
- Asegúrese de que la muestra de Shutter está cerrado, encender el calefactor del barco y poco a poco aumentar la intensidad para evitar que suba la presión excesiva hasta que se derrita MgF2 como se ve a través de un puerto de vista. Después de que la presión se estabilice establecer el actual en el punto de consigna correspondiente al MgF2 tasa de deposición de 0.3 nm / s, y abrir el obturador de la muestra.
- Controlar el espesor depositado con QCM y cerrar el obturador cuando se llega a 300 nm.
- Apague el calentador. Deje que el barco de W se enfríe durante unos 15 minutos, descargar la muestra. Nótese el cambio en el aspecto de células con el MgF 2 revestimiento.
- Para retirar la máscara de tinta desde los contactos de células sumerja la celda con el dieléctrico revestimientos en acetona. Espere hasta que el dieléctrico por encima de la tinta comienza a agrietarse y levantándola. Mantener la celda en acetona hasta que toda la tinta con el dieléctrico se retira y los contactos metálicos están expuestos completamente. Retire la muestra a partir de acetona, enjuagar con acetona fresca y secar con una pistola de nitrógeno.
- Aplique una capa de unpintura blanca (Dulux Una Capa de pintura del techo) con un cepillo fino y suave en la superficie de células enteras evitando cuidadosamente los contactos metálicos. La capa de pintura tiene que ser lo suficientemente gruesa como para ser totalmente opaco (~> 0,5 mm), de modo que la luz no puede verse cuando se mira a través del celular pintado en la fuente de luz brillante. Deje secar la pintura por un día.
- Medir EQE de la celda con el reflector posterior pintura blanca.
4. Los resultados representativos
La célula solar corriente de cortocircuito se calcula mediante la integración de la curva EQE sobre el estándar espectro solar global (masa de aire 1,5). Tanto la célula actual y su mejora debido a la luz que atrapa dependen del espesor de la celda capa absorbente: la propia corriente es mayor para las más gruesas células, pero la mejora actual es mayor para las más delgadas dispositivos, véase la Tabla 1 para los datos respectivos y Animación 5 para EQE curvas. Los originales de 2 m de espesor células, sin la luz que atrapa, hAve Jsc medido en el paso 1.7.) de ~ 15 mA / cm 2. Después de la fabricación de una matriz de nanopartículas, JSC aumenta hasta aproximadamente 20 mA / cm 2, que es 32% de mejora. Es ligeramente mejor que el efecto de la mejora del 25-30% por el reflector trasero difusa solamente. Después de añadir el reflector trasero difusa en el MgF2 revestimiento a la célula con la matriz de nanopartículas plasmónica, la Comisión Mixta se incrementó a 22,3 mA / cm 2, o aproximadamente el 45% de mejora. Tenga en cuenta que para la celda de 3 m de espesor de todas las corrientes son más altos, hasta 25,7 mA / cm 2, mientras que el aumento relativo es ligeramente inferior, 42%: la luz que atrapa tiene un efecto relativamente grande en dispositivos más delgados.
| Grosor: | 2 micras | 3 micras | ||
| JSC, mA / cm 2 | trong> +% | JSC, mA / cm 2 | +% | |
| célula original | 15,4 | 18,1 | ||
| Reflector difuso trasero (R) | 20,1 | 30,5 | 21,5 | 18,8 |
| Las nanopartículas (NP) | 20,3 | 31,8 | 21,9 | 21,0 |
| NP / MgF2 / R | 22,3 | 45,3 | 25,7 | 42,0 |
Tabla 1. Célula plasmónica corriente de cortocircuito y su mejora en comparación con célula original.
Figura 1. Vista cercana de poli-silicio de células solares de película delgada con rejilla de metalización.
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Figura 2. Escaneo de imágenes de microscopía electrónica de las nanopartículas de Ag en la superficie de silicio.
Figura 3. Una vista esquemática de un plasmónica silicio cristalino de película delgada de células solares (no a escala).
Figura 4 y la eficiencia cuántica externa de corto circuito de corriente para los de silicio policristalino de película delgada de células con reflector difuso y nanopartículas plasmónica: trazos de color negro - originales 2 m de espesor celda sin luz que atrapa, JSC 15,36 mA / cm 2; azul - celular. con reflector de pintura difusa, JSC 20,08 mA / cm 2; roja - celular con plasmónica nanopartículas de Ag, JSC 20,31 mA / cm 2; verde - celular con nanopartículas, MgF2, la pintura y el reflector difuso, Jsc 22,32 mA / cm 2. Púrpura - 3 m de espesor de células (el 3 de vidrio mm de espesor) con nanopartículas, MgF2, y el reflector difuso, Jsc 25,7 mA / cm 2 (tenga en cuenta la menor respuesta azul debido a las diferencias no intencionales en las capas de AR y el espesor emisor). Sólido negro - 2 m de espesor celular texturizado preparado por el plasma de deposición de vapor químico mejorada (en el vidrio de 3 mm de espesor), JSC 26,4 mA / cm 2, que se muestra para comparación.
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Discusión
Mezclas en las células de silicio policristalino de solares y las nanopartículas plasmónica dispersión de la luz son los socios ideales para la luz que atrapa. Estas células son planas, por lo que no puede confiar en la luz de dispersión de las superficies con textura, ni las nanopartículas plasmónica formarse fácilmente en las superficies texturadas. Las células tienen sólo uno, con la superficie posterior de silicio expuesto directamente, que también pasa a ser la mejor ubicación para la mayoría de las nanopartículas ...
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Divulgaciones
No hay conflictos de interés declarado.
Agradecimientos
Este proyecto de investigación es apoyada por el Consejo Australiano de Investigación mediante la concesión vinculación con CSG Solar Pty. Ltd. Jing Rao reconoce su Universidad de NSW Vicerrector de becas posdoctorales. Las imágenes SEM fueron tomadas por Jongsung Parque de utilizar el equipo proporcionado por la Unidad de Microscopía Electrónica de la Universidad de NSW.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Nombre del reactivo | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
| Granular de Plata | Sigma-Aldrich | 303372 | 99,99% |
| MgF 2, los cristales al azar, de grado óptico | Sigma-Aldrich | 378836 | > = 99,99% |
| Dulux una capa de pintura del techo | Dulux | R> 90% (500-1100 nm) |
Referencias
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