Celle in silicio policristallino solari a film sottile con plasmoniche-enhanced Light-trapping

Sommario

In silicio policristallino a film sottile celle solari su vetro sono fabbricati dalla deposizione di strati di silicio drogati con boro e fosforo, seguita da cristallizzazione, passivazione difetto e metallizzazione. Plasmonici luce trapping viene introdotto formando nanoparticelle Ag sulla superficie cellulare di silicio ricoperto con un riflettore diffuso conseguente miglioramento fotocorrente ~ 45%.

Abstract

Uno dei principali approcci per ridurre il costo delle celle solari consiste nel diminuire la quantità di materiale semiconduttore utilizzato per la loro fabbricazione, rendendo le celle più sottili. Per compensare l'assorbimento luminoso ridotto, questi dispositivi fisicamente sottili devono incorporare tecniche di intrappolamento della luce che aumentino la loro spessore ottico. La diffusione della luce causata da superfici strutturate è una tecnica comune, ma non può essere applicata universalmente a tutte le tecnologie per celle solari. Alcune celle, ad esempio quelle realizzate con silicio evaporato, sono planari per come vengono prodotte e richiedono un metodo alternativo di intrappolamento della luce adatto a dispositivi planari. L'uso di nanoparticelle metalliche formate sulla superficie di celle in silicio planari, in grado di diffondere la luce grazie alla risonanza plasmonica di superficie, rappresenta un approccio efficace.

Il documento presenta una procedura di fabbricazione di celle solari in silicio policristallino evaporato con intrappolamento della luce plasmonico e dimostra come l'efficienza quantica della cella migliori a causa della presenza di nanoparticelle metalliche.

Per realizzare le celle, un film costituito da strati alternati di silicio drogato al boro e al fosforo viene depositato su un substrato di vetro mediante evaporazione con fascio elettronico. Un film inizialmente amorfo viene cristallizzato e i difetti elettronici vengono ridotti mediante ricottura e passivazione con idrogeno. Contatti a griglia metallica vengono applicati sugli strati di polarità opposta per estrarre l'elettricità generata dalla cella. Tipicamente, una cella spessa circa 2 μm presenta una densità di corrente di cortocircuito (Jsc) di 14-16 mA/cm², che può aumentare fino a 17-18 mA/cm² (~25% in più) dopo l'applicazione di un semplice riflettore posteriore diffusivo realizzato con una vernice bianca.

Per implementare l'intrappolamento della luce mediante plasmonica, viene formata un'array di nanoparticelle d'argento sulla superficie di silicio metallizzata della cella. Un film precursori di argento viene depositato sulla cella mediante evaporazione termica e ricotto a 23°C per formare nanoparticelle d'argento. Le dimensioni e la copertura delle nanoparticelle, che influenzano la diffusione plasmonica della luce, possono essere regolate per migliorare le prestazioni della cella variando lo spessore del film precursori e le condizioni di ricottura. Un array di nanoparticelle ottimizzato consente un aumento della Jsc della cella di circa il 28%, simile all'effetto del riflettore diffuso. La corrente fotogenerata può essere ulteriormente aumentata ricoprendo le nanoparticelle con un dielettrico a basso indice di rifrazione, come MgF₂, e applicando il riflettore diffuso. La struttura completa della cella plasmonica comprende il film di silicio policristallino, un array di nanoparticelle d'argento, uno strato di MgF₂ e un riflettore diffuso. La Jsc di tale cella è compresa tra 21 e 23 mA/cm², fino al 45% superiore rispetto alla Jsc della cella originale senza intrappolamento della luce o circa il 25% superiore rispetto alla Jsc della cella con solo il riflettore diffuso.

Introduzione

L'incanalamento della luce in celle solari al silicio è comunemente ottenuto mediante dispersione della luce a interfacce strutturate. La luce dispersa attraversa la cella con angoli obliqui, percorrendo una distanza maggiore, e quando tali angoli superano l'angolo critico alle interfacce della cella, la luce viene intrappolata permanentemente all'interno della cella grazie alla riflessione totale interna (Animazione 1: Incanalamento della luce). Sebbene questo approccio funzioni bene per la maggior parte delle celle solari, esistono tecnologie emergenti in cui strati sottilissimi di Si vengono prodotti in forma planare (ad esempio tecnologie di trasferimento di strato e strati di c-Si epitassiali) ¹ oppure in cui tali strati non sono compatibili con substrati strutturati (ad esempio silicio evaporato) ². Per questi strati di Si inizialmente planari, sono stati proposti approcci alternativi all'incanalamento della luce, come riflettori a vernice bianca diffusiva ³, strutturazione del silicio mediante plasma ⁴ o riflettori a nanoparticelle con alto indice di rifrazione ⁵.

