Name: Base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par Light-piégeage (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:03:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Découvrez comment les nanoparticules plasmoniques améliorent le piégeage de la lumière dans les cellules solaires à couche mince de silicium polycristallin. Cette méthode augmente le photocourant de 45% sans compliquer la fabrication.

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Ce projet de recherche est soutenue par le Conseil australien de la recherche par l&#39;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&#39;Unité de microscopie électronique de l&#39;Université de NSW.

1. Fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin (Animation 3) <ol><li> De dépôt de film de silicium <ol class="lalpha"><li> Préparer l&#39;outil d&#39;évaporation par faisceau d&#39;électrons par l&#39;étuvage à ~ 100 ° C pendant la nuit pour atteindre la pression de base de &lt;3E-8 Torr. Pré-régler le chauffe-échantillon à la température 150 ° C ° en mode veille. </li><li> Utilisation d&#39;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&#39;épaisseur, revêtues avec ~ 80 nm de nitrure de silicium (préparée par PECVD à partir de N 2 et SiH 4 mélange). </li><li> Sonnez de la surface du substrat avec de l&#39;azote sec pour enlever la poussière et le placer dans un porte-échantillon. Purger le sas de chargement, de charger l&#39;échantillon, pomper le sas à la pression &lt;Torr 1E5, et transférer l&#39;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. </li><li> Vérifiez que le dopantvolets de source de silicium de source et de l&#39;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. </li><li> Quand le courant requis est atteint (à partir de l&#39;étalonnage précédent: ce courant peut varier en fonction de l&#39;e-gun et les conditions de source Si) s&#39;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&#39;étalonnage SIMS. </li><li> Après évaporation se fait passer le radiateur, refroidir l&#39;échantillon pour ~ 10 min. TransFer l&#39;échantillon à la charge de blocage, fermer la porte-vanne, évacuer l&#39;sas de chargement et de déchargement de l&#39;échantillon avec le film de silicium. </li></ol></li><li> Silicon cristallisation Si l&#39;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&#39;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&#39;azote 200-300 ° C. Montée en puissance de la température jusqu&#39;à 600 ° C à 3 ~ 5 ° C / min et recuit pendant 30 h. Tour de l&#39;appareil de chauffage du four et laissez refroidir le four naturellement à ~ 200 ° C (2 ~ 3 heures) avant le déchargement de l&#39;échantillon. L&#39;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. </li><li> Activation du dopant et le défaut de recuit (RTA) Placer l&#39;échantillon avec le film cristallisé sur un support en graphite pyrolytique et load à un processeur thermique rapide purgé avec de l&#39;argon. Rampe de la température jusqu&#39;à 600 ° C à 1 ° C / s, puis jusqu&#39;à 1000 ° C à 20 ° C / s, maintenir pendant 1 min, puis refroidir naturellement à ~ 100 ° C et le déchargement. </li><li> Élimination d&#39;oxyde de surface Immédiatement avant l&#39;hydrogénation de l&#39;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&#39;hydrogène. Plongez l&#39;échantillon recuit en solution HF 5% jusqu&#39;à ce que la surface de silicium hydrophobe tourne (30 ~ 100 s). Rincer à l&#39;eau déminéralisée et sécher avec un pistolet à azote. </li><li> Passivation des défauts Calcul de l&#39;échantillon dans une chambre à vide équipé d&#39;une source de plasma d&#39;hydrogène à distance. Pomper à &lt;1E-4 Torr, de la chaleur jusqu&#39;à l&#39;échantillon jusqu&#39;à ~ 620 ° C, mettez l&#39;argon / écoulement du