Name: Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-enhanced Light-trapping (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:03:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Leer hoe plasmonische nanodeeltjes lichtvang in dunne-film zonnecellen verbeteren met een zilveren nanodeeltjesarray en diffuse reflector. Deze methode verhoogt de fotostroom met 45% zonder fabricagecomplicaties.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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&#39;s werden genomen door Jongsung Park met behulp van de apparatuur die door de Electron Microscopy Unit van de Universiteit van NSW.

1. Fabricage van polykristallijn silicium zonnecellen (Animatie 3) <ol><li> Silicon film depositie <ol class="lalpha"><li> Bereid de e-beam verdamping gereedschap bakken uit op ~ 100 ° C geroerd om de basisdruk van &lt;3E-8 Torr te bereiken. Leg het monster kachel aan de 150 ° C stand-by temperatuur. </li><li> 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). </li><li> Blazen het oppervlak van het substraat met droge stikstof om stof en het plaatsen in een monsterhouder. Ontlucht de load lock, laadt het monster, pompen de down load-lock om de druk &lt;1E5 Torr, en breng de steekproef aan de belangrijkste kamer. Start de toestel voor het instelpunt van 250 ° C. Pomp ongeveer 20 min bij de stand 8E-8 Torr of lager. </li><li> Controleer of de doteermiddelbron en de siliciumbron schuiven gesloten. Ingestelde doteerstof bron temperaturen stand temperaturen, dat wil zeggen de fosfor bron temperatuur 700 ° C en borium bron temperatuur 1250 ° C. Start e-gun en smelt silicium in een smeltkroes door het langzaam verhogen van de e-gun stroom. </li><li> Wanneer de gewenste stroom wordt bereikt (van de vorige kalibratie: Op dit moment kan variëren afhankelijk van het e-gun en de Si bron voorwaarden) verdampen siliciumlagen gedoteerd met de vereiste concentraties van P en B: 35 nm zender op 1E20 cm -3 van P , 2 ~ 3 urn absorber in 5E15 cm -3 B, 100 nm back-oppervlak gebied (BSF) op 4E19 cm -3 B. De exacte doteringsstof concentraties worden bereikt door bijpassende bepaalde Si depositie, zoals gemeten door Quartz Crystal Monitor (QCM), met bepaalde doteermiddel bron temperaturen, met behulp van relaties vastgesteld op basis van SIMS kalibratie. </li><li> Na verdamping gebeurt schakelt de verwarming uit, afkoelen het monster voor ~ 10 minuten. Transfer het monster aan de load-lock, sluit de gate-klep, ontlucht de load lock en lossen het monster met het silicium film. </li></ol></li><li> Silicon kristallisatie Als het monster 10x10 cm 2 kan worden gesneden in vier 5x5 cm2 celgrootte stukken voor kristallisatie. Plaats een gedeponeerd silicium film op glas (Si film boven) op een houder gemaakt van geruwd en silicium nitride gecoate Schott Robax glas (om te voorkomen plakken). Plaats in een met stikstof gespoeld voorverwarmde oven op 200-300 ° C. Opvoeren van de temperatuur tot 600 ° C bij 3 5 ° C / min en hybridiseren 30 uur. Zet de oven verwarming en laat oven afkoelen natuurlijk tot ~ 200 ° C (2 ~ 3 uur) voor het lossen van de steekproef. Het monster kan een concave vorm door silicium krimp tijdens kristallisatie. Het zal afvlakken tijdens de volgende snelle thermische verwerking. </li><li> Doteringsmateriaal activering en gebrek gloeien (RTA) Het monster met de gekristalliseerde film op een houder uit pyrolytisch grafiet en lOad een snelle thermische processor met argon gespoeld. Aanloop de temperatuur tot 600 ° C bij 1 ° C / s, dan tot 1000 ° C bij 20 ° C / s, houd 1 min daarna afkoelen tot natuurlijk ~ 100 ° C en lossen. </li><li> Oppervlakte oxide verwijdering Direct voorafgaand aan het oppervlak hydrogenering oxide gevormd op silicium film tijdens kristallisatie en RTA moet worden verwijderd om te waarborgen dat de blote silicium filmoppervlak wordt blootgesteld aan waterstof. Dompel de gegloeide monsters in 5% HF oplossing tot het siliciumoppervlak wordt hydrofoob (30 ~ 100 s). Spoel na met gedemineraliseerd water en drogen met een stikstof-pistool. </li><li> Defect passiveren Plaats het monster in een vacuümkamer met de afstand waterstof plasmabron. Pomp tot &lt;1E-4 Torr, opwarmen van het monster tot ~ 620 ° C, zet de argon / waterstof-mengsel