Le nanoparticelle metalliche possono disperdere efficacemente la luce incidente in un materiale con indice di rifrazione più elevato, come il silicio, grazie all'effetto di risonanza plasmonica di superficie ⁶. Possono inoltre essere facilmente formate sulla superficie piana della cella al silicio, offrendo un approccio alternativo alla testurizzazione per il confinamento della luce. Per una nanoparticella posizionata all'interfaccia aria-silicio, la frazione di luce dispersa accoppiata nel silicio supera il 95% e una grande parte di tale luce viene dispersa a angoli superiori all'angolo critico, creando condizioni quasi ideali per il confinamento della luce (Animazione 2: Plasmoni sulle NP). La risonanza può essere sintonizzata sulla regione di lunghezza d'onda più importante per un particolare materiale e progettazione della cella, variando la dimensione media delle nanoparticelle, la copertura superficiale e l'ambiente dielettrico locale ^6,7. Sono stati proposti principi teorici di progettazione per celle solari a nanoparticelle plasmoniche ⁸. In pratica, un reticolo di nanoparticelle di Ag è un partner ideale per il confinamento della luce nelle celle solari a film sottile di silicio policristallino, poiché la maggior parte di questi principi di progettazione è naturalmente soddisfatta. Il metodo più semplice per formare nanoparticelle, ovvero l'annealing termico di un sottile film precursore di Ag, produce un reticolo casuale con una distribuzione relativamente ampia di dimensioni e forme, il che risulta particolarmente adatto al confinamento della luce, poiché tale reticolo presenta un picco di risonanza ampio, che copre l'intervallo di lunghezze d'onda compreso tra 700 e 900 nm, cruciale per le prestazioni delle celle solari a silicio policristallino. Il reticolo di nanoparticelle può essere posizionato esclusivamente sulla superficie posteriore della cella al poli-Si, evitando così l'interferenza distruttiva tra la luce incidente e quella dispersa, che si verifica con nanoparticelle posizionate sulla superficie anteriore ⁹. Inoltre, le celle a film sottile di poli-Si non richiedono uno strato passivante e le nanoparticelle con base piatta (che si formano naturalmente durante l'annealing termico di un film metallico) possono essere posizionate direttamente sul silicio, aumentando ulteriormente l'efficienza della diffusione plasmonica grazie alla risonanza plasmon-polaritone di superficie ¹⁰.

La cella con l'array di nanoparticelle plasmoniche come descritto in precedenza può avere una fotocorrente circa il 28% più alta rispetto alla cella originale. Tuttavia, l'array trasmette ancora una quantità significativa di luce che fuoriesce dal retro della cella e non contribuisce alla corrente. Questa perdita può essere ridotta aggiungendo un riflettore posteriore che permetta di catturare la luce trasmessa e di reimmetterla nuovamente nella cella. Mantenendo una distanza sufficiente tra il riflettore e le nanoparticelle (alcune centinaia di nanometri), la luce riflessa subirà un ulteriore evento di scattering plasmonico mentre riattraversa l'array di nanoparticelle entrando nella cella; inoltre, il riflettore stesso può essere reso diffusivo: entrambi questi effetti favoriscono ulteriormente lo scattering della luce e quindi il confinamento luminoso. È importante che le nanoparticelle di Ag vengano incapsulate con un dielettrico inerte e a basso indice di rifrazione, come MgF₂ o SiO₂, per proteggerle dal riflettore posteriore ed evitare danni meccanici e chimici⁷. Un basso indice di rifrazione per questo strato di rivestimento è necessario per mantenere un'alta frazione di accoppiamento nel silicio e angoli di scattering più ampi, garantiti dall'elevato contrasto ottico tra i mezzi su entrambi i lati della nanoparticella, silicio e dielettrico⁶. La fotocorrente della cella plasmonica con il riflettore posteriore diffusivo può essere fino al 45% più alta rispetto alla corrente della cella originale o fino al 25% più alta rispetto alla corrente di una cella equivalente dotata soltanto di riflettore diffusivo.

