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

Sergey Varlamov; Jing Rao; Thomas Soderstrom

doi:10.3791/4092

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Research Article

Base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par Light-piégeage

DOI: 10.3791/4092

July 2, 2012

Sergey Varlamov¹, Jing Rao¹, Thomas Soderstrom¹

¹School of Photovoltaics,University of New South Wales

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Summary

Base de silicium polycristallin en couches minces sur des cellules solaires en verre sont fabriqués par dépôt de couches de bore et de silicium dopé phosphore suivies par passivation défaut de cristallisation, et la métallisation. Plasmonique de blocage de lumière est introduit en formant nanoparticules Ag sur la surface cellulaire de silicium coiffé avec un réflecteur diffus résultant dans l'amélioration de ~ 45% photocourant.

Abstract

L’une des principales approches pour réduire le coût des cellules solaires consiste à réduire la quantité de matériaux semi-conducteurs utilisés pour leur fabrication et à rendre les cellules plus minces. Pour compenser une absorption de lumière plus faible, ces dispositifs physiquement minces doivent intégrer un piégeage de la lumière, ce qui augmente leur épaisseur optique. La diffusion de la lumière par des surfaces texturées est une technique courante, mais elle ne peut pas être universellement appliquée à toutes les technologies de cellules solaires. Certaines cellules, par exemple celles en silicium évaporé, sont planes telles qu’elles sont produites et nécessitent un moyen alternatif de piégeage de la lumière adapté aux dispositifs planaires. Les nanoparticules métalliques formées à la surface d’une cellule de silicium plane et capables de diffuser la lumière en raison de la résonance plasmonique de surface constituent une approche efficace.

L’article présente un procédé de fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin évaporé avec piégeage plasmonique de la lumière et démontre comment l’efficacité quantique de la cellule s’améliore en raison de la présence de nanoparticules métalliques.

Pour fabriquer les cellules, un film composé de couches alternatives de bore et de silicium dopé au phosphore est déposé sur un substrat de verre par évaporation par faisceau d’électrons. Un film initialement amorphe est cristallisé et les défauts électroniques sont atténués par le recuit et la passivation à l’hydrogène. Des contacts de grille métallique sont appliqués sur les couches de polarité opposée pour extraire l’électricité générée par la pile. En règle générale, une telle cellule de ~2 μm d’épaisseur a une densité de courant de court-circuit (Jsc) de 14-16 mA/cm², qui peut être augmentée jusqu’à 17-18 mA/cm² (~25 % plus élevée) après l’application d’un simple réflecteur diffus en peinture blanche.

Pour mettre en œuvre le piégeage plasmonique de la lumière, un réseau de nanoparticules d’argent est formé à la surface du silicium cellulaire métallisé. Un film d’argent précurseur est déposé sur la cellule par évaporation thermique et recuit à 23°C pour former des nanoparticules d’argent. La taille et la couverture des nanoparticules, qui affectent la diffusion plasmonique de la lumière, peuvent être ajustées pour améliorer les performances cellulaires en faisant varier l’épaisseur du film précurseur et ses conditions de recuit. À lui seul, un réseau de nanoparticules optimisé permet d’améliorer la cellule Jsc d’environ 28 %, ce qui est similaire à l’effet du réflecteur diffus. Le photocourant peut être encore augmenté en enrobant les nanoparticules d’un diélectrique à faible indice de réfraction, comme MgF₂, et en appliquant le réflecteur diffus. La structure cellulaire plasmonique complète comprend le film de silicium polycristallin, un réseau de nanoparticules d’argent, une couche de MgF₂ et un réflecteur diffus. Le Jsc pour une telle cellule est de 21-23 mA/cm², jusqu’à 45 % plus élevé que Jsc de la cellule d’origine sans piégeage de lumière ou ~25 % plus élevé que Jsc pour la cellule avec le réflecteur diffus uniquement.

Introduction

Le piégeage de la lumière dans les cellules solaires en silicium est généralement réalisé par diffusion de la lumière aux interfaces texturées. La lumière diffusée se déplace à travers une cellule à des angles obliques sur une plus longue distance et lorsque ces angles dépassent l’angle critique aux interfaces des cellules, la lumière est piégée en permanence dans la cellule par réflexion interne totale (Animation 1 : Piégeage de la lumière). Bien que ce schéma fonctionne bien pour la plupart des cellules solaires, il existe des technologies en développement où des couches de Si ultra-minces sont produites planaires (par exemple, les technologies de transfert de couches et les couches c-Si épitaxiales) ¹ et/ou lorsque ces couches ne sont pas compatibles avec les substrats de textures (par exemple, le silicium évaporé) ². Pour ces couches de Si initialement planes, d’autres approches de piégeage de la lumière, telles que le réflecteur de peinture blanche diffuse ³, la texturation plasma de silicium ⁴ ou le réflecteur de nanoparticules ^à indice de réfraction élevé 5, ont été suggérées.