flow (50:150 sccm), zet druk 50-100 mTorr, start u de plasma-bron op 3,5 kW de magnetron vermogen en voortzetting van het proces voor ~ 10 minuten. Zet de verwarming uit, terwijl maintaining het plasma een 10-15 min tot de temperatuur daalt beneden 350 ° C alvorens het plasma uit en stoppen van de gasstroom. Lossen het monster wanneer de temperatuur lager is dan 200 ° C. </li><li> Cell metallisatie Cell metallisatie wordt uitgevoerd in een reeks opeenvolgende fotolithografische patronen Al film depositie en etsstappen die in detail beschreven in 11. De laatste cel ziet eruit als weergegeven in de laatste dia van animatie 3. Een close-up van de gemetalliseerde cel wordt weergegeven in fig. 1. </li><li> Meet EQE van de gemetalliseerde cel. </li></ol> 2. Fabricage van de plasmonische Ag nanodeeltjes (Animatie 4) <ol><li> Blaas de gemetalliseerde celoppervlak met droge stikstof om stof te verwijderen en het monster te laden in een thermische verdamper met een W boot vol met Ag korrels (0,3-0,5 g). Pump down de verdamper kamer naar de basis druk van 2 ~ 3E-5 Torr. Programma QCM met parameters voor Ag: Dichtheid 10,50en Z verhouding 0,529. </li><li> Zorg ervoor dat het monster sluiter wordt gesloten, de W boot verwarming aanzetten en opvoeren van de huidige langzaam genoeg om de druk stijgen boven 8E-5 Torr te vermijden totdat Ag korrels smelten (zoals waargenomen door middel van een view-poort). Na druk stabiliseert u de stroom naar de ingestelde waarde overeenstemmen van de Ag depositiesnelheid van 0,1-0,2 A / S (van kalibratie) en open de sluiter om de afzetting te starten. </li><li> Controleer de groeiende Ag laagdikte met behulp van QCM en sluit de sluiter als de dikte van 14 nm is bereikt. Laat de W boot afkoelen gedurende ongeveer 15 min, lossen het monster. De film worden gehybridiseerd met nanodeeltjes gevormd zodra na depositie mogelijk Ag oxidatie te voorkomen. </li><li> Een cel met een vers neergeslagen Ag folie wordt in een stikstof gespoeld voorverwarmde oven tot 230 ° C 0.1-0,2, getemperd 50 min en vervolgens gelost. De verandering in uiterlijk van het oppervlak door nanodeeltjes. Scanning electronen microscopie beeld van Ag nanodeeltjes is shown in Fig. 2. </li><li> Meet EQE van de cel met de nanodeeltjes array. </li></ol> 3. Fabricage van de achterste reflector De reflector bestaat uit ~ 300 nm dik MGF 2 (RI 1.38) diëlektrische bekleding met een jas van een commerciële wit plafond verf (Dulux). <ol><li> Voor het vervaardigen van de achterste reflector van de cel contacten moeten worden beschermd met een zwarte stift inkt op hen, die het mogelijk maakt het blootstellen van de contacten van onder de diëlektrische door een lift-off proces. </li><li> Gebruik stikstof pistool tegen het monster te blazen met een NP-array en geschilderd contacten om stof te verwijderen. Gebruik bescheiden stikstofdruk en voorzichtig te werk niet weg te blazen van de nanodeeltjes. Plaats het monster in de thermische verdamper met een W boot gevuld met MGF 2 stuks. Pump down de verdamper om de druk van 2 ~ 3E-5 Torr. Stel QCM parameters voor MgF2: Dichtheid 3,05 en Z verhouding 0,637. </li><li> Zorg ervoor dat het monster shutter is gesloten, zet u op de boot verwarming en langzaam de huidige aan overmatige druk ontstaan ​​te vermijden totdat MGF 2 smelt gezien door het oog-poort. Nadat de druk stabiliseert zet de stroom naar de set punt dat overeenkomt de MGF 2 depositie van 0,3 nm / s en open het monster sluiter. </li><li> Controleer de dikte afgezet met behulp van QCM en sluit de sluiter als 300 nm is bereikt. </li><li> Zet de verwarming. Laat de W boot om af te koelen voor ongeveer 15 min, lossen het monster. De verandering in de cel optreden met het MgF2 bekleding. </li><li> Om de inkt masker uit de cel contacten onderdompelen cel met de dielektrische bekleding in aceton. Wacht tot de dielektrische boven de inkt vanaf kraken en til. Laat de cel in aceton tot de inkt de dielektrische wordt verwijderd en de metalen contacten volledig blootgesteld. Neem het monster uit aceton, afspoelen met aceton en droog met stikstof pistool. </li><li> Breng een laag van eenwitte verf (Dulux One-Coat plafond verf) met een fijne zachte borstel op het gehele celoppervlak zorgvuldig vermijden van de