Protocollo

1. Fabbricazione di celle solari in silicio policristallino (animazione 3)

1. Silicon deposizione di film
   1. Preparare la e-beam strumento evaporazione dalla cottura di fuori a ~ 100 ° C per una notte a raggiungere la pressione di base <3E-8 Torr. Preset il riscaldatore campione alla temperatura di 150 ° C standby.
   2. Utilizzare un substrato fatto di 5x5 cm ² (o 10 x10 cm ²⁾ del substrato di vetro borosilicato (Schott Borofloat33), 1,1 o 3,3 mm di spessore, rivestite con ~ 80 nm di nitruro di silicio (preparato PECVD da N ₂ e SiH ₄ miscela).
   3. Suonate la superficie del substrato con azoto secco per rimuovere la polvere, metterla in un porta-campioni. Sfiatare il blocco di carico, caricare il campione, pompare il carico bloccare alla pressione
   4. Controllare che il drogantepersiane sorgente di origine e il silicio sono chiuse. Preimpostati sorgenti di temperatura a temperature droganti standby, cioè la temperatura sorgente fosforo a 700 ° C e temperatura boro sorgente a 1250 ° C. Avviare e-gun e si fondono in un crogiolo di silicio aumentando lentamente l'e-gun corrente.
   5. Quando la corrente desiderata (da calibrazione precedente: questa corrente può variare a seconda delle e-gun e le condizioni della sorgente di Si) evaporare strati di silicio drogato con le concentrazioni richieste di P e B: 35 nm emettitore a 1E20 cm ^-3 di P ; 2 ~ 3 assorbitore um a 5E15 ^-3 cm di B; 100 nm back-superficie di campo (BSF) a 4E19 ^-3 cm di B. Le concentrazioni esatte droganti vengono raggiunti da alcuni corrispondenti velocità di deposizione silicio, come misurato da Quarzo Monitor (QCM), con determinate temperature sorgente drogante, usando le relazioni stabilite dalla calibrazione SIMS.
   6. Dopo l'evaporazione è fatto spegnere il riscaldatore, raffreddare il campione per ~ 10 min. Transfer il campione al carico-blocco, chiudere il cancello-valvola, sfiatare il blocco di carico e scarico del campione con il film di silicio.
2. Silicon cristallizzazione
   Se il campione è 10x10 cm ^2, può essere tagliato in quattro pezzi di 5x5 cm ² cellulari dimensioni prima cristallizzazione. Posizionare un film di silicio depositato su vetro (film Si up) su un supporto fatto di ruvida e rivestito di nitruro di silicio Schott ROBAX vetro (per evitare di attaccare). Carica in un forno preriscaldato a azoto purificato 200-300 ° C. Di salita della temperatura fino a 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min e ricottura per 30 h. Girare del riscaldatore forno e lasciate raffreddare naturalmente forno a ~ 200 ° C (2 ~ 3 ore) prima di scaricare il campione. Il campione può avere una forma concava a causa di restringimento silicio durante la cristallizzazione. Esso appiattire durante il seguente trattamento rapido termico.
3. Attivazione del drogante e difetto di ricottura (RTA)
   Porre il campione con il film cristallizzato su un supporto realizzato di grafite pirolitica e load ad un processore rapido termica lavata con argo. La rampa di temperatura fino a 600 ° C a 1 ° C / s, quindi fino a 1000 ° C a 20 ° C / s, premuto per 1 minuto quindi raffreddare naturalmente a ~ 100 ° C e scarico.
4. Superficie di ossido di rimozione
   Immediatamente prima idrogenazione l'ossido formata sulla superficie del film di silicio durante la cristallizzazione e RTA devono essere rimossi per garantire che la nuda superficie della pellicola di silicio è esposto a idrogeno. Immergere il campione ricotto in soluzione al 5% HF fino a quando la superficie del silicio diventa idrorepellente (30 ~ 100 s). Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con una pistola di azoto.
5. Difetto passivazione
   Caricare il campione in una camera a vuoto dotato di sorgente remota plasma di idrogeno. Pompa al di sotto <1E-4 Torr, riscalda il campione fino a ~ 620 ° C, accendere il argon / miscela flusso di idrogeno (50:150 sccm), impostare la pressione 50-100 mTorr, avviare la sorgente del plasma a 3,5 kW di la potenza delle microonde e continuare il processo per ~ 10 min. Spegnere il riscaldatore, mentre maintaesaminando la plasma per un altro 10-15 min fino a quando la temperatura scende al di sotto 350 ° C prima di girare il plasma spento e arrestare il flusso di gas. Scaricare il campione quando la temperatura è inferiore a 200 ° C.
6. Cella metallizzazione
   Metallizzazione cella viene condotta in una serie consecutiva di patterning fotolitografica, deposizione di film di Al e incisione fasi che sono descritti in dettaglio in ^11. La cella finale si presenta come mostrato in l'ultima diapositiva di animazione 3. Una vista ravvicinata della cella metallizzato viene mostrato nella figura 1.
7. Misurare EQE della cella metallizzato.