Les nanoparticules métalliques peuvent diffuser efficacement la lumière incidente dans un matériau à indice de réfraction plus élevé, comme le silicium, en raison de l’effet de résonance plasmonique ^{de surface 6}. Ils peuvent également être facilement formés sur la surface plane des cellules de silicium, offrant ainsi une approche de piégeage de la lumière, alternative à la texturation. Pour une nanoparticule située à l’interface air-silicium, la fraction de lumière diffusée couplée au silicium dépasse 95 % et une grande partie de cette lumière est diffusée à des angles supérieurs à la critique, offrant des conditions de piégeage de la lumière presque idéales (Animation 2 : Plasmons sur NP). La résonance peut être ajustée à la région de longueur d’onde, qui est la plus importante pour un matériau et une conception de cellule particuliers, en faisant varier la taille moyenne des nanoparticules, la couverture de surface et l’environnement diélectrique local ^6,7. Les principes théoriques de conception des cellules solaires à nanoparticules plasmoniques ont été suggérés ⁸. En pratique, le réseau de nanoparticules Ag est un partenaire idéal pour piéger la lumière pour les cellules solaires à couche mince poly-Si, car la plupart de ces principes de conception sont naturellement respectés. La manière la plus simple de former des nanoparticules par recuit thermique d’un mince film d’Ag précurseur permet d’obtenir un réseau aléatoire avec une distribution de taille et de forme relativement large, ce qui est particulièrement adapté au piégeage de la lumière car un tel réseau a un large pic de résonance, couvrant la gamme de longueurs d’onde de 700 à 900 nm, ce qui est important pour les performances des cellules solaires poly-Si. Le réseau de nanoparticules ne peut être situé qu’à la surface arrière de la cellule poly-Si, évitant ainsi les interférences destructrices entre la lumière incidente et la lumière diffusée, ce qui se produit pour les nanoparticules situées à l’avant ⁹. De plus, les cellules à couche mince poly-Si ne nécessitent pas de couche passivante et les nanoparticules plates en forme de base (qui résultent naturellement du recuit thermique d’un film métallique) peuvent être placées directement sur du silicium, ce qui augmente encore l’efficacité de la diffusion plasmonique grâce à la résonance plasmon-polariton ^{de surface 10}.

La cellule avec le réseau de nanoparticules plasmoniques décrit ci-dessus peut avoir un photocourant environ 28 % plus élevé que la cellule d’origine. Cependant, le réseau transmet toujours une quantité importante de lumière qui s’échappe par l’arrière de la cellule et ne contribue pas au courant. Cette perte peut être atténuée en ajoutant un réflecteur arrière pour permettre de capter la lumière transmise et de la rediriger vers la cellule. En fournissant une distance suffisante entre le réflecteur et les nanoparticules (quelques centaines de nanomètres), la lumière réfléchie subira alors un autre événement de diffusion plasmonique lors de son passage à travers le réseau de nanoparticules lors de sa rentrée dans la cellule, et le réflecteur lui-même peut être rendu diffus - les deux effets facilitant davantage la diffusion de la lumière et donc le piégeage de la lumière. Il est important de noter que les nanoparticules d’Ag doivent être encapsulées avec un diélectrique inerte et à faible indice de réfraction, comme MgF₂ ou SiO₂, à partir du réflecteur arrière pour éviter les dommages mécaniques et chimiques ⁷. Un faible indice de réfraction pour cette couche de gaine est nécessaire pour maintenir une fraction de couplage élevée dans le silicium et des angles de diffusion plus grands, qui sont assurés par le contraste optique élevé entre les milieux des deux côtés de la nanoparticule, du silicium et du diélectrique ⁶. Le photocourant de la cellule plasmonique avec le réflecteur arrière diffus peut être jusqu’à 45 % supérieur au courant de la pile d’origine ou jusqu’à 25 % supérieur au courant d’une cellule équivalente avec le réflecteur diffus uniquement.