metalen contacten. De verflaag te dik genoeg volledig ondoorzichtig (~&gt; 0,5 mm) zijn, zodat geen licht zichtbaar bij het kijken door de gelakte cel aan de heldere lichtbron. Laat verf droog voor een dag. </li><li> Meet EQE van de cel met de witte verf achter reflector. </li></ol> 4. Representatieve resultaten De zonnecel kortsluitstroom wordt berekend door de integratie van de EQE curve over de standaard wereldwijde zonne-spectrum (luchtmassa 1,5). Zowel de celstroom en de versterking door licht-vangst afhankelijk van de cel absorber laagdikte: het huidige zelf hoger dikker cellen maar de huidige verbetering is hoger dunner apparaten tabel 1 zie de betreffende gegevens en animatie 5 voor EQE bochten. De oorspronkelijke 2 urn dik cellen zonder licht-vangen, hgem Jsc gemeten in stap 1.7.) van ~ 15 mA / cm 2. Na vervaardiging van een nanodeeltjes array Jsc vergroot tot ongeveer 20 mA / cm 2, dat 32% verbetering. Het is iets beter dan de versterkingseffect van 25-30% van de achterste diffuse reflector alleen. Na toevoeging van de achterste diffuse reflector op MgF2 bekleding aan de cel met het plasmonische nanodeeltjes array wordt Jsc verder verhoogd tot 22,3 mA / cm 2, of ongeveer 45% verbetering. Merk op dat voor de 3 micrometer dikke cel alle stromingen zijn hoger, tot 25,7 mA / cm 2, terwijl de relatieve verbetering is iets lager, 42%: licht-trapping heeft een relatief groter effect in dunnere apparaten. <table border="1"><tbody><tr><td> Celdikte: </td><td colspan="2"> 2 urn </td><td colspan="2"> 3 pm </td></tr><tr><td></td><td> JSC, mA / cm 2 </td><td><s<html> Trong&gt; +% </td><td> JSC, mA / cm 2 </td><td> +% </td></tr><tr><td> oorspronkelijke cel </td><td> 15,4 </td><td></td><td> 18,1 </td><td></td></tr><tr><td> Achter diffuse reflector (R) </td><td> 20,1 </td><td> 30,5 </td><td> 21,5 </td><td> 18,8 </td></tr><tr><td> Nanodeeltjes (NP) </td><td> 20,3 </td><td> 31,8 </td><td> 21,9 </td><td> 21,0 </td></tr><tr><td> NP / MgF2 / R </td><td> 22,3 </td><td> 45,3 </td><td> 25,7 </td><td> 42,0 </td></tr></tbody></table> Tabel 1. Plasmonische cel kortsluitstroom en de verbetering ten opzichte van de oorspronkelijke cel. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig1.jpg" /> Figuur 1. Close-up van poly-Si dunne-film zonnecel met metallisatie grid. / Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg &quot;/&gt; Figuur 2. Scanning elektron microscopie beeld Ag nanodeeltjes op het silicium oppervlak. <img alt="Figuur 3" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig3.jpg" /> Figuur 3. Een schematisch aanzicht van een plasmonische kristallijn silicium dunne-film zonnecel (niet op schaal). <img alt="Figuur 4" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig4.jpg" /> Figuur 4 Externe quantum efficiency en kortsluitstroom voor de polykristallijn silicium dunne-film cellen met diffuse reflector en plasmonische nanodeeltjes: gestippelde-zwart - origineel 2 micrometer dik cel zonder licht-trapping, Jsc 15,36 mA / cm 2; blauw - cel. met diffuse verf reflector, Jsc 20,08 mA / cm 2; rood - cel met plasmonische Ag nanodeeltjes, Jsc 20,31 mA / cm 2; groen - cel met nanodeeltjes, MGF 2, en diffuse verf reflector, Jsc </em&gt; 22.32 mA / cm 2. Paars - 3 micrometer dik cel (op 3 mm dik glas) met nanodeeltjes, MGF 2, en diffuse reflector, Jsc 25,7 mA / cm 2 (let op onderste blauwe respons als gevolg van onbedoelde verschillen in de AR lagen en de emitter dikte). Solid black - 2 micrometer dikke textuur cel voorbereid door plasma-geassisteerde chemische damp depositie (op 3 mm dik glas), JSC 26,4 mA / cm 2, getoond ter vergelijking. Animatie 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation1.pptx" target="_blank">Klik hier om animatie te bekijken</a> . Animatie 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation2.pptx" target="_blank">Klik hier om animatie te bekijken</a> . Animatie 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation3.pptx" target="_blank">Klik hier om animatie te bekijken</a>. Animatie 4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation4.pptx" target="_blank">Klik hier om animatie te bekijken</a> . Animatie 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation5.pptx" target="_blank">Klik hier om animatie te bekijken</a> .

