Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen op glas worden vervaardigd door afzetting van boor en fosfor gedoteerd silicium lagen gevolgd door kristallisatie, defect passivering en metallisatie. Plasmonische licht-trapping wordt ingeleid door de vorming van Ag nanodeeltjes op de silicium celoppervlak afgedekt met een diffuus reflector resulteert in ~ 45% fotostroom toebehoren.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-enhanced Light-trapping
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een van de belangrijkste benaderingen voor goedkopere zonnecellen is het verminderen van de hoeveelheid halfgeleidermateriaal die voor de fabricage wordt gebruikt en het dunner maken van de cellen. Om de lagere lichtabsorptie te compenseren, moeten dergelijke fysiek dunne apparaten lichtvanging bevatten, waardoor hun optische dikte toeneemt. Lichtverstrooiing door getextureerde oppervlakken is een veelgebruikte techniek, maar deze kan niet universeel worden toegepast op alle zonneceltechnologieën. Sommige cellen, bijvoorbeeld die gemaakt van geëvaporeerd silicium, zijn bij productie planair en vereisen een alternatieve methode voor lichtvanging die geschikt is voor planaire apparaten. Het vormen van metaalnanodeeltjes op het oppervlak van een planaire siliciumcel, die in staat zijn tot lichtverstrooiing door oppervlakteplasmonresonantie, is een effectieve benadering.
Het artikel beschrijft een fabricageprocedure van geëvaporeerde polykristallijne siliciumzonnecellen met plasmonische lichtvangst en demonstreert hoe de kwantumefficiëntie van de cel verbetert door de aanwezigheid van metaalnanodeeltjes.
Om de cellen te vervaardigen wordt een film bestaande uit afwisselende boor- en fosfor-gedopeerde siliciumlagen via elektronenstraalverdamping op een glazen substraat afgezet. Een aanvankelijk amorfe film wordt gekristalliseerd en elektronische defecten worden verminderd door middel van uitgloeien en waterstofpassivering. Metalen roostercontacten worden aangebracht op de lagen met tegengestelde polariteit om de door de cel gegenereerde elektriciteit af te voeren. Typisch heeft zo'n ~2 μm dikke cel een kortsluitstroomdichtheid (Jsc) van 14-16 mA/cm2, die kan worden verhoogd tot 17-18 mA/cm2 (~25% hoger) na het aanbrengen van een eenvoudige diffuse achterreflector gemaakt van witte verf.
Om plasmonische lichtvanging te implementeren, wordt een array van zilvernanodeeltjes gevormd op het gemetalliseerde siliciumoppervlak van de cel. Een precursor-zilverfilm wordt op de cel afgezet via thermische verdamping en geanneald bij 23°C om zilvernanodeeltjes te vormen. De grootte en dekking van de nanodeeltjes, die de plasmonische lichtverstrooiing beïnvloeden, kunnen worden afgestemd voor verbeterde celprestaties door de dikte van de precursorfilm en de annealcondities te variëren. Een geoptimaliseerde array van nanodeeltjes resulteert op zichzelf in een verhoging van de Jsc van de cel met ongeveer 28%, vergelijkbaar met het effect van de diffuse reflector. De fotostroom kan verder worden verhoogd door de nanodeeltjes te coaten met een diëlektricum met een lage brekingsindex, zoals MgF2, en de diffuse reflector aan te brengen. De volledige plasmonische celstructuur bestaat uit de polykristallijne siliciumfilm, een array van zilvernanodeeltjes, een laag MgF2 en een diffuse reflector. De Jsc voor een dergelijke cel is 21-23 mA/cm2, tot 45% hoger dan de Jsc van de oorspronkelijke cel zonder lichtvanging of ~25% hoger dan de Jsc voor de cel met enkel de diffuse reflector.
Inleiding
Lichtinvanging in siliciumzonnecellen wordt gewoonlijk bereikt via lichtverstrooiing bij getextureerde interfaces. Verstrooid licht reist onder schuine hoeken een langere afstand door een cel, en wanneer deze hoeken de kritieke hoek bij de celinterfaces overschrijden, wordt het licht permanent in de cel gevangen door totale interne reflectie (Animatie 1: Lichtinvanging). Hoewel dit schema goed werkt voor de meeste zonnecellen, zijn er technologieën in ontwikkeling waarbij ultradunne Si-lagen planair worden geproduceerd (bijv. laagtransfertechnologieën en epitaxiale c-Si-lagen) 1 en/of wanneer dergelijke lagen niet compatibel zijn met getextureerde substraten (bijv. geëvaporeerd silicium) 2. Voor dergelijke oorspronkelijk planaire Si-lagen zijn alternatieve benaderingen voor lichtinvanging voorgesteld, zoals een diffuse witte verfreflector 3, silicium plasmatexturering 4 of een nanodeeltjesreflector met een hoge brekingsindex 5.