mélange d&#39;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&#39;à la température tombe en dessous de 350 ° C avant de mettre le plasma hors tension et l&#39;arrêt de l&#39;écoulement de gaz. Décharger l&#39;échantillon lorsque la température est inférieure à 200 ° C. </li><li> Métallisation de cellules Métallisation des cellules est réalisée en une série de motifs photolithographique consécutive, le dépôt et la gravure du film d&#39;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. </li><li> Mesurer EEQ de la cellule métallisé. </li></ol> 2. Fabrication de la nanoparticule plasmonique Ag (Animation 4) <ol><li> Sonnez de la surface de la cellule métallisée avec de l&#39;azote sec pour enlever la poussière et de charger l&#39;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. </li><li> Veiller à ce que l&#39;obturateur est fermé échantillon, éteindre le chauffe bateau W en marche et d&#39;augmenter le courant assez lentement pour éviter une augmentation de pression au-dessus 8E-5 Torr jusqu&#39;à granulés Ag fondre (comme on l&#39;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&#39;obturateur pour démarrer le processus de dépôt. </li><li> Surveiller l&#39;épaisseur de film en croissance Ag utilisant QCM et fermer l&#39;obturateur lorsque l&#39;épaisseur de 14 nm est atteint. Laisser le bateau W refroidir pendant environ 15 min, de décharger l&#39;échantillon. Le film devrait être recuit pour former des nanoparticules dès après le dépôt que possible pour éviter l&#39;oxydation Ag. </li><li> Une cellule d&#39;un film fraîchement déposée Ag est placée dans un four préchauffé purgé à l&#39;azote à 230 ° C 0.1 à 0.2, recuit pendant 50 min, puis déchargée. Notez le changement dans l&#39;aspect de surface due à des nanoparticules. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag est shown dans la Fig. 2. </li><li> Mesurer EEQ de la cellule avec le tableau nanoparticule. </li></ol> 3. Fabrication du réflecteur arrière Le réflecteur arrière se compose d&#39;environ 300 nm d&#39;épaisseur MgF 2 (RI 1,38) revêtement diélectrique d&#39;une couche d&#39;une peinture plafond blanc commerciale (Dulux). <ol><li> Avant de fabriquer le réflecteur arrière des contacts de cellules doivent être protégés par application d&#39;une encre noire marqueur sur eux, ce qui permet d&#39;exposer les contacts de sous le diélectrique par un procédé lift-off. </li><li> Utilisez pistolet à azote à souffler de l&#39;échantillon avec le tableau NP et des contacts peints pour les dépoussiérer. Utiliser une pression d&#39;azote modeste et faire preuve de prudence pour ne pas souffler les nanoparticules de suite. Placer l&#39;échantillon dans le vaporisateur thermique contenant un bateau W rempli de MgF 2 morceaux. Pomper l&#39;évaporateur à une pression de 2 ~ 3E-5 Torr. Définissez les paramètres QCM pour MgF 2: Densité 3,05 et ratio Z 0,637. </li><li> Veiller à ce que l&#39;échantillon Shutter est fermée, allumer le chauffe-bateau et augmenter lentement le courant pour éviter une augmentation de pression excessive jusqu&#39;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&#39;ouvrir l&#39;obturateur de l&#39;échantillon. </li><li> Surveiller l&#39;épaisseur déposée en utilisant QCM et fermer l&#39;obturateur lorsque 300 Nm est atteint. </li><li> Éteignez le chauffe. Laisser le bateau W à refroidir pendant environ 15 min, de décharger l&#39;échantillon. Noter la modification de l&#39;aspect de cellules avec le MgF 2 gaine. </li><li> À retirer le masque de l&#39;encre depuis les contacts de cellules immerger la cellule avec le diélectrique de gainage dans de l&#39;acétone. Attendre jusqu&#39;à ce que le diélectrique au-dessus de l&#39;encre commence la fissuration et un décollement. Garder la cellule dans l&#39;acétone