유리에 다결정 실리콘 박막 태양 전지는 crystallisation, 결함 패시베이션 및 metallisation 다음 붕소 및 인 도핑된 실리콘 레이어 증착에 의해 조작된다. 가벼운 트래핑 Plasmonic은 ~ 45 % photocurrent 향상의 결과로 확산 반사판으로 공을 실리콘 전지 표면에 자세의 nanoparticles을 형성하여 소개하고 있습니다.
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이 논문에서
요약
초록
태양전원의 비용을 낮추기 위한 주요 방법 중 하나는 제작에 사용되는 반도체 물질의 양을 줄여 셀을 더 얇게 만드는 것입니다. 이렇게 물리적으로 얇은 소자는 낮은 빛 흡수율을 보완하기 위해 광학적 두께를 증가시키는 빛 가둠(light-trapping) 기술을 도입해야 합니다. 텍스처 처리된 표면에 의한 빛 산란이 일반적인 기술이지만, 이를 모든 태양전지 기술에 보편적으로 적용할 수는 없습니다. 예를 들어 증착 실리콘으로 제작된 일부 셀은 제조 시 평면 구조를 가지므로, 평면 소자에 적합한 대안적인 빛 가둠 수단이 필요합니다. 평면 실리콘 셀 표면에 형성되어 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)으로 인해 빛 산란이 가능한 금속 나노입자를 사용하는 것이 효과적인 접근 방식입니다.
본 논문은 플라즈모닉 광포집 기술이 적용된 증착 다결정 실리콘 태양전지의 제작 과정을 제시하며, 금속 나노입자의 존재로 인해 전지의 양자 효율이 어떻게 향상되는지를 입증합니다.
셀을 제작하기 위해 붕소 및 인이 도핑된 실리콘 층이 교대로 구성된 박막을 전자빔 증착법으로 유리 기판 위에 증착합니다. 초기 무정형 박막은 어닐링과 수소 패시베이션을 통해 결정화되고 전자 결함이 완화됩니다. 셀에서 생성된 전기를 추출하기 위해 서로 반대되는 극성의 층에 금속 그리드 전극을 적용합니다. 일반적으로 약 2 μm 두께의 이러한 셀은 14-16 mA/cm2의 단락 전류 밀도(Jsc)를 가지며, 흰색 페인트로 제작된 간단한 확산 후면 반사판을 적용하면 최대 17-18 mA/cm2(약 25% 증가)까지 높일 수 있습니다.
플라스모닉 빛 가둠(light-trapping)을 구현하기 위해 금속화된 셀 실리콘 표면에 은 나노입자 배열을 형성합니다. 열 증착법을 통해 셀 위에 전구체 은 박막을 증착하고 23°C에서 어닐링하여 은 나노입자를 형성합니다. 플라스모닉 빛 산란에 영향을 주는 나노입자의 크기와 피복률은 전구체 박막의 두께와 어닐링 조건을 변경함으로써 조절하여 셀 성능을 향상시킬 수 있습니다. 최적화된 나노입자 배열만으로도 확산 반사판의 효과와 유사하게 셀의 Jsc가 약 28% 향상됩니다. 나노입자를 MgF2와 같은 저굴절률 유전체로 코팅하고 확산 반사판을 적용하면 광전류를 더욱 증가시킬 수 있습니다. 전체 플라스모닉 셀 구조는 다결정 실리콘 박막, 은 나노입자 배열, MgF2 층 및 확산 반사판으로 구성됩니다. 이러한 셀의 Jsc는 21-23 mA/cm2로, 빛 가둠 처리를 하지 않은 원래 셀의 Jsc보다 최대 45% 높으며, 확산 반사판만 적용한 셀의 Jsc보다 약 25% 높습니다.