Protocol

1. Fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin (Animation 3)

De dépôt de film de silicium
1. Préparer l'outil d'évaporation par faisceau d'électrons par l'étuvage à ~ 100 ° C pendant la nuit pour atteindre la pression de base de <3E-8 Torr. Pré-régler le chauffe-échantillon à la température 150 ° C ° en mode veille.
2. Utilisation d'un substrat fait de 5x5 cm ² (10 x 10 cm ou ²⁾ de substrat de verre de borosilicate (Schott Borofloat33), 1,1 ou 3,3 mm d'épaisseur, revêtues avec ~ 80 nm de nitrure de silicium (préparée par PECVD à partir de N ₂ et SiH ₄ mélange).
3. Sonnez de la surface du substrat avec de l'azote sec pour enlever la poussière et le placer dans un porte-échantillon. Purger le sas de chargement, de charger l'échantillon, pomper le sas à la pression <Torr 1E5, et transférer l'échantillon à la chambre principale. Démarrer le chauffe à la consigne de 250 ° C. Pompe pour environ 20 min lorsque la pression atteint 8E-8 Torr ou inférieure.
4. Vérifiez que le dopantvolets de source de silicium de source et de l'sont fermés. Préréglées températures de source de dopant à des températures de secours, à savoir la température de la source de phosphore à 700 ° C et la température de source de bore à 1250 ° C. Début e-gun et faire fondre le silicium dans un creuset en augmentant lentement le courant e-gun.
5. Quand le courant requis est atteint (à partir de l'étalonnage précédent: ce courant peut varier en fonction de l'e-gun et les conditions de source Si) s'évapore des couches de silicium dopées avec les concentrations requises de P et B: 35 émetteurs nm à 1E20 cm ^-3 de P ; 2 ~ 3 um absorbeur à 5E15 cm ^-3 de B; 100 nm champ de surface arrière (FBS) à 4E19 cm ^-3 de B. Les concentrations de dopant exactes sont réalisés en faisant correspondre des vitesses de dépôt de Si certaines, telle que mesurée par cristal de quartz Moniteur (QCM), avec certaines températures de source de dopant, en utilisant les relations établies à partir d'étalonnage SIMS.
6. Après évaporation se fait passer le radiateur, refroidir l'échantillon pour ~ 10 min. TransFer l'échantillon à la charge de blocage, fermer la porte-vanne, évacuer l'sas de chargement et de déchargement de l'échantillon avec le film de silicium.
Silicon cristallisation
Si l'échantillon est 10x10 cm ^2, il peut être coupé en quatre 5x5 cm ² morceaux de la taille des cellules avant la cristallisation. Placer un film de silicium déposé sur le verre (film de Si jusqu'à) sur un support en nitrure de silicium rendue rugueuse et revêtue de verre Schott Robax (pour éviter le collage). Chargement dans un four préchauffé à purgé à l'azote 200-300 ° C. Montée en puissance de la température jusqu'à 600 ° C à 3 ~ 5 ° C / min et recuit pendant 30 h. Tour de l'appareil de chauffage du four et laissez refroidir le four naturellement à ~ 200 ° C (2 ~ 3 heures) avant le déchargement de l'échantillon. L'échantillon peut avoir une forme concave en raison du rétrécissement de silicium lors de la cristallisation. Il va aplatir au cours du traitement thermique suivant rapide.
Activation du dopant et le défaut de recuit (RTA)
Placer l'échantillon avec le film cristallisé sur un support en graphite pyrolytique et load à un processeur thermique rapide purgé avec de l'argon. Rampe de la température jusqu'à 600 ° C à 1 ° C / s, puis jusqu'à 1000 ° C à 20 ° C / s, maintenir pendant 1 min, puis refroidir naturellement à ~ 100 ° C et le déchargement.
Élimination d'oxyde de surface
Immédiatement avant l'hydrogénation de l'oxyde de surface formée sur le film de silicium lors de la cristallisation et RTA doit être retiré pour que la surface de silicium à nu du film est exposé à un atome d'hydrogène. Plongez l'échantillon recuit en solution HF 5% jusqu'à ce que la surface de silicium hydrophobe tourne (30 ~ 100 s). Rincer à l'eau déminéralisée et sécher avec un pistolet à azote.
Passivation des défauts
Calcul de l'échantillon dans une chambre à vide équipé d'une source de plasma d'hydrogène à distance. Pomper à <1E-4 Torr, de la chaleur jusqu'à l'échantillon jusqu'à ~ 620 ° C, mettez l'argon / écoulement du mélange d'hydrogène (50:150 sccm), régler la pression de 50 à 100 mTorr, commencer à la source de plasma à 3,5 kW de la puissance micro-ondes et pour poursuivre le processus ~ 10 minutes. Éteindre le chauffage tout en maintaYi-ning le plasma pour un autre 10-15 min jusqu'à la température tombe en dessous de 350 ° C avant de mettre le plasma hors tension et l'arrêt de l'écoulement de gaz. Décharger l'échantillon lorsque la température est inférieure à 200 ° C.
Métallisation de cellules
Métallisation des cellules est réalisée en une série de motifs photolithographique consécutive, le dépôt et la gravure du film d'Al étapes qui sont décrites en détail dans ^11. La cellule final ressemble indiqué dans la dernière diapositive de la ANIMATION 3. Une vue rapprochée de la cellule est métallisé montré dans la figure 1.
Mesurer EEQ de la cellule métallisé.