jusqu&#39;à ce que tous l&#39;encre avec le diélectrique est enlevée et les contacts métalliques sont entièrement exposée. Retirer l&#39;échantillon de l&#39;acétone, rincez avec de l&#39;acétone fraîche et séchez-le avec des armes à feu d&#39;azote. </li><li> Appliquer une couche d&#39;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 (~&gt; 0,5 mm), de sorte qu&#39;aucune lumière ne puisse être vu en regardant à travers la cellule peinte à la source lumineuse. Laissez la peinture sécher pendant une journée. </li><li> Mesurer EEQ de la cellule avec le réflecteur arrière peinture blanche. </li></ol> 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&#39;air 1.5). Tant la cellule courante et sa mise en valeur due à la lumière de piégeage dépend de l&#39;épaisseur couche de cellules d&#39;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&#39;origine um d&#39;épaisseur, sans la lumière de piégeage, hav Jsc mesurée à l&#39;étape 1.7.) de ~ 15 mA / cm 2. Après la fabrication d&#39;un tableau nanoparticule, Jsc augmente jusqu&#39;à environ 20 mA / cm 2, qui est mise en valeur 32%. Il est légèrement meilleure que l&#39;effet d&#39;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&#39;amélioration d&#39;environ 45%. Notez que pour la cellule 3 um d&#39;épaisseur tous les courants sont plus élevés, jusqu&#39;à 25,7 mA / cm 2, tandis que l&#39;amélioration relative est légèrement inférieur, 42%: la lumière de piégeage a un effet relativement plus importante dans les plus minces appareils. <table border="1"><tbody><tr><td> Épaisseur de la cellule: </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> cellule d&#39;origine </td><td> 15,4 </td><td></td><td> 18,1 </td><td></td></tr><tr><td> Réflecteur diffus arrière (R) </td><td> 20,1 </td><td> 30,5 </td><td> 21,5 </td><td> 18,8 </td></tr><tr><td> Nanoparticules (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> Tableau 1. Plasmonique cellule de court-circuit et de son amélioration par rapport à la cellule d&#39;origine. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig1.jpg" /> Figure 1. Close-up vue de poly-Si la cellule solaire à film mince avec grille de métallisation. / Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg &quot;/&gt; Figure 2. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag sur la surface de silicium. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig3.jpg" /> Figure 3. Une vue schématique d&#39;un silicium à couche mince plasmonique cristallin cellule solaire (pas à l&#39;échelle). <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig4.jpg" /> 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&#39;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 </em&gt; 22,32 mA / cm 2. Purple - 3 cellules um d&#39;épaisseur (le 3 de verre d&#39;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&#39;épaisseur émetteur). Solide noir - 2 pm cellulaire épaisse texture préparé par plasma de dépôt chimique en phase vapeur (sur verre de 3 mm d&#39;épaisseur), Jsc 26,4 mA / cm 2, à titre de comparaison. Animation 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation1.pptx" target="_blank">Cliquez ici pour voir l&#39;animation</a> . Animation 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation2.pptx" target="_blank">Cliquez ici pour voir l&#39;animation</a> . Animation 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation3.pptx" target="_blank">Cliquez ici pour voir l&#39;animation</a>. Animation 4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation4.pptx" target="_blank">Cliquez ici pour voir l&#39;animation</a> . Animation 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation5.pptx" target="_blank">Cliquez ici pour voir l&#39;animation</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>