서론
실리콘 태양전지의 광 포집은 일반적으로 텍스처링된 계면에서의 빛 산란을 통해 이루어집니다. 산란된 빛은 경사각으로 전지를 통과하며 더 긴 거리를 이동하게 되는데, 이러한 각도가 전지 계면의 임계각을 초과하면 전반사에 의해 빛이 전지 내에 영구적으로 포집됩니다 (Animation 1: Light-trapping). 이러한 방식은 대부분의 태양전지에서 잘 작동하지만, 초박막 Si 층이 평면으로 제작되는 신기술(예: 층 전사 기술 및 에피택셜 c-Si 층) 1이나, 이러한 층이 텍스처링된 기판과 호환되지 않는 경우(예: 증착 실리콘) 2가 있습니다. 원래 평면인 이러한 Si 층을 위한 대안적인 광 포집 접근법으로 확산 백색 페인트 반사판 3, 실리콘 플라스마 텍스처링 4 또는 고굴절률 나노입자 반사판 5 등이 제안되어 왔습니다.
금속 나노입자는 표면 플라즈몬 공명 효과 덕분에 입사광을 실리콘과 같이 굴절률이 더 높은 물질로 효과적으로 산란시킬 수 있습니다 6. 또한 평면 실리콘 셀 표면에 쉽게 형성될 수 있어, 텍스처링을 대체하는 광 포집 방법으로 활용될 수 있습니다. 공기-실리콘 계면에 위치한 나노입자의 경우, 실리콘으로 결합되는 산란광 분율이 95%를 초과하며, 그 빛의 상당 부분이 임계각 이상의 각도로 산란되어 거의 이상적인 광 포집 조건을 제공합니다 (Animation 2: Plasmons on NP). 나노입자의 평균 크기, 표면 피복도 및 국부 유전 환경을 변화시킴으로써, 특정 셀 물질과 설계에 가장 중요한 파장 영역으로 공명 지점을 조정할 수 있습니다 6,7. 플라즈모닉 나노입자 태양전지의 이론적 설계 원리가 제안된 바 있습니다 8. 실제로 Ag 나노입자 배열은 이러한 설계 원리 대부분을 자연스럽게 충족하기 때문에 poly-Si 박막 태양전지의 이상적인 광 포집 파트너가 됩니다. 얇은 전구체 Ag 박막을 열처리하여 나노입자를 형성하는 가장 간단한 방법은 크기와 모양 분포가 비교적 넓은 무작위 배열을 생성하며, 이러한 배열은 700-900 nm의 파장 범위(poly-Si 태양전지 성능에 중요한 범위)를 커버하는 넓은 공명 피크를 가지므로 광 포집에 특히 적합합니다. 나노입자 배열은 poly-Si 셀의 후면에만 배치될 수 있어, 전면에 배치된 나노입자에서 발생하는 입사광과 산란광 사이의 상쇄 간섭을 방지할 수 있습니다 9. 또한, poly-Si 박막 셀은 패시베이션 층이 필요하지 않으며, (금속 박막의 열처리를 통해 자연스럽게 형성되는) 평평한 밑면 모양의 나노입자를 실리콘 위에 직접 배치할 수 있어 표면 플라즈몬-폴라리톤 공명으로 인한 플라즈모닉 산란 효율을 더욱 높일 수 있습니다 10.
위에서 설명한 플라즈모닉 나노입자 어레이가 포함된 셀은 기존 셀보다 약 28% 더 높은 광전류를 가질 수 있습니다. 하지만, 어레이는 여전히 상당한 양의 빛을 투과시키며, 이 빛은 셀의 후면으로 빠져나가 전류 생성에 기여하지 못합니다. 이러한 손실은 후면 반사경을 추가하여 투과된 빛을 포착하고 다시 셀로 되돌려 보냄으로써 완화할 수 있습니다. 반사경과 나노입자 사이에 충분한 거리(수백 나노미터)를 두면, 반사된 빛이 셀로 재진입하여 나노입자 어레이를 통과하는 동안 한 번 더 플라즈모닉 산란 현상을 겪게 되며, 반사경 자체를 확산형으로 제작할 수도 있습니다. 이 두 가지 효과는 빛의 산란을 더욱 촉진하여 광 포집(light-trapping) 효율을 높입니다. 중요한 점은, 후면 반사경으로부터 기계적 및 화학적 손상을 방지하기 위해 Ag 나노입자를 MgF2 또는 SiO2와 같은 불활성 및 저굴절률 유전체로 캡슐화해야 한다는 것입니다 7. 이 클래딩 층의 낮은 굴절률은 실리콘으로의 높은 결합 비율과 더 큰 산란각을 유지하기 위해 필요하며, 이는 나노입자 양측의 매질인 실리콘과 유전체 사이의 높은 광학적 대비에 의해 보장됩니다 6. 확산 후면 반사경이 있는 플라즈모닉 셀의 광전류는 기존 셀의 전류보다 최대 45% 더 높거나, 확산 반사경만 있는 동일한 셀의 전류보다 최대 25% 더 높을 수 있습니다.