<ol><li>Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).</li>
<li>Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shunting+problems+due+to+sub-micron+pinholes+in+evaporated+solid-phase+crystallised+poly-Si+thin-film+solar+cells+on+glass%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovoilt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass.</a> Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).</li>
<li>Kunz, O., Ouyang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5%25+Efficient+evaporated+solid-phase+crystallised+polycrystalline+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells.</a> Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).</li>
<li>Van Nieuwenhuysen, K., Payo, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitaxially+grown+emitters+for+thin+film+silicon+solar+cells+result+in+16%25+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Epitaxially grown emitters for thin film silicon solar cells result in 16% efficiency.</a> Thin Solid Films. 518, S80-S82 (2008).</li>
<li>Lee, B. G., Stradin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-trapping+by+a+dielectric+nanoparticle+back+reflector+in+film+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 99, 064101(2011).</li>
<li>Catchpole, K. R., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Plasmonic solar cells.</a> Optics Express. 16, 21793-21800 (2008).</li>
<li>Ouyang, Z., Zhao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+enhanced+light-trapping+in+thin-film+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells.</a> Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).</li>
<li>Catchpole, K. R., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+principle+for+particle+plasmon+enhanced+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Design principle for particle plasmon enhanced solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 191113(2008).</li>
<li>Beck, F. J., Mokkapati, S., Polman, A., Catchpole, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetry+in+photocurrent+enhancement+by+plasmonic+nanoparticle+arrays+located+on+the+front+or+on+the+rear+of+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Asymmetry in photocurrent enhancement by plasmonic nanoparticle arrays located on the front or on the rear of solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 96, 033113(2008).</li>
<li>Beck, F. J., Verhagen, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant+SPP+modes+supported+bt+discrete+metal+nanoparticles+on+high+index+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates.</a> Optics Express. 19, 146-156 (2010).</li>
<li>Kunz, O., Ouyang, Z., al, at <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5%25+Efficient+evaporated+solid-phase+crystallised+polycrystalline+silicon+thin-film+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt%22%5BJournal%5D)">5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells.</a> Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).</li>
<li>10% Efficient CSG minimodules. Keevers, M. J., Young, T. L. Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy, , 1783-1790 (2007).</li>
</ol>