Pas de conflits d&#39;intérêt déclarés.

Évaporés cellules de silicium polycristallines et les nanoparticules diffusion de la lumière plasmonique sont des partenaires idéaux pour la lumière-piégeage. Ces cellules sont planes, ils ne peuvent donc pas compter sur une diffusion de lumière à partir de surfaces texturées, ni nanoparticules plasmoniques être facilement formé sur les surfaces texturées. Les cellules ont un seul, face arrière avec le silicium directement exposés, qui se trouve être également le meilleur emplacement pour la plupart des nanoparticules p...

<table border="1"><tbody><tr><td> Nom du réactif </td><td> Entreprise </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Granulaire Argent </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 303372 </td><td> 99,99% </td></tr><tr><td> MgF 2, cristaux aléatoires, de qualité optique </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 378836 </td><td> &gt; = 99,99% </td></tr><tr><td> Peinture Dulux plafond en une seule couche </td><td> Dulux </td><td></td><td> R&gt; 90% (500-1100 nm) </td></tr></tbody></table>

base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par light-piégeage

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

L'une des principales approches pour réduire le coût des cellules solaires consiste à diminuer la quantité de matériau semi-conducteur utilisée pour leur fabrication, en rendant les cellules plus minces. Pour compenser une absorption lumineuse moindre, ces dispositifs physiquement minces doivent intégrer un piégeage de la lumière qui augmente leur épaisseur optique. La diffusion de la lumière par des surfaces texturées est une technique courante, mais elle ne peut pas être appliquée universellement à toutes les technologies de cellules solaires. Certaines cellules, par exemple celles fabriquées à partir de silicium évaporé, sont planes dès leur fabrication et nécessitent donc un moyen alternatif de piégeage de la lumière adapté aux dispositifs plans. La formation de nanoparticules métalliques sur la surface plane de la cellule en silicium, capables de diffuser la lumière grâce à la résonance des plasmons de surface, constitue une approche efficace.
L'article présente un protocole de fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin évaporé avec piégeage de lumière plasmonique et montre 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 alternées de silicium dopé au bore et au phosphore est déposé sur un substrat de verre par évaporation sous faisceau d'électrons. Un film initialement amorphe est cristallisé et les défauts électroniques sont atténués par recuit et passivation à l'hydrogène. Des contacts en grille métallique sont appliqués sur les couches de polarité opposée afin d'extraire l'électricité générée par la cellule. Typiquement, une telle cellule d'une épaisseur d'environ 2 μm présente une densité de courant en court-circuit (Jsc) de 14 à 16 mA/cm2, qui peut être augmentée jusqu'à 17 à 18 mA/cm2 (~25 % de plus) après l'application d'un réflecteur arrière diffus simple constitué d'une peinture blanche.
Pour mettre en œuvre le piégeage plasmonique de la lumière, un réseau de nanoparticules d'argent est formé sur la surface de silicium métallisée de la cellule. Un film précurseur d'argent est déposé sur la cellule par évaporation thermique, puis recuit à 23 °C afin de former des nanoparticules d'argent. La taille et la densité des nanoparticules, qui influencent la diffusion plasmonique de la lumière, peuvent être ajustées pour améliorer les performances de la cellule en modifiant l'épaisseur du film précurseur et les conditions de recuit. Un réseau de nanoparticules optimisé permet à lui seul d'augmenter le Jsc de la cellule d'environ 28 %, une valeur comparable à l'effet du réflecteur diffus. Le courant photoélectrique peut être encore accru en recouvrant les nanoparticules d'un diélectrique à faible indice de réfraction, comme le MgF2, et en appliquant le réflecteur diffus. La structure complète de la cellule plasmonique comprend une couche mince de silicium polycristallin, un réseau de nanoparticules d'argent, une couche de MgF2 et un réflecteur diffus. Le Jsc de cette cellule atteint 21 à 23 mA/cm2, soit jusqu'à 45 % de plus que le Jsc de la cellule d'origine sans piégeage de lumière, ou environ 25 % de plus que le Jsc de la cellule munie uniquement du réflecteur diffus.
Introduction