프로토콜
1. 다결정 실리콘 태양 전지의 제작 (애니메이션 3)
- 실리콘 필름 증착
- ~ 100에서 그것을 베이킹하여 e-빔 증발 도구를 준비 ° C <3E-8 토르의 기본 압력에 도달하기 위해 하룻밤 사이에. 150 ° C 대기 온도 프리셋 샘플 히터.
- 5x5 cm 2 (또는 10 x10 cm 2) 기판의 borosilicate 유리 (SCHOTT Borofloat33)와 ~ 실리콘 질화물의 80 nm의 (N 2와 SiH 4 혼합 가스로부터 PECVD에 의해 준비된) 코팅 두께가 1.1 또는 3.3 mm, 만들어진 기판을 사용합니다.
- 먼지를 제거하고 샘플 홀더에 배치하기 위해 건조 질소로 기판의 표면을 불어. , 부하 잠금을 빼낼 샘플을로드, 압력 <1E5 토르로 다운로드 고정 펌프 및 메인 챔버로 샘플을 전송합니다. 250 ° C의 집합 점에 히터를 시작합니다 압력 8E-8 토르 이하에 도달하면 약 20 분 동안 빨리 움직이고.
- 체크 그 도펀트소스 및 실리콘 소스 셔터가 닫혀 있습니다. 대기 온도 프리셋 도펀트 소스 온도는, 700에서 인 소스 온도 즉 ° 1250에서 C와 붕소 소스 온도 ° C. 전자 총을 시작하고 천천히 전자 총기 전류를 증가시켜 도가니에 실리콘을 용융.
- 필요한 P의 농도와 B에 취해 실리콘 레이어 증발 : P의 -3 1E20 cm 35 nm의 방출을 : 필요한 전류 (이 전류는 전자 총과시 원본 조건에 따라 달라질 수 이전 교정에서)에 도달하면 , 2 B의 -3 5E15 cm시 ~ 3 μm의 흡수기, B. 정확한 도펀트 농도의 -3 4E19 cm 100 nm의 백 - 표면 필드 (BSF)는 같은 석영 크리스탈 모니터로 측정, 특정시 증착 속도를 일치에 의해 달성된다 (QCM), 특정 도펀트 소스 온도와 심즈 교정에서 설립 관계를 사용합니다.
- 증발은 히터를 끄고 완료되면 ~ 10 분 동안 샘플을 식다. 트랜스부하 자물쇠 샘플 하기까지, 게이트 밸브를 닫으로드 잠금을 빼낼하고 실리콘 필름으로 샘플을 언로 드합니다.