2. Fabrication de la nanoparticule plasmonique Ag (Animation 4)

Sonnez de la surface de la cellule métallisée avec de l'azote sec pour enlever la poussière et de charger l'échantillon dans un évaporateur thermique contenant un bateau rempli de granules W Ag (0,3-0,5 g). Pomper la chambre de vaporisation à la pression de base de 2 ~ 3E-5 Torr. QCM programme avec des paramètres pour Ag: Densité 10,50et Z rapport 0,529.
Veiller à ce que l'obturateur est fermé échantillon, éteindre le chauffe bateau W en marche et d'augmenter le courant assez lentement pour éviter une augmentation de pression au-dessus 8E-5 Torr jusqu'à granulés Ag fondre (comme on l'observe à travers un point de vue-port). Après la pression se stabilise régler le courant au point de consigne correspondant le taux de dépôt Ag de 0,1-0,2 Å / s (à partir de calibrage) et ouvrir l'obturateur pour démarrer le processus de dépôt.
Surveiller l'épaisseur de film en croissance Ag utilisant QCM et fermer l'obturateur lorsque l'épaisseur de 14 nm est atteint. Laisser le bateau W refroidir pendant environ 15 min, de décharger l'échantillon. Le film devrait être recuit pour former des nanoparticules dès après le dépôt que possible pour éviter l'oxydation Ag.
Une cellule d'un film fraîchement déposée Ag est placée dans un four préchauffé purgé à l'azote à 230 ° C 0.1 à 0.2, recuit pendant 50 min, puis déchargée. Notez le changement dans l'aspect de surface due à des nanoparticules. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag est shown dans la Fig. 2.
Mesurer EEQ de la cellule avec le tableau nanoparticule.

3. Fabrication du réflecteur arrière

Le réflecteur arrière se compose d'environ 300 nm d'épaisseur MgF ₂ (RI 1,38) revêtement diélectrique d'une couche d'une peinture plafond blanc commerciale (Dulux).

Avant de fabriquer le réflecteur arrière des contacts de cellules doivent être protégés par application d'une encre noire marqueur sur eux, ce qui permet d'exposer les contacts de sous le diélectrique par un procédé lift-off.
Utilisez pistolet à azote à souffler de l'échantillon avec le tableau NP et des contacts peints pour les dépoussiérer. Utiliser une pression d'azote modeste et faire preuve de prudence pour ne pas souffler les nanoparticules de suite. Placer l'échantillon dans le vaporisateur thermique contenant un bateau W rempli de MgF ₂ morceaux. Pomper l'évaporateur à une pression de 2 ~ 3E-5 Torr. Définissez les paramètres QCM pour MgF _2: Densité 3,05 et ratio Z 0,637.
Veiller à ce que l'échantillon Shutter est fermée, allumer le chauffe-bateau et augmenter lentement le courant pour éviter une augmentation de pression excessive jusqu'à ce MgF ₂ fond comme on le voit à travers un point de vue-port. Après la pression se stabilise régler le courant au point de consigne correspondant au taux de dépôt MgF ₂ de 0,3 nm / s et d'ouvrir l'obturateur de l'échantillon.
Surveiller l'épaisseur déposée en utilisant QCM et fermer l'obturateur lorsque 300 Nm est atteint.
Éteignez le chauffe. Laisser le bateau W à refroidir pendant environ 15 min, de décharger l'échantillon. Noter la modification de l'aspect de cellules avec le MgF ₂ gaine.
À retirer le masque de l'encre depuis les contacts de cellules immerger la cellule avec le diélectrique de gainage dans de l'acétone. Attendre jusqu'à ce que le diélectrique au-dessus de l'encre commence la fissuration et un décollement. Garder la cellule dans l'acétone jusqu'à ce que tous l'encre avec le diélectrique est enlevée et les contacts métalliques sont entièrement exposée. Retirer l'échantillon de l'acétone, rincez avec de l'acétone fraîche et séchez-le avec des armes à feu d'azote.
Appliquer une couche d'unpeinture blanche (peinture Dulux plafond en une seule couche) avec un pinceau fin en douceur sur la surface de la cellule entière en évitant soigneusement les contacts métalliques. La couche de peinture doit être suffisamment épais pour être totalement opaque (~> 0,5 mm), de sorte qu'aucune lumière ne puisse être vu en regardant à travers la cellule peinte à la source lumineuse. Laissez la peinture sécher pendant une journée.
Mesurer EEQ de la cellule avec le réflecteur arrière peinture blanche.