Le piégeage de la lumière dans les cellules solaires en silicium est généralement obtenu par diffusion de la lumière au niveau d'interfaces texturées. La lumière diffusée traverse la cellule selon des angles obliques, parcourant ainsi une distance plus longue, et lorsque ces angles dépassent l'angle critique aux interfaces de la cellule, la lumière est définitivement piégée à l'intérieur par réflexion totale interne (Animation 1 : Piégeage de la lumière). Bien que ce dispositif fonctionne bien pour la plupart des cellules solaires, certaines technologies émergentes utilisent des couches de silicium ultra-minces produites sous forme plane (par exemple, les technologies de transfert de couche et les couches de c-Si épitaxiées) 1 ou des couches incompatibles avec des substrats texturés (par exemple, le silicium évaporé) 2. Pour ces couches de silicium initialement planes, des approches alternatives de piégeage de la lumière ont été proposées, telles que l'utilisation d'un réflecteur blanc diffus 3, la texturation plasma du silicium 4 ou encore un réflecteur à nanoparticules à indice de réfraction élevé 5.
Les nanoparticules métalliques peuvent diffuser efficacement la lumière incidente vers un matériau d'indice de réfraction plus élevé, comme le silicium, grâce à l'effet de résonance des plasmons de surface 6. Elles peuvent également être facilement formées sur la surface plane d'une cellule en silicium, offrant ainsi une approche de piégeage de la lumière alternative au texturage. Pour une nanoparticule située à l'interface air-silicium, la fraction de lumière diffusée couplée dans le silicium dépasse 95 %, et une grande partie de cette lumière est diffusée sous des angles supérieurs à l'angle critique, créant ainsi des conditions de piégeage de la lumière quasi idéales (Animation 2 : Plasmons sur NP). La résonance peut être ajustée dans la région de longueur d'onde la plus importante pour un matériau et une conception de cellule donnés, en modifiant la taille moyenne des nanoparticules, leur taux de recouvrement et leur environnement diélectrique local 6,7. Des principes théoriques de conception de cellules solaires à base de nanoparticules plasmoniques ont été proposés 8. En pratique, un réseau de nanoparticules d'argent (Ag) constitue un partenaire idéal de piégeage de la lumière pour les cellules solaires en couche mince de silicium polycristallin, car la plupart de ces principes de conception sont naturellement satisfaits. La méthode la plus simple pour former des nanoparticules, à savoir le recuit thermique d'un fin film précurseur d'argent, conduit à un réseau aléatoire présentant une distribution relativement large en taille et en forme, ce qui est particulièrement adapté au piégeage de la lumière, puisque ce type de réseau possède un pic de résonance large, couvrant la plage de longueurs d'onde de 700 à 900 nm, cruciale pour les performances des cellules solaires en silicium polycristallin. Le réseau de nanoparticules peut uniquement être placé sur la face arrière de la cellule en silicium polycristallin, évitant ainsi les interférences destructives entre la lumière incidente et la lumière diffusée, qui se produisent avec des nanoparticules situées à l'avant 9. De plus, les cellules en couche mince de silicium polycristallin ne nécessitent pas de couche de passivation, et les nanoparticules de forme plate et basique (qui résultent naturellement du recuit thermique d'un film métallique) peuvent être directement déposées sur le silicium, ce qui augmente encore l'efficacité de la diffusion plasmonique grâce à la résonance plasmon-polariton de surface 10.
La cellule munie du réseau de nanoparticules plasmoniques tel que décrit ci-dessus peut présenter un courant photoélectrique environ 28 % plus élevé que celui de la cellule d'origine. Toutefois, le réseau transmet encore 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 permettant de capturer la lumière transmise et de la renvoyer vers la cellule. En assurant une distance suffisante entre le réflecteur et les nanoparticules (quelques centaines de nanomètres), la lumière réfléchie subit alors un événement supplémentaire de diffusion plasmonique en traversant à nouveau le réseau de nanoparticules lors de sa réentrée dans la cellule, et le réflecteur lui-même peut être rendu diffusant — ces deux effets favorisant davantage la diffusion de la lumière et donc son piégeage. Il est important que les nanoparticules d'argent soient encapsulées par un diélectrique inerte à indice de réfraction faible, tel que MgF2 ou SiO2, depuis le réflecteur arrière afin d'éviter tout dommage mécanique ou chimique 7. Un indice de réfraction faible pour cette couche d'isolation est nécessaire afin de maintenir une forte fraction de couplage dans le silicium et des angles de diffusion plus grands, ce qui est assuré par le fort contraste optique entre les milieux situés de part et d'autre de la nanoparticule, à savoir le silicium et le diélectrique 6. Le courant photoélectrique de la cellule plasmonique munie d'un réflecteur arrière diffusant peut être jusqu'à 45 % plus élevé que celui de la cellule d'origine, ou jusqu'à 25 % plus élevé que celui d'une cellule équivalente dotée uniquement d'un réflecteur diffusant.

