אחת הגישות המרכזיות להפחתת עלויותיהם של תאי סולאריים היא צמצום כמות חומר המישממי (semiconductor) המשמש לייצורם והפחתת עובי התאים. כדי לפצות על ספיגת אור נמוכה יותר, התקנים דקים פיזית שכאלו חייבים להטמיע מנגנוני לכידת אור המגדילים את העובי האופטי שלהם. פיזור אור על ידי משטחים בעלי טקסטורה הוא טכניקה נפוצה, אך לא ניתן להחילה באופן גורף על כל טכנולוגיות התאים הסולאריים. חלק מהתאים, למשל אלו העשויים מסיליקון מאופרא, הם מישוריים בעת ייצורם והם דורשים אמצעי לכידת אור חלופי המתאים להתקנים מישוריים. גישה יעילה לכך היא שימוש בננו-חלקיקים מתכתיים הנוצרים על פני השטח של תא סיליקון מישורי ומסוגלים להפחית אור הודות לתהודה פלסמונית של פני השטח (surface plasmon resonance).
המאמר מציג הליך ייצור של תאי סולאריים מסיליקון פוליקריסטלי מאויד עם לכידת אור פלסמונית, ומדגים כיצד יעילות הקוונטום של התא משתפרת עקב נוכחותן של ננו-חלקיקי מתכת.
כדי לייצר את התאים, שכבה המורכבת משכבות סיליקון לסירוגין מסוממות בבורון ובזרחן מורספת על מצע זכוכית באמצעות אידוי באלומה אלקטרונית. שכבה שהייתה אמורפית בתחילה עוברת התגבשות, ופגמים אלקטרוניים מומתנים על ידי חישול ופסיבציה במימן. מגשרי מגעים ממתכת מיושמים על השכבות בעלות הקוטביות הנגדית כדי להוציא את החשמל הנוצר בתא. בדרך כלל, לתא כזה בעובי של ~2 μm יש צפיפות זרם קצר (Jsc) של 14-16 mA/cm2, אותה ניתן להעלות עד ל-17-18 mA/cm2 (גבוהה ב-~25%) לאחר יישום של מחזיר אור אחורי מפוזר פשוט העשוי מצבע לבן.
כדי ליישם לכידת אור פלסמונית, נוצר מערך של ננו-חלקיקי כסף על פני השטח של הסיליקון המטלי של התא. שכבת כסף ראשונית מורגשת על התא באמצעות אידוי תרמי ומעובדת בחום ב-23°C כדי ליצור ננו-חלקיקי כסף. ניתן לכוון את גודל ונחיתות הננו-חלקיקים, המשפיעים על פיזור האור הפלסמוני, לצורך שיפור ביצועי התא על ידי שינוי עובי השכבה הראשונית ותנאי החמימה שלה. מערך ננו-חלקיקים מותאם בלבד מוביל לשיפור של ה-Jsc של התא בכ-28%, בדומה להשפעה של מחזיר אור מפוזר. ניתן להגביר את זרם הפוטו-אלקטרונים עוד יותר על ידי ציפוי הננו-חלקיקים בדיאלקטריק בעל מקדם שבירה נמוך, כגון MgF2, והחלת מחזיר האור המפוזר. מבנה התא הפלסמוני המלא מורכב משכבת סיליקון פוליקריסטליני, מערך ננו-חלקיקי כסף, שכבת MgF2 ומחזיר אור מפוזר. ה-Jsc עבור תא כזה הוא 21-23 mA/cm2, גבוה בעד 45% מה-Jsc של התא המקורי ללא לכידת אור, או גבוה בכ-25% מה-Jsc עבור תא עם מחזיר אור מפוזר בלבד.
מבוא
לכידת אור בתאי סיליקון סולאריים מושגת בדרך כלל באמצעות פיזור אור בממשקים בעלי טקסטורה. אור מפוזר נע בתוך התא בזוויות אלכסוניות למרחק ארוך יותר, וכאשר זוויות אלו עולות על הזווית הקריטית בממשקי התא, האור נלכד באופן קבוע בתא על ידי החזרה פנימית מלאה (Animation 1: Light-trapping). למרות שסכימה זו פועלת היטב עבור רוב התאים הסולאריים, קיימות טכנולוגיות מתפתחות שבהן שכבות Si דקות במיוחד מיוצרות באופן מישורי (למשל, טכנולוגיות העברת שכבות ושכבות epitaxial c-Si) 1 או כאשר שכבות אלו אינן תואמות למצעים בעלי טקסטורה (למשל, סיליקון מאודה) 2. עבור שכבות Si מישוריות במקור אלו, הוצעו גישות חלופיות ללכידת אור, כגון מחזיר אור בצבע לבן מפוזר 3, טקסטורציה של סיליקון באמצעות פלזמה 4 או מחזיר אור מננו-חלקיקים בעלי מקדם שבירה גבוה 5.