Geen belangenconflicten verklaard.

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-...

<table border="1"><tbody><tr><td> Naam van het serum </td><td> Vennootschap </td><td> Catalogusnummer </td><td> Reacties </td></tr><tr><td> Silver granulaire </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 303372 </td><td> 99,99% </td></tr><tr><td> MgF2, willekeurig kristallen, optische kwaliteit </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 378836 </td><td> &gt; = 99,99% </td></tr><tr><td> Dulux een laag plafond verf </td><td> Dulux </td><td></td><td> R&gt; 90% (500-1100 nm) </td></tr></tbody></table>

polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-enhanced light-trapping

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

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.

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.

Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-enhanced Light-trapping

Een van de belangrijkste benaderingen voor goedkopere zonnecellen is het verminderen van de hoeveelheid halfgeleidermateriaal die wordt gebruikt voor de fabricage en het dunner maken van de cellen. Om ...

Het algemene doel van het volgende experiment is om aan te tonen hoe lichtverstrooiing door plasmonische nanodeeltjes de lichtvangst in dunne-filmzonnecellen versterkt en hun prestaties verbetert. Dit wordt bereikt door een precursor-zilverfilm op het achteroppervlak van de dunne-filmzonnecel aan te brengen en deze vervolgens te verhitten om een willekeurige array van lichtverstrooiende zilver-nanodeeltjes te fabriceren. Als tweede stap wordt de zonnecel met de nanodeeltjesarray gecoat met een diëlektrische laag van magnesiumfluoride, gevolgd door een witte verf om een diffuse achterreflector toe te voegen die het licht opvangt dat door de nanodeeltjesarray wordt doorgelaten. Om de fotostroom van de cel verder te verhogen, wordt het licht dat de zonnecel binnendringt en bij de eerste passage niet wordt geabsorbeerd, onder schuine hoeken zowel door de nanodeeltjesarray als door de diffuse achterreflector terug naar de cellen verstrooid, wat de optische dikte van de cel vergroot en daarmee de lichtabsorptie verbetert. De resultaten laten zien dat de kortsluitstroom van de zonnecel met 45% toeneemt in aanwezigheid van de plasmonische lichtverstrooiende reflector.Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van conventionele lichtvangstbenaderingen op basis van texturering is dat deze kan worden toegepast op vlakke en volledig gefabriceerde componenten, waardoor complicaties door textuurgerelateerde defecten of incompatibiliteit met fabricageprocessen van componenten worden vermeden. Hoewel deze methode wordt toegepast op kristallijne siliciumzonnecellen, kan deze ook worden toegepast op andere typen zonnecellen en opto-elektronische componenten om hun prestaties te verbeteren, zoals amorfe silicium- en dunnefilmcellen, organische zonnecellen en zelfs lichtemitterende diodes. Begin dit protocol met de fabricage van polykristallijne siliciumzonnecellen zoals beschreven in het schriftelijke protocol dat bij deze video hoort.Deze close-up van een resulterende cel na het twee weken durende fabricageproces toont het siliciumoppervlak van de cel tussen het metallisatiepatroon waar silicium-nanodeeltjes zullen worden gevormd. Blaas het gemetalliseerde celoppervlak schoon met droge stikstof om stof te verwijderen en plaats de monster in een thermische evaporator met een wolfraamboot gevuld met 0,3 tot 0,5 gram zilverkorrels. Pomp de evacuatiekamer af tot een basisdruk van 2 tot 3 × 10⁻⁵ tor. Programmeer vervolgens.De kwartskristalmonitor, afgekort QCM, met parameters voor zilver. Zorg dat de monsterluik gesloten is en schakel de verwarming van de wolfraamboot in. Verhoog de stroom langzaam genoeg om een drukstijging boven 8 × 10⁻⁵ tor te voorkomen totdat de zilverkorrels smelten, zoals waargenomen door een kijkglas. Nadat de druk is gestabiliseerd, stelt u de stroom in op het instelpunt dat overeenkomt met een zilverdepositiesnelheid van 0,1 tot 0,2 ångström per seconde.Open de sluiter om het depositieproces te starten. Een kritisch aspect bij de vervaardiging van een plus mono reflector is het nauwkeurig beheersen van de dikte van de zilverfilm en de kniecondities, om nanoparticle-arrays met de beste prestaties te vormen.Houd de groeiende dikte van de zilverfilm in de gaten met behulp van QCM en sluit het sluiter wanneer een dikte van 14 nanometers is bereikt, laat de wolfraamboot ongeveer 15 minuten afkoelen en haal vervolgens het monster uit de cel. De