Metaalnanodeeltjes kunnen invallend licht effectief verstrooien in een materiaal met een hogere brekingsindex, zoals silicium, dankzij het oppervlakteplasmonresonantie-effect 6. Ze kunnen bovendien eenvoudig worden gevormd op het planaire oppervlak van een siliciumcel, waardoor ze een alternatieve methode voor lichtvanging bieden in plaats van textureren. Voor een nanodeeltje dat zich op de lucht-siliciuminterface bevindt, overschrijdt de fractie verstrooid licht die in silicium wordt gekoppeld de 95%, en een groot deel van dat licht wordt onder hoeken boven de kritieke hoek verstrooid, wat bijna ideale lichtvangingscondities oplevert (Animatie 2: Plasmons op NP). De resonantie kan worden afgestemd op het golflengtegebied dat het belangrijkst is voor een specifiek celmateriaal en ontwerp door de gemiddelde grootte van de nanodeeltjes, de oppervlaktebedekking en de lokale diëlektrische omgeving te variëren 6,7. Theoretische ontwerpprincipes voor plasmonische nanodeeltjes-zonnecellen zijn voorgesteld 8. In de praktijk is een Ag-nanodeeltjesarray een ideale partner voor lichtvanging voor poly-Si dunnefilm-zonnecellen, omdat de meeste van deze ontwerpprincipes van nature worden vervuld. De eenvoudigste manier om nanodeeltjes te vormen door thermisch uitgloeien van een dunne precursor-Ag-film resulteert in een willekeurige array met een relatief brede grootte- en vormverdeling, wat bijzonder geschikt is voor lichtvanging omdat zo'n array een brede resonantiepiek heeft die het golflengtebereik van 700-900 nm beslaat, wat essentieel is voor de prestaties van poly-Si zonnecellen. De nanodeeltjesarray kan uitsluitend op het achteroppervlak van de poly-Si cel worden geplaatst, waardoor destructieve interferentie tussen invallend en verstrooid licht, die optreedt bij nanodeeltjes aan de voorzijde, wordt vermeden 9. Bovendien hebben poly-Si dunnefilmcellen geen passiveringslaag nodig en de platte, basisvormige nanodeeltjes (die natuurlijk voortkomen uit het thermisch uitgloeien van een metaalfilm) kunnen direct op silicium worden geplaatst, wat de plasmonische verstrooiingsefficiëntie verder verhoogt door oppervlakteplasmon-polaritonresonantie 10.
De cel met het array van plasmonische nanodeeltjes zoals hierboven beschreven, kan een fotostroom hebben die ongeveer 28% hoger is dan die van de oorspronkelijke cel. Het array laat echter nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid licht door, dat via de achterzijde van de cel ontsnapt en niet bijdraagt aan de stroom. Dit verlies kan worden beperkt door een achterreflector toe te voegen om doorgelaten licht op te vangen en terug naar de cel te richten. Indien er voldoende afstand wordt gelaten tussen de reflector en de nanodeeltjes (enkele honderden nanometers), zal het gereflecteerde licht bij het opnieuw betreden van de cel nog een plasmonische verstrooiingsgebeurtenis ondergaan terwijl het door het nanodeeltjes-array gaat; bovendien kan de reflector zelf diffuus worden gemaakt - beide effecten vergemakkelijken de lichtverstrooiing en daarmee de lichtopsluiting. Cruciaal is dat de Ag-nanodeeltjes, om mechanische en chemische schade door de achterreflector te voorkomen, moeten worden ingekapseld met een inert diëlektricum met een lage brekingsindex, zoals MgF2 of SiO2 7. Een lage brekingsindex voor deze claddinglaag is vereist om een hoge koppelingsfractie in silicium en grotere verstrooiingshoeken te behouden, welke worden gewaarborgd door het hoge optische contrast tussen de media aan beide zijden van het nanodeeltje, silicium en het diëlektricum 6. De fotostroom van de plasmonische cel met de diffuse achterreflector kan tot 45% hoger zijn dan de stroom van de oorspronkelijke cel, of tot 25% hoger dan de stroom van een gelijkwaardige cel met enkel de diffuse reflector.
Protocol
1. Fabricage van polykristallijn silicium zonnecellen (Animatie 3)
- Silicon film depositie
- Bereid de e-beam verdamping gereedschap bakken uit op ~ 100 ° C geroerd om de basisdruk van <3E-8 Torr te bereiken. Leg het monster kachel aan de 150 ° C stand-by temperatuur.
- Gebruik een substraat van 5x5 cm 2 (of 10 x10 cm 2) substraat borosilicaatglas (Schott Borofloat33), 1,1 of 3,3 mm dik, bekleed met ongeveer 80 nm van siliciumnitride (bereid door PECVD van N2 en SiH4 mengsel).
- Blazen het oppervlak van het substraat met droge stikstof om stof en het plaatsen in een monsterhou....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Verdampt polykristallijn silicium zonnecellen en de licht-verstrooiing plasmonische nanodeeltjes zijn ideale partners voor licht-trapping. Dergelijke cellen zijn vlakke, vandaar dat zij zich niet kan beroepen op licht-verstrooiing van gestructureerd oppervlak, noch kan plasmonische nanodeeltjes gemakkelijk worden gevormd op gestructureerde oppervlakken. De cellen hebben maar een, achter oppervlak met directe blootstelling silicium, die toevallig ook de beste nanodeeltjes locatie voor meest effectieve plasmonische licht-.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Geen belangenconflicten verklaard.
Dankbetuigingen
Dit onderzoek wordt ondersteund door Australian Research Council door middel van de koppeling subsidie met CSG Solar Pty Ltd Jing Rao erkent haar Universiteit van NSW vice-kanselier Postdoctoraal Fellowship. SEM foto's werden genomen door Jongsung Park met behulp van de apparatuur die door de Electron Microscopy Unit van de Universiteit van NSW.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Naam van het serum | Vennootschap | Catalogusnummer | Reacties |
| Silver granulaire | Sigma-Aldrich | 303372 | 99,99% |
| MgF2, willekeurig kristallen, optische kwaliteit | Sigma-Aldrich | 378836 | > = 99,99% |
| Dulux een laag plafond verf | Dulux | R> 90% (500-1100 nm) |
Referenties
- Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).
- Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass. Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).
- K....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