2. Realizzazione della nanoparticelle plasmoniche Ag (Animazione 4)

1. Suonate la superficie metallizzata cella con azoto secco per rimuovere la polvere e caricare il campione in un evaporatore termico, contenenti una barca W riempito con granuli di Ag (0,3-0,5 g). Pump la camera di evaporatore alla pressione di base 2 ~ 3E-5 Torr. QCM di programma con i parametri per Ag: Densità 10,50e Z rapporto di 0,529.
2. Assicurarsi che l'otturatore campione è chiuso, accendere il riscaldamento della barca W e aumentare lentamente la corrente sufficiente per evitare l'aumento della pressione al di sopra 8E-5 Torr fino granuli Ag sciogliersi (come osservate attraverso una visione-port). Dopo la pressione si stabilizza impostare la corrente fino al punto corrispondente set la velocità di deposizione Ag di 0,1-0,2 Å / s (da calibrazione) e aprire l'otturatore per avviare il processo di deposizione.
3. Monitorare la crescita spessore della pellicola di Ag usando QCM e chiudere l'otturatore quando lo spessore di 14 nm viene raggiunto. Lasciare la barca W raffreddare per circa 15 min, scaricare il campione. Il film deve essere ricotto per formare nanoparticelle appena dopo la deposizione possibile per evitare l'ossidazione Ag.
4. Una cella con una pellicola di Ag appena depositato viene posto in un forno preriscaldato spurgato con azoto gassoso a 230 0,1-0,2 ° C, ricotto per 50 min, e quindi scaricato. Notare la variazione di aspetto superficiale a causa di nanoparticelle. Microscopia a scansione elettronica dell'immagine, di nanoparticelle di Ag è shown in Fig. 2.
5. Misurare EQE della cellula con la matrice delle nanoparticelle.

3. Realizzazione della riflettore posteriore

Il riflettore posteriore è composta da ~ 300 nm di spessore MgF ₂ (RI 1.38) rivestimento dielettrico con una mano di vernice commerciale soffitto bianco (Dulux).

1. Prima di fabbricazione del riflettore posteriore i contatti cellule devono essere protetti applicando un inchiostro nero marcatore su di essi, che permette di esporre i contatti da sotto il dielettrico da un lift-off processo.
2. Utilizzare la pistola di azoto a soffiare il campione con array di NP e contatti dipinte per rimuovere la polvere. Utilizzare modesta pressione di azoto e fare attenzione a non soffiare via le nanoparticelle. Porre il campione nell'evaporatore termico contenente una barca W riempito con MgF ₂ pezzi. Svuotare il evaporatore a pressione di 2 ~ 3E-5 Torr. Impostare i parametri per QCM MgF _2: densità 3,05 e il rapporto Z 0,637.
3. Assicurarsi che il campione shutter è chiuso, accendere il riscaldamento barca e aumentare lentamente la corrente per evitare un eccessivo aumento della pressione fino MgF ₂ si scioglie come si è visto attraverso una visione-port. Dopo la pressione si stabilizza impostare la corrente al set point che corrispondono a ₂ velocità di deposizione MgF di 0,3 nm / s ed aprire l'otturatore campione.
4. Monitorare lo spessore depositato utilizzando QCM e chiudere l'otturatore quando 300 nm viene raggiunto.
5. Spegnere il riscaldatore. Lasciare la barca W raffreddare per circa 15 minuti, scaricare il campione. Notare il cambiamento nell'aspetto cella con la MgF ₂ rivestimento.
6. Per rimuovere la maschera di inchiostro dai contatti cella immergere la cella con il rivestimento dielettrico in acetone. Attendere il dielettrico sopra l'inchiostro inizia cracking e sollevando il piede. Mantenere la cella in acetone finché tutto l'inchiostro con il dielettrico viene rimosso e le contatti metallici sono completamente esposti. Rimuovere il campione dal acetone, risciacquare con acetone fresco e secco con la pistola di azoto.
7. Applicare uno strato di unavernice bianca (Dulux One-Coat vernice soffitto) con un pennello morbido sulla superficie della cellula intera evitando accuratamente i contatti metallici. Lo strato di vernice deve essere sufficientemente spesso per essere completamente opaca (~> 0,5 mm), così che nessuna luce può essere visto guardando attraverso la cella dipinta alla sorgente luminosa. Lasciate asciugare per dipingere un giorno.
8. Misurare EQE della cella con il riflettore posteriore vernice bianca.