cel met de vers neergeslagen zilverfilm wordt geplaatst in een oven die is gespoeld met stikstof en is voorverwarmd tot 230 degrees Celsius en wordt gedurende 50 minuten gegloeid. Na het gloeien is een verandering in het uiterlijk van het oppervlak zichtbaar vanwege de aanwezigheid van nanodeeltjes. De achterreflector bestaat uit een diëlektrische cladding van magnesiumfluoride met een dikte van ongeveer 300 nanometer, bedekt met een laag commerciële witte plafondverf.Bescherm de celcontacten door er zwarte markerinkt op aan te brengen voordat u de achterreflector vervaardigt. Hierdoor kunnen de contacten via een liftoff-proces vanuit de diëlektrische laag worden blootgesteld. Gebruik een stikstofpistool om de nanopartikelarray en de geschilderde contacten af te blazen om stof te verwijderen.Gebruik een matige stikstofdruk om te voorkomen dat wekelijks gehechte nanodeeltjes worden verwijderd. Plaats de sample in de thermische verdamper met een wolfraambootten gevuld met magnesiumfluoridestukjes.Pomp de evaporator af tot een druk van twee tot drie maal 10⁻⁵ tor. Stel de QCM-parameters in voor magnesiumfluoride, zorg ervoor dat het monsterluik gesloten is en schakel de bootverwarmer in. Verhoog de stroom langzaam om overmatige drukverhoging te voorkomen tot het magnesiumfluoride smelt, zoals zichtbaar via het kijkgat.Nadat de druk is gestabiliseerd, stelt u de stroom in op het instelpunt dat overeenkomt met een depositie-snelheid van magnesiumfluoride van 0,3 nanometers per seconde en opent u het monsterluik. Controleer de gedeponeerde dikte met behulp van QCM en sluit het luik wanneer 300 nanometers is bereikt. Schakel de verwarming uit nadat de wolfraambooth ongeveer 15 minuten is afgekoeld en verwijder het monster. Let op de verandering in het uiterlijk van de cel met de magnesiumfluoride-coating.Om het inktmasker van de celcontacten te verwijderen, dompelt u de cel met de diëlektrische cladding in aceton. Wacht tot het diëlektricum boven de inkt begint te barsten en loslaat. Houd de cel in aceton totdat alle inkt met het diëlektricum is verwijderd en de metalen contacten volledig zijn vrijgelegd.Verwijder het monster uit de aceton. Droog het monster met een stikstofpistool. Breng met een fijn, zacht penseel een laag witte verf aan op het gehele celoppervlak.Vermijd zorgvuldig de metalen contacten; de verflaag moet dik genoeg zijn om volledig opaak te zijn, zodat er geen licht zichtbaar is wanneer men door de geverfde cel naar een felle lichtbron kijkt; laat de verf een dag drogen. De kortsluitstroom van de zonnecel wordt berekend door de externe quantum-efficiëntie of EQE-curve te integreren over het standaard mondiale zonnespectrum. Zowel de celstroom als de versterking hiervan door light trapping zijn afhankelijk van de dikte van de absorberlaag van de cel.De stroom zelf is hoger voor dikkere cellen, maar de stroomverbetering is groter voor dunnere devices. De oorspronkelijke cellen met een dikte van twee micron zonder lichtvangst hebben een gemeten kortsluitstroomdichtheid van ongeveer 15 milliamps per square centimeter met een diffuse achterreflector. De stroom kan rond de 20 milliamps per square centimeter liggen, wat 25 tot 31% hoger is na het vervaardigen van een nanodeeltjesarray op het achteroppervlak van de cel.De kortsluitstroomdichtheid neemt toe tot ongeveer 20 milliampère per vierkante centimeter, wat een verbetering van 32% is, iets beter dan het verbeteringseffect van de diffuse achterreflector. Pas na het toevoegen van de diffuse achterreflector op de magnesiumfluoride-mantel aan de cel met de plasmonische nanodeeltjesarray wordt de kortsluitstroomdichtheid verder verhoogd naar 22,3 milliampère per vierkante centimeter, oftewel een verbetering van ongeveer 45%. Merk op dat voor de drie micron dikke cel alle stromen hoger liggen, tot 25,7 milliampère per vierkante centimeter, terwijl de relatieve verbetering iets lager is, namelijk 42%. Lichtinsluiting heeft een relatief groter effect in dunnere apparaten zodra dit beheerst is.Deze procedure kan in vier tot vijf uur worden voltooid indien deze correct wordt uitgevoerd. Hierbij is de tijd voor het aanbrengen van de reflecterende verf uitgesloten, aangezien dit ongeveer 12 uur duurt bij kamertemperatuur. Na het bekijken van deze video zou u een goed beeld moeten hebben van hoe plasmonische kleivanging werkt voor zonnecellen.Bovendien dient u een goed begrip te hebben van hoe een plasmonische verstrooiingsreflector op de zonnecellen kan worden gefabriceerd om de lichtvangst in de fotostroom van de cel te verbeteren.

