プラズモニック·強化されたライトトラップによる多結晶シリコン薄膜太陽電池

ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜太陽電池は、結晶化、欠陥のパッシベーションおよびメタライゼーションに続いてホウ素やリンをドープしたシリコン層の堆積によって製造されています。プラズモニック光トラッピングは〜45％の光電流の増強の結果、拡散反射板でキャップシリコン細胞表面上のAgナノ粒子を形成することによって導入されています。

次の実験の全体的な目標は、プラズモニックナノ粒子による光散乱が薄膜太陽電池の光捕捉をどのように強化し、それらの性能を向上させるかを実証することです。これは、後部薄膜太陽電池表面に前駆体銀膜を堆積させ、それをひざまずかせて光散乱ランダム銀ナノ粒子アレイを作製することによって達成されます。第2のステップとして、ナノ粒子アレイを有する太陽電池は、フッ化マグネシウム誘電体層で被覆され、続いて白色塗料で被覆され、ナノ粒子アレイを介して透過された光を捕捉する拡散後部反射板が追加され、セルの光電流、太陽電池に入る光および最初のパスで吸収されない光をさらに強化するために、 ナノ粒子アレイと斜めの角度での後部拡散反射板の両方によって細胞に散乱され、光学セルの厚さが増大し、したがって光吸収が改善されるプラズモニック光散乱反射板の存在下で太陽電池の短絡電流が45%増加することを示す結果が得られる。

テクスチャリングに基づく従来の光捕捉アプローチのこの技術の主な利点は、プランナーおよび完全に製造されたデバイスに適用できるため、テクスチャ関連の欠陥またはデバイス製造プロセスとの非互換性による不可能な合併症を回避できることです。この方法は結晶性シリコン症候群細胞に適用されますが、他のタイプの太陽細胞や光電子デバイスにも適用して、好色な、シリコン、マイクロメートルのフィルムセル、有機太陽セル、さらには発光ダイオードなどの性能を向上させることができます。このプロトコルは、このビデオに付属する書面によるプロトコルで説明されているように、多結晶シリコン太陽電池の製造から始めます。

2週間にわたる製造プロセスから得られたセルのこのクローズアップビューは、シリコンナノ粒子が形成されるメタライゼーションパターンの間のセルシリコン表面を示しています。金属化された細胞表面を乾燥窒素で吹き飛ばしてほこりを取り除き、0.3〜0.5グラムの銀顆粒で満たされたタングステンボートを含む熱蒸発器にサンプルをロードします。蒸発器チャンバーを2〜3×10の基本圧力までポンプダウンし、マイナス5つのtorNextプログラムにします。

水晶モニターは、銀のパラメータを持つQCMと略されます。Sを確認してくださいampファイルシャッターが閉じていることを確認し、タングステンボートヒーターをオンにします。ビューポートを通して観察されるように銀の顆粒が溶けるまで、圧力が8×10からマイナス5トールまで上昇するのを避けるために、電流を十分にゆっくりと増やします圧力が安定したら、電流を毎秒0.1〜0.2オングストロームの銀の堆積速度に対応する設定値に設定します。

シャッターを開けて、蒸着プロセスを開始します。プラスモノリフレクターの製造における重要な側面は、銀膜の厚さと膝の状態を正確に制御することです。最高の性能を発揮するナノ粒子アレイを形成するため。

QCMを使用して成長する銀膜の厚さを監視し、厚さが14ナノメートルに達したらシャッターを閉じ、タングステンボートを約15分間冷却してからサンプルを降ろし、新たに堆積した銀膜を持つセルを摂氏230度に予熱した窒素パージオーブンに入れ、50分間ひざまずきます。ひざまずいた後、ナノ粒子の存在により表面の外観の変化が明らかになります。リアリフレクターは、厚さ約300ナノメートルのフッ化マグネシウム誘電体クラッディングと市販の白い天井塗料のコートで構成されています。

リアリフレクターを製作する前に、セルの接点に黒色のマーカーインクを塗布して保護してください。これにより、リフトオフプロセスによる誘電体の下からの接点の露出が可能になります。窒素ガンを使用してナノ粒子アレイを吹き飛ばし、塗装された接点を吹き飛ばしてほこりを取り除きます。

適度な窒素圧を利用して、毎週付着したナノ粒子を除去しないようにします。マグネシウムを充填したタングステンボートを含むサーマルエバポレーターにサンプルを入れます。フッ化物片。

蒸発器を2〜3×10の圧力にポンプダウンし、マイナス5つのトールセットにします。フッ化マグネシウムのQCMパラメータは、サンプルシャッターが閉じていることを確認し、ボートをオンにします。ヒーターは、ビューポートを通して見えるようにフッ化マグネシウムが溶けるまで、過度の加圧を避けるために電流をゆっくりと増加させます。

圧力が安定したら、フッ化マグネシウムの沈着速度である0.3ナノメートル/秒に対応する設定値に電流を設定し、サンプルシャッターを開きます。QCMを使用して堆積膜の厚さを監視し、300ナノメートルに達したらシャッターを閉じ、タングステンボートが約15分間冷却された後、ヒーターをオフにし、サンプルをアンロードします。フッ化マグネシウムクラッドによる細胞の外観の変化に注意してください。

セル接点からインクマスクを除去するには、誘電体クラッドを含むセルをアセトンに浸します。インクの上の誘電体が割れて浮き上がり始めるまで待ちます。誘電体を含むすべてのインクが除去され、金属接点が完全に露出するまで、セルをアセトンに保ちます。

アセトンからサンプルを取り出します。窒素ガンで試してみてください。セル表面全体に、細かい柔らかいブラシで白い塗料の層を塗ります。

金属接触を慎重に避けて、塗料層は完全に不透明になるのに十分な厚さにする必要があります 塗装されたセルを通して明るい光源を見るときに光が見えないように、塗料を1日乾かします。太陽電池の短絡電流は、標準的な全球太陽スペクトル上の外部量子効率またはEQE曲線を積分することによって計算されます。セル電流と光トラッピングによるセル電流の増強は、セルアブソーバー層の厚さに依存します。

電流自体は厚いセルほど高くなりますが、薄いデバイスほど電流の増強が高くなります。光トラップのない元の2ミクロンの厚さのセルは、拡散逆反射板を使用して約15ミリアンペア/平方センチメートルで測定された短絡電流密度を持っています。電流は、後部セル表面にナノ粒子アレイを作製した後、約20ミリアンペア/平方センチメートル、または25〜31%高くなります。

短絡電流密度は、1平方センチメートルあたり約20ミリアンペアまで増加し、これは32%向上し、拡散バックリフレクターの強化効果よりもわずかに優れています。フッ化マグネシウムクラッドの背面拡散リフレクターをプラズモニックナノ粒子アレイでセルに追加した後でのみ、短絡電流密度はさらに22.3ミリアンペア/平方センチメートルまたは約45%向上します。3ミクロンの厚さのセルの場合、すべての電流は25.7ミリアンペア/平方センチメートルまで高く、相対的な強化は42%とわずかに低いことに注意してください。

この手順は、適切に実行すれば、4〜5時間以内に実行できます。除くと、反射塗料を結合しますが、これには約12時間と室温が必要です。このビデオを見た後、プラズモン粘土トラップが太陽電池でどのように機能するかについてよく理解できるはずです。

さらに、太陽電池に散乱反射板のようなプラズモニックを作製して、セルの光電流の光捕捉を改善する方法についてよく理解している必要があります。