- 실리콘 crystallisation
예제는 10x10 cm 2면, 그것은 crystallisation에 앞서 4 개의 5x5 cm 2 셀 크기 조각으로 절단 할 수 있습니다. roughened 및 실리콘 질화물 코팅 SCHOTT Robax 유리 (고집 방지하기 위하여)으로 만들어진 홀더에 유리 (최대시 필름)에 입금 실리콘 필름을 넣으십시오. 질소 정화 오븐에 부하는 200-300로 preheated ° C. ° C에서 3 ~ 5 ° C / 분 600으로 온도를 최대 진입로를 30 시간 동안 어닐링. 오븐 히터의 전원을 켜고 ~ 200 ~ 자연스럽게 아래로 오븐은 식지 ° C (2 ~ 3 시간) 샘플을 내리기 전에. 샘플 crystallisation 동안 실리콘 수축에 의한 오목 모양을 가질 수 있습니다. 그것은 다음과 빠른 열 처리하는 동안 평평합니다. - 어닐링 도펀트 활성화 및 결함 (RTA)
pyrolytic 흑연하고 내가 만든 홀더에 크리스털 필름으로 샘플을 놓으십시오아르곤과 정화 신속한 열 프로세서에 oad. ° C 1에서 ° C / S, 그 후 최대 1000 ° C ~ 20 ° C / S, ~ 100로 자연스럽게 다음 쿨 1 분 동안 길게 ° C와 언로 600 온도를 램프. - 표면 산화물 제거
바로 전에 수소에 대한 crystallisation과 RTA 동안 실리콘 필름에 형성된 표면 산화가 베어 실리콘 필름 표면이 수소에 노출되도록 제거해야합니다. 실리콘 표면이 소수성 나타나기 전까진 5퍼센트 HF 용액에 annealed 샘플 젖어 (30 ~ 100들). deionised 물로 헹굼과 질소 총을 들고 건조시키십시오. - 결함 패시베이션
리모트 수소 플라즈마 소스가 장착된 진공 챔버에 시료를로드합니다. 아래로 움직이고 <1E-4 토르, 최대 ~ 620까지 가열 샘플 ° C, (50:150 sccm) 아르곤 / 수소 혼합물 흐름을 설정, 압력 50-100 mTorr 설정 3.5 kW 급에서 플라즈마 소스를 시작합니다 마이크 로파 전력과 ~ 10 분 프로세스를 계속합니다. 히터를 끄고 잠시 mainta온도가 플라즈마를 끄고 가스 흐름을 중단하기 전에 350 ° C 이하로 아래로 떨어져 때까지 다른 10-15 분 플라즈마를 ining. 온도 이하 200 ° C. 때 샘플을 언로 드 - 세포 metallisation
세포 metallisation는 연속 photolithographic patterning, 알 필름 증착 및 11 년 세부에서 설명하는 단계를 에칭 일련 실시하고 있습니다. 애니메이션 3의 마지막 슬라이드에 표시된 것처럼 최종 세포 같습니다. metallised 세포의 클로즈업 전망은 그림 1에 표시됩니다. - metallised 세포의 EQE을 측정합니다.
2. Plasmonic 자세의 Nanoparticle (애니메이션 4)의 제조
- 먼지를 제거하고 자세의 과립 (0.3-0.5 G)로 가득 승 보트를 포함하는 열 증발기로 샘플을로드하는 건조 질소로 metallised 세포 표면을 불어. 2 기본 압력 ~ 3E-5 토르로 증발기 챔버를 높여. 자세에 대한 매개 변수가있는 프로그램 QCM : 밀도 10.50와 Z 비율 0.529.
- 샘플 셔터가 닫혀 있는지, (같은 전망이 포트를 통해 휴일) W 보트 히터를 켜고 자세의 과립이 녹아 때까지 8E-5 토르 이상 압력 상승을 피하기 위해 천천히 충분한 전류를 증가 확인하십시오. 압력은 0.1-0.2 A / S (교정에서)의 자세 증착 속도를 해당 세트 포인트에 전류를 설정하고 증착 프로세스를 시작하려면 셔터를 엽니다. 안정화 후
- QCM을 사용하여 성장하는 자세 필름 두께 14 nm의 모니터의 두께에 도달하면 셔터를 닫습니다. W 보트는 약 15 분 동안 식혀 허용, 샘플을 언로 드합니다. 영화는 자세 산화를 피하기 위해 가능한 한 빨리 증착 후 nanoparticles을 형성 annealed해야합니다.
- 갓 입금 자세 필름과 세포는 230 0.1-0.2 50 분 동안 annealed ° C에 preheated 질소 정화 오븐에 배치하고 언로 드됩니다. nanoparticles에 의한 표면 외관의 변화를 확인합니다. 자세의 nanoparticles의 전자 현미경 이미지를 스캔하는 것은 슈입니다그림에서 wn. 2.
- nanoparticle 어레이와 셀 EQE을 측정합니다.
3. 리어 리플렉터의 제작
후면 반사판은 MgF 2 (RI 1.38) 상업 하얀 천장 페인트 (Dulux)의 코트 유전체 cladding 두께 ~ 300 nm의 구성되어 있습니다.
- 후면 반사판을 fabricating 전에 세포 연락처가 그들 검은색 마커 잉크를 적용하여 보호해야하는 리프트 오프 공정에 의한 유전체 미만의 연락처를 노출하실 수 있습니다.