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&#39;amélioration de ~ 45% photocourant.

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

L'une des principales approches pour réduire le coût des cellules solaires consiste à diminuer la quantité de matériau semi-conducteur utilisé pour leur fabrication et à amincir les cellules. Pour...

L'objectif général de l'expérience suivante est de démontrer comment la diffusion de la lumière par des nanoparticules plasmoniques améliore le piégeage de la lumière dans les cellules solaires à couche mince et accroît leurs performances. Ceci est réalisé en déposant un film précurseur d'argent sur la surface arrière de la cellule solaire à couche mince, puis en le recuitant afin de fabriquer un réseau aléatoire de nanoparticules d'argent diffusant la lumière. Dans une deuxième étape, la cellule solaire munie du réseau de nanoparticules est recouverte d'une couche diélectrique de fluorure de magnésium, suivie d'une peinture blanche afin d'ajouter un réflecteur arrière diffusif, qui capte la lumière transmise à travers le réseau de nanoparticules. Pour améliorer davantage le courant photoélectrique de la cellule, la lumière qui pénètre dans la cellule solaire et qui n'est pas absorbée lors du premier passage est renvoyée vers la cellule à la fois par le réseau de nanoparticules et par le réflecteur arrière diffusif, selon des angles obliques, ce qui augmente l'épaisseur optique de la cellule et améliore ainsi l'absorption de la lumière. Les résultats obtenus montrent que le courant de court-circuit de la cellule solaire augmente de 45 % en présence du réflecteur plasmonique diffusant la lumière.L'avantage principal de cette technique par rapport aux approches conventionnelles de piégeage de la lumière basées sur la texturation est qu'elle peut être appliquée à des dispositifs planaires et entièrement fabriqués, évitant ainsi des complications impossibles dues soit aux défauts liés à la texturation, soit à l'incompatibilité avec les procédés de fabrication des dispositifs. Bien que cette méthode soit appliquée à des cellules solaires en silicium cristallin, elle peut également être utilisée pour d'autres types de cellules solaires et dispositifs optoélectroniques afin d'améliorer leurs performances, comme les cellules en silicium amorphe, en couches minces microcristallines, les cellules solaires organiques, et même les diodes électroluminescentes. Commencez ce protocole par la fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin, comme décrit dans le protocole écrit accompagnant cette vidéo.Cette vue rapprochée d'une cellule obtenue après le processus de fabrication de deux semaines montre la surface en silicium de la cellule située entre le motif de métallisation, là où seront formés les nanoparticules de silicium. Soufflez la surface métallisée de la cellule avec de l'azote sec pour éliminer la poussière, puis chargez l'échantillon dans un évaporateur thermique contenant un creuset en tungstène rempli de 0,3 à 0,5 gramme de granules d'argent. Pompez la chambre de l'évaporateur jusqu'à une pression de base de deux à trois fois 10 à la puissance moins cinq torr. Prochaine étape.Le moniteur à cristal de quartz, abrégé en QCM, avec les paramètres pour l'argent. Assurez-vous que l'obturateur de l'échantillon est fermé et allumez le chauffage du creuset en tungstène. Augmentez lentement le courant afin d'éviter une augmentation de pression supérieure à huit fois 10 à la puissance moins cinq torr, jusqu'à ce que les granulés d'argent fondent, comme observé à travers une fenêtre d'observation. Une fois la pression stabilisée, réglez le courant au point de consigne correspondant à une vitesse de dépôt d'argent de 0,1 à 0,2 angströms par seconde.Ouvrez l'obturateur pour démarrer le processus de dépôt. Un aspect critique dans la fabrication d'un réflecteur plus mono consiste à contrôler précisément l'épaisseur du film d'argent et les conditions du genou. Pour former des réseaux de nanoparticules aux performances optimales.Surveiller l'épaisseur croissante du film d'argent à l'aide du QCM et fermer l'obturateur lorsque l'épaisseur atteint 14 nanomètres. Laisser refroidir le creuset en tungstène pendant environ 15 minutes, puis décharger l'échantillon. La cellule portant un film d'argent fraîchement déposé est placée dans une étuve purgée d'azote et préchauffée à 230 degrés Celsius, où elle est maintenue 50 minutes. Après ce traitement, un changement de l'aspect de la surface est visible en raison de la présence de nanoparticules. Le réflecteur arrière est constitué d'un revêtement diélectrique d'environ 300 nanomètres d'épaisseur en fluorure de magnésium, recouvert d'une couche de peinture blanche commerciale pour