ננו-חלקיקי מתכת יכולים לפזר ביעילות אור פגוע לתוך חומר בעל מקדם שבירה גבוה יותר, כגון סיליקון, הודות לאפקט תהודה של פלזמונים פניים 6. ניתן גם ליצור אותם בקלות על פני השטח המישוריים של תא סיליקון, ובכך להציע גישה ללכידת אור כחלופה לטקסטורציה. עבור ננו-חלקיק הממוקם בממשק האוויר-סיליקון, חלק האור המפוזר המצומד לסיליקון עולה על 95%, וחלק גדול מאור זה מפוזר בזוויות שמעל הזווית הקריטית, מה שמספק תנאי לכידת אור כמעט אידיאליים (Animation 2: Plasmons on NP). ניתן לכוונן את התהודה לאזור אורך הגל החשוב ביותר עבור חומר ותכנון ספציפיים של תא, על ידי שינוי הגודל הממוצע של הננו-חלקיקים, כיסוי פני השטח והסביבה הדיאלקטרית המקומית 6,7. עקרונות תכנון תיאורטיים של תאי סולאריים המבוססים על ננו-חלקיקים פלסמוניים הוצעו במחקרים 8. בפועל, מערך של ננו-חלקיקי Ag הוא שותף אידיאלי ללכידת אור עבור תאי סולאריים של שכבה דקה של poly-Si, מכיוון שרוב עקרונות התכנון הללו מתמלאים באופן טבעי. הדרך הפשוטה ביותר ליצירת ננו-חלקיקים באמצעות התבססות תרמית (thermal annealing) של שכבת מקור דקה של Ag מביאה למערך אקראי עם התפלגות גודל וצורה רחבה יחסית, דבר המתאים במיוחד ללכידת אור כיוון שמערך כזה הוא בעל פס תהודה רחב, המכסה את טווח אורכי הגל של 700-900 nm, החשוב לביצועי תאי סולאריים של poly-Si. ניתן למקם את מערך הננו-חלקיקים רק על פני השטח האחוריים של תא ה-poly-Si, ובכך למנוע התאבכות הרסנית בין האור הפגוע לאור המפוזר, המתרחשת עבור ננו-חלקיקים הממוקמים בחלק הקדמי 9. יתרה מכך, תאי שכבה דקה של poly-Si אינם דורשים שכבת פסיבציה, והננו-חלקיקים בעלי הבסיס השטוח (שנוצרים באופן טבעי מהתבססות תרמית של שכבת מתכת) יכולים להונח ישירות על הסיליקון, מה שמגביר עוד יותר את יעילות הפיזור הפלסמוני בשל תהודת פלזמון-פולריטון פני 10.
לתא עם מערך הננוחלקיקים הפלסמוניים כפי שמתואר לעיל יכול להיות זרם פוטו-אלקטרי הגבוה בכ-28% מזה של התא המקורי. עם זאת, המערך עדיין מעביר כמות משמעותית של אור הבורחת דרך גב התא ואינה תורמת לזרם. ניתן לצמצם הפסד זה על ידי הוספת מחזיר אור אחורי כדי לאפשר לכידה של האור המועבר והפניתו בחזרה אל התא. במידה ויישמר מרחק מספיק בין המחזיר לננוחלקיקים (כמה מאות ננומטרים), האור המוחזר יעבור אירוע פיזור פלסמוני נוסף בעת מעברו דרך מערך הננוחלקיקים עם כניסתו מחדש לתא, וניתן להפוך את המחזיר עצמו למפיץ (diffuse) - שני אפקטים אלו מקלים עוד יותר על פיזור האור ובכך על לכידת האור. חשוב לציין כי יש לאג encapsulating את ננוחלקיקי ה-Ag בדיאלקטרי אינרטי בעל מקדם שבירה נמוך, כגון MgF2 או SiO2, מהמחזיר האחורי כדי למנוע נזק מכני וכימי 7. מקדם שבירה נמוך עבור שכבת הציפוי (cladding) זו נדרש כדי לשמור על שבר צימוד גבוה לתוך הסיליקון ועל זוויות פיזור גדולות יותר, המובטחות על ידי הניגודיות האופטית הגבוהה בין התווכים משני צדדי הננוחלקיק, הסיליקון והדיאלקטרי 6. הזרם הפוטו-אלקטרי של התא הפלסמוני עם המחזיר האחורי המפיץ יכול להיות גבוה בעד 45% מהזרם של התא המקורי, או גבוה בעד 25% מהזרם של תא שווה-ערך עם מחזיר מפיץ בלבד.