- NP 배열 및 먼지를 제거하는 그린 연락처와 함께 샘플을 날려 질소 총을 사용합니다. 멀리 nanoparticles를 늦추지 않도록 겸손한 질소 압력 및 운동 치료를 사용합니다. MgF 2 개 가득한 승 보트를 포함하는 열 증발기로 샘플을 놓습니다. 2 ~ 3E-5 토르의 압력에 증발기를 높여. 밀도 3.05와 Z 비율은 0.637 : MgF 2 QCM 매개 변수를 설정합니다.
- 확인 그 샘플 shutteR가 닫혀, 보트 히터 켜고 천천히 MgF 2와 같은 전망이 포트를 통해 본 녹아까지 과도한 압력 상승을 방지하기 위해 전류를 증가시킵니다. 압력은 0.3 nm의 / s의 MgF이 증착 속도를 해당 세트 포인트에 전류를 설정하고 샘플 셔터를 엽니다. 안정화 후
- QCM을 사용하여 침전 두께를 모니터 300 nm의에 도달하면 셔터를 닫습니다.
- 히터의 전원을 끕니다. W 보트는 약 15 분 동안 식혀하도록 허용, 샘플을 언로 드합니다. MgF 2 cladding과 세포 모양의 변화를 확인합니다.
- 셀 연락처에서 잉크 마스크를 제거하기 위해서는 유전체가 아세톤에 cladding과 세포 젖어. 잉크 위에 유전체가 균열 및 해제 리프팅 시작할 때까지 기다립니다. 유전체 모든 잉크를 제거하고 금속 접점이 완전히 노출되는 때까지 아세톤에 세포 보관. 아세톤에서 시료를 제거, 신선한 아세톤으로 씻어 질소 총을 들고 건조시키십시오.
- 의 레이어를 적용전체 세포 표면에 좋은 부드러운 브러쉬와 흰색 페인트 (Dulux 하나 코트 천정 페인트)는 조심스럽게 금속 접촉을 피하고. 페인트 레이어는 밝은 광원에서 그려진 전지를 통해 검색할 때 더 빛을 보지 수 있도록 완전히 불투명 (~> 0.5 ㎜)이 될만큼 두께가되어야합니다. 하루 동안 건조 페인트하자.
- 흰색 페인트 후면에 반사기로 세포의 EQE을 측정합니다.
4. 대표 결과
태양 전지 단락 전류는 표준 글로벌 태양광 스펙트럼여 EQE 곡선 (공기 질량 1.5) 통합하여 계산됩니다. 가벼운 트래핑에 의한 세포의 현재와 그 개선 모두 세포 흡수체 층의 두께에 따라 달라집니다 : 자체 전류가 두꺼운 세포에 대한 높은 있지만 현재의 강화가 얇은 장치, EQE에 대한 각각의 데이터와 애니메이션 5 표 1 참조 높은입니다 곡선. 가벼운 트래핑, H없이 원래 2 μm의 두께 세포,번가 JSC 단계 1.7에서 측정). ~ 15mA / ㎝ 2로. nanoparticle 어레이의 제조 후, JSC는 32 %의 향상은 약 20 mA / cm 2까지 증가합니다. 그것은 후면 확산 반사판에 의해서만 25-30%의 개선 효과보다 약간 더 좋다. plasmonic nanoparticle 어레이와 셀로 cladding MgF 2 후면 확산 반사를 추가한 후, JSC는 22.3 mA / cm 2로 더욱 증가, 또는 약 45 % 향상된다. 상대적인 강화가 약간 낮은 반면 3 μm의 두께 세포에 대한 모든 전류가 25.7 mA / cm 2, 높은 것을 참고, 42 % 가벼운 트래핑은 얇은 장치에 상대적으로 더 큰 효과가 있습니다.
| 셀 두께 : | 2 μm의 | 3 μm의 | ||
| JSC, MA / cm 2 | trong> + % | JSC, MA / cm 2 | + % | |
| 원래 세포 | 15.4 | 18.1 | ||
| 후면 확산 반사기 (R) | 20.1 | 30.5 | 21.5 | 18.8 |
| Nanoparticles (NP) | 20.3 | 31.8 | 21.9 | 21.0 |
| NP / MgF 2 / R | 22.3 | 45.3 | 25.7 | 42.0 |
표 1. Plasmonic 세포 단락 회로 전류와 원래의 세포에 비해 그 향상.
metallisation 그리드와 폴리 - 네 박막 태양 전지의 그림 1. 클로즈업 볼 수 있습니다.