polycrystalline-silicon-thin-film-solar-cells-with-plasmonic-enhanced

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Plasmonische pincet en fotonische kristal nanostructuren worden getoond om nuttige verbeteringen te produceren in de efficiëntie en de oriëntatie controle van optisch trapping micro-en nano-deeltjes.

Gebruik van plasmonische en fotonisch kristal nanostructuren voor Enhanced micro-en nanodeeltjes Manipulatie

Een algemene strategie voor de ontwikkeling van lading-scheiden van halfgeleider nanokristallen composieten inzetbaar voor zonne-energie productie wordt gepresenteerd. We zien dat de assemblage van donor-acceptor nanokristallen domeinen in een nanodeeltje geometrie ontstaat een fotokatalytische functie, terwijl bulk heterojuncties van donor-acceptor nanokristallen films kunnen worden gebruikt voor fotovoltaïsche omzetting.

Oogsten Zonne-energie door middel van Charge-scheiden Nanokristallen en hun Solids

De fabricage van hoogcontrastroosters als parallel spectrumsplitsend dispersie-element in een geconcentreerd fotovoltaïsch systeem wordt gedemonstreerd. Fabricageprocessen inclusief nano-imprint litografie, TiO2 sputteren en reactieve ionen-etsen worden beschreven. Reflectiemeetresultaten worden gebruikt om de optische prestaties te karakteriseren.

Fabrication van High Contrast Roosters voor de Spectrum Splitting Dispersieve Element in een geconcentreerde Zonneinstallatie

Er wordt een haalbare op transferdruk gebaseerde methodologie beschreven om plasmonische metaalnanostructuren in zonnepanelen te introduceren. Met behulp van nanopijler poly(dimethylsiloxane) stempels, werd een Ag-gebaseerde geordende nanodisk-array geïntegreerd met standaard gehydrogeneerde microkristallijne Si-zonnepanelen, wat leidde tot verbeterde prestaties van het apparaat als gevolg van plasmonisch lichtopsluiting.

Integratie van Licht Trapping Silver Nanostructures in gehydrogeneerde Microkristallijn silicium zonnecellen door Transfer Printing

De synthese van uniforme goudnanodeeltjes bedekt met halfgeleiderschelpen van CdS of ZnS wordt uitgevoerd. De halfgeleidercoating wordt uitgevoerd door eerst een zilversulfidelaagje af te zetten en de zilverkationen uit te wisselen voor zink- of cadmiumkationen.

Synthese, karakterisering en functionalisering van de hybride AU / CdS en Au / ZnS Core / Shell Nanodeeltjes

Dit protocol beschrijft de synthese en afzetting van oplossing anorganische nanokristallen laag voor laag op dunne film elektronica op niet-geleidende oppervlakken te produceren. Solvent-gestabiliseerde inkten kunnen volledige fotovoltaïsche apparaten op glassubstraten via spin en neveldeklaag volgende post-depositie ligand uitwisseling en sinteren produceren.

Fabricage van Fully Solution Verwerkte Anorganische Nanocrystal Fotovoltaïsche apparaten

Een methode voor het volledig gedrukt te worden, fullereen-vrij, zeer lucht-stabiele, bulk-heterojunctie zonnecellen op basis van Ti alkoxiden als het elektron acceptor en het elektronen donerende polymeer fabricage wordt hier beschreven. Bovendien wordt een werkwijze voor het regelen van de morfologie van de fotoactieve laag door de moleculaire grote omvang van de Ti-alkoxide eenheden gerapporteerd.

Morfologie Control for Volledig Printable organisch-anorganische bulk-heterojunctie zonnecellen op basis van een Ti-alkoxide en halfgeleidende polymeer

Een microchip fabricageproces dat plasmonische pincet opgenomen wordt hier gepresenteerd. De microchip maakt het afbeelden van een gevangen deeltje trapping maximale krachten meten.

Plasmonische Trapping en het vrijkomen van nanodeeltjes in een Monitoring Milieu

Hierin presenteren wij gedetailleerde protocollen voor oplossing-verwerkte zilver-bismut-jodium (Ag-Bi-I) ternaire halfgeleider dunne lagen vervaardigd op TiO2-gecoat transparante elektroden en hun potentiële toepassing als lucht-stable en loodvrij opto-elektronische apparaten.

Oplossing-verwerkte "Zilver-bismut-Iodine" ternaire dunne lagen voor fotovoltaïsche loodvrij absorptieflessen

Hier presenteren we een protocol voor de ontwikkeling van high-performance GaP/Si heterojunctie zonnecellen met een hoge Si minderheid-carrier levensduur.

Ontwikkeling van High