4. Risultati rappresentativi

La cella solare corrente di corto circuito si calcola integrando la curva EQE rispetto allo standard dello spettro solare globale (massa d'aria 1,5). Sia la cella corrente e la valorizzazione dovuto alla luce-trapping dipendono dallo spessore dello strato assorbente cella: la stessa corrente è maggiore per le cellule ma più spessi il miglioramento corrente è maggiore per i dispositivi più sottili, vedi Tabella 1 per i rispettivi dati e animazione 5 per EQE curve. Le cellule originali 2 micron di spessore, senza luce-trapping, hAve Jsc misurata a passo 1,7.) di ~ 15 mA / cm ^2. Dopo la fabbricazione di una matrice di nanoparticelle, Jsc aumenta fino a circa 20 mA / cm ^2, che è 32% miglioramento. E 'leggermente migliore rispetto all'effetto miglioramento del 25-30% entro il riflettore posteriore diffusa solo. Dopo aver aggiunto il riflettore posteriore diffusa sul MgF ₂ rivestimento alla cella con la matrice nanoparticelle plasmoniche, il Jsc è ulteriormente aumentato a 22,3 mA / cm ^2, o circa il 45% miglioramento. Si noti che per la cella di 3 micron di spessore tutte le correnti sono più alti, fino a 25,7 mA / cm ^2, mentre il miglioramento relativo è leggermente inferiore, 42%: luce-trapping ha un effetto relativamente maggiore in dispositivi più sottili.

Cella spessore:	2 um		3 pm
	JSC, mA / cm 2	Trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
cella originale	15,4		18,1
Diffusa riflettore posteriore (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanoparticelle (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabella 1. Plasmonici cellula corrente di corto circuito e la sua miglioramento rispetto alla cella originale.

Figura 1. Close-up vista di poli-Si celle solari a film sottile con griglia metallizzazione.

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Figura 2. La microscopia elettronica dell'immagine di nanoparticelle Ag sulla superficie del silicio.

Figura 3. Una vista schematica di un plasmoniche silicio cristallino film sottile cella solare (non in scala).

Figura 4 esterni efficienza quantica e la corrente di corto circuito per il silicio policristallino celle a film sottile con riflettore diffusa e nanoparticelle plasmoniche: tratteggiata-black - originali 2 micron di spessore cella senza luce-trapping, Jsc 15,36 mA / cm ^2; blu - cell. con riflettore vernice diffusa, Jsc 20,08 mA / cm ^2; rosso - cellulare con plasmoniche nanoparticelle Ag, Jsc 20,31 mA / cm ^2; verde - cellulare con nanoparticelle, MgF _2, e riflettore vernice diffusa, Jsc 22,32 mA / cm ^2. Viola - 3 celle micron di spessore (il 3 mm di vetro di spessore) con nanoparticelle, MgF _2, e riflettore diffusa, Jsc 25,7 mA / cm ² (nota più bassa la risposta blu a causa delle differenze non intenzionali negli strati AR e lo spessore emettitore). Solido bianco - 2 cellula um di spessore testurizzati preparato mediante deposizione di vapore chimico maggiore plasma (il vetro 3 mm di spessore), Jsc 26,4 mA / cm ^2, mostrata per comparazione.

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Discussione

Evaporati celle solari in silicio policristallino e le light-scattering di nanoparticelle plasmoniche sono partner ideali per la luce-trapping. Tali cellule sono planari, quindi non può contare su light-scattering da superfici strutturate, né può essere facilmente nanoparticelle plasmoniche formato su superfici strutturate. Le cellule hanno una sola, superficie posteriore con il silicio esposto direttamente, il che avviene anche per essere la posizione migliore per la maggior parte delle nanoparticelle plasmoniche effic...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Nome del reattivo	Azienda	Numero di catalogo	Comments
Granulare Argento	Sigma-Aldrich	303372	99,99%
MgF 2, cristalli casuali, grado ottico	Sigma-Aldrich	378836	> = 99,99%
Dulux uno-coat soffitto vernice	Dulux		R> 90% (500-1100 nm)