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그림 2. 실리콘 표면에 자세에 nanoparticles의 전자 현미경 이미지를 스캔.
그림 3. plasmonic 결정 실리콘 박막 태양 전지 (없는 규모)의 개략도 볼 수 있습니다.
그림 4 확산 반사와 plasmonic nanoparticles과 다결정 실리콘 박막 전지에 대한 현재의 외부 양자 효율과 단락 회로 : 점선-블랙 - 오리지널 2 μm의 두께 셀 라이트 - 트래핑, JSC 15.36 mA / cm 2이없는, 파란 - 세포. 확산 페인트 반사기와 JSC 20.08 mA / cm 2; 적색 - plasmonic 자세를 nanoparticles와 세포, JSC 20.31 mA / cm 2; 녹색 - nanoparticles와 세포, MgF 2 및 확산 페인트 반사기, JSC 22.32 mA / cm 2. 퍼플 - 3 μm의 두께 셀 (3mm 두께 유리에서) nanoparticles와 MgF 2 및 확산 반사판, JSC 25.7 mA / cm 2 (때문에 AR 레이어와 에미터 두께 무심코 차이 낮은 청색 반응을합니다.) 솔리드 블랙 - 플라즈마 강화된 화학 기상 증착 (3mm 두께 유리에서), 비교를 위해 표시 JSC 26.4 mA / cm 2, 준비한 2 μm의 두께 질감 세포.
애니메이션은 1. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
애니메이션 2. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
애니메이션 3. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오.
애니메이션 4. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
애니메이션 5. 애니메이션을 보려면 여기를 누르십시오 .
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토론
증발 다결정 실리콘 태양 전지와 광 산란 plasmonic nanoparticles는 가벼운 트래핑을위한 이상적인 파트너입니다. 이러한 세포는 평면이며, 따라서 그들은 거친 표면의 광 산란에 의존 수 없으며 plasmonic nanoparticles 쉽게 질감 표면에 형성 할 수 있습니다. 세포는 광 산란 가장 효과적인 plasmonic위한 최상의 nanoparticle 위치에서 일어나는 직접적으로 노출된 실리콘과 단 하나, 후면 표면 있습니다. 그것이 결정 실리콘에 가벼운 트래핑을위한 가장 중요한 700 및 1000 nm의 사이에 광범위한 공명 피크로 무작위 nanoparticle 배열에서 결과 있기 때문에 또한, 열적 어닐링에 의한 nanoparticle 형성을위한 가장 쉬운 방법은 또한 가벼운 트래핑에 가장 적합 얇은 필름 세포. 언제 까지나 기능성 세포가 만들어진 것처럼 plasmonic 반사판의 제작은 이전 섹션에 설명된대로 비교적 단순하고 간단합니다. 가능한 합병증은 사실과 관련되는 나노입자가 실리콘 전지 표면에 있...
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공개 사항
관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.
감사의 글
이 연구 프로젝트가 CSG 솔라 Pty. 공사 징 라오와 연동 보조금을 통해 오스트 레일 리아 연구위원회가 지원하는 것은 뉴사우스 웨일즈 대학 부총장 박사 과정 이수의 원정 그녀의 대학 인정한다. SEM 이미지는 뉴사우스 웨일즈 대학의 전자 현미경 단위에서 제공하는 장비를 사용하여 공원을 Jongsung에게 납치되었다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 시약의 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
| 실버 입상 | 시그마 - 올드 리치 | 303,372 | 99.99 % |
| MgF 2, 무작위로 결정, 광학 학년 | 시그마 - 올드 리치 | 378,836 | > = 99.99 % |
| Dulux 한 코트 천정 페인트 | Dulux | R> 90% (500-1100 nm의) |
참고문헌
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