plafonds.Avant de fabriquer le réflecteur arrière, protégez les contacts de la cellule en appliquant de l'encre de feutre noir sur ceux-ci. Cela permet d'exposer les contacts situés sous le diélectrique par un procédé de soulèvement (liftoff). Utilisez un pistolet à azote pour souffler sur le réseau de nanoparticules et les contacts peints afin d'éliminer la poussière.Utilisez une pression modérée d'azote pour éviter de détacher les nanoparticules faiblement adhérentes. Placez l'échantillon dans l'évaporateur thermique contenant un creuset en tungstène rempli de magnésium. Morceaux de fluorure.Pompez l'évaporateur jusqu'à une pression de deux à trois fois 10 à la puissance moins cinq torr. Paramètres du QCM pour le fluorure de magnésium : assurez-vous que l'obturateur de l'échantillon est fermé, puis allumez le creuset. Augmentez lentement le courant du chauffage afin d'éviter une pression excessive, jusqu'à ce que le fluorure de magnésium fonde, comme observé à travers une fenêtre de visualisation.Une fois que la pression est stabilisée, régler le courant au point de consigne correspondant à une vitesse de dépôt du fluorure de magnésium de 0,3 nanomètre par seconde et ouvrir l'obturateur de l'échantillon. Surveiller l'épaisseur déposée à l'aide du QCM et fermer l'obturateur lorsque 300 nanomètres sont atteints, éteindre le chauffage après que le creuset en tungstène ait refroidi pendant environ 15 minutes, puis décharger l'échantillon. Remarquer le changement d'apparence de la cellule avec le revêtement en fluorure de magnésium.Pour éliminer le masque d'encre des contacts de la cellule, plongez la cellule avec le revêtement diélectrique dans l'acétone. Attendez que le diélectrique au-dessus de l'encre commence à se fissurer et à se détacher. Maintenez la cellule dans l'acétone jusqu'à ce que toute l'encre avec le diélectrique soit retirée et que les contacts métalliques soient complètement exposés.Retirez l'échantillon de l'acétone. Essayez avec un pistolet à azote. Appliquez une couche de peinture blanche à l’aide d’un pinceau fin et doux sur toute la surface de la cellule.En évitant soigneusement les contacts métalliques, la couche de peinture doit être suffisamment épaisse pour être complètement opaque, de sorte qu'aucune lumière ne soit visible en regardant à travers la cellule peinte placée devant une source lumineuse intense ; laissez sécher la peinture pendant un jour. Le courant en court-circuit de la cellule solaire est calculé en intégrant la courbe d'efficacité quantique externe ou EQE sur le spectre solaire global standard. Le courant de la cellule ainsi que son augmentation due au piégeage de la lumière dépendent de l'épaisseur de la couche absorbante de la cellule.Le courant lui-même est plus élevé pour les cellules plus épaisses, mais l'augmentation du courant est plus importante pour les dispositifs plus minces. Les cellules d'origine, d'une épaisseur de deux microns et sans piégeage de la lumière, présentent une densité de courant de court-circuit mesurée à environ 15 milliampères par centimètre carré avec un réflecteur arrière diffus. Le courant peut atteindre environ 20 milliampères par centimètre carré, soit 25 à 31 % de plus, après la fabrication d'un réseau de nanoparticules sur la surface arrière de la cellule.La densité de courant de court-circuit augmente jusqu'à environ 20 milliampères par centimètre carré, soit un gain de 32 %, légèrement supérieur à l'effet d'amélioration du réflecteur arrière diffus. Ce n'est qu'après l'ajout du réflecteur arrière diffus sur l'enveloppe de fluorure de magnésium à la cellule comportant le réseau de nanoparticules plasmoniques que la densité de courant de court-circuit est davantage augmentée, atteignant 22,3 milliampères par centimètre carré, ou environ 45 % de gain. Notez que pour la cellule d'une épaisseur de trois micromètres, tous les courants sont plus élevés, jusqu'à 25,7 milliampères par centimètre carré, tandis que le gain relatif est légèrement inférieur, à 42 %. Le piégeage de lumière a un effet relativement plus important dans les dispositifs plus minces, une fois maîtrisé.Cette procédure peut être réalisée en quatre à cinq heures si elle est effectuée correctement. À l'exception de l'ajout de la peinture réfléchissante, qui prendra environ 12 heures et nécessite une température ambiante. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension du fonctionnement du piégeage de l'argile plasmonique pour les cellules solaires.En outre, vous devez bien comprendre comment fabriquer un réflecteur de diffusion de type plasmonique sur les cellules solaires afin d'améliorer le piégeage de la lumière dans le courant photoélectrique de la cellule.

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