4. Les résultats représentatifs

La cellule solaire de court-circuit est calculée en intégrant la courbe EEQ sur le spectre solaire standard globale (masse d'air 1.5). Tant la cellule courante et sa mise en valeur due à la lumière de piégeage dépend de l'épaisseur couche de cellules d'absorption: le courant lui-même est plus élevé pour les plus épaisses des cellules, mais la mise en valeur actuelle est supérieure pour les plus minces appareils, voir le tableau 1 pour les données respectives et animation de 5 pour EEQ courbes. Les 2 cellules d'origine um d'épaisseur, sans la lumière de piégeage, hav Jsc mesurée à l'étape 1.7.) de ~ 15 mA / cm ^2. Après la fabrication d'un tableau nanoparticule, Jsc augmente jusqu'à environ 20 mA / cm ^2, qui est mise en valeur 32%. Il est légèrement meilleure que l'effet d'amélioration de 25-30% par le réflecteur arrière diffuse seulement. Après avoir ajouté le réflecteur arrière diffuse sur le MgF ₂ de revêtement à la cellule avec le tableau des nanoparticules plasmonique, la JSC est encore augmenté à 22,3 mA / cm ^2, ou l'amélioration d'environ 45%. Notez que pour la cellule 3 um d'épaisseur tous les courants sont plus élevés, jusqu'à 25,7 mA / cm ^2, tandis que l'amélioration relative est légèrement inférieur, 42%: la lumière de piégeage a un effet relativement plus importante dans les plus minces appareils.

Épaisseur de la cellule:	2 um		3 um
	Jsc, mA / cm ²	~~trong> +%~~	Jsc, mA / cm ²	+%
cellule d'origine	15,4		18,1
Réflecteur diffus arrière (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanoparticules (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF ₂ / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tableau 1. Plasmonique cellule de court-circuit et de son amélioration par rapport à la cellule d'origine.

Figure 1. Close-up vue de poly-Si la cellule solaire à film mince avec grille de métallisation.

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Figure 2. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag sur la surface de silicium.

Figure 3. Une vue schématique d'un silicium à couche mince plasmonique cristallin cellule solaire (pas à l'échelle).

Figure 4 rendement quantique externe et de court-circuit pour les silicium polycristallin cellules à couche mince avec réflecteur diffus et nanoparticules plasmoniques: pointillés noir - 2 originaux um d'épaisseur cellule sans lumière de piégeage, Jsc 15,36 mA / cm ^2, le bleu - la cellule. avec réflecteur peinture diffuse, Jsc 20,08 mA / cm ^2; rouge - cellule avec des nanoparticules Ag plasmoniques, Jsc 20,31 mA / cm ^2; vert - cellule avec des nanoparticules, MgF _2, et le réflecteur peinture diffuse, Jsc 2. Purple - 3 cellules um d'épaisseur (le 3 de verre d'épaisseur mm) avec des nanoparticules, MgF _2, et le réflecteur diffus, Jsc 25,7 mA / cm ² (noter de réponse plus faible bleue due à des différences non intentionnelles dans les couches AR et l'épaisseur émetteur). Solide noir - 2 pm cellulaire épaisse texture préparé par plasma de dépôt chimique en phase vapeur (sur verre de 3 mm d'épaisseur), Jsc 26,4 mA / cm ^2, à titre de comparaison.

Animation 1. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 2. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 3. Cliquez ici pour voir l'animation.

Animation 4. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 5. Cliquez ici pour voir l'animation .

Discussion

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Disclosures

Acknowledgements

Ce projet de recherche est soutenue par le Conseil australien de la recherche par l'octroi de liaison avec CSG Solar Pty Ltd Rao Jing reconnaît son Université de NSW vice-chancelier de bourses postdoctorales. Images MEB ont été prises par Jongsung parc en utilisant le matériel fourni par l'Unité de microscopie électronique de l'Université de NSW.

Materials

Nom du réactif	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Granulaire Argent	Sigma-Aldrich	303372	99,99%
MgF _2, cristaux aléatoires, de qualité optique	Sigma-Aldrich	378836	> = 99,99%
Peinture Dulux plafond en une seule couche	Dulux		R> 90% (500-1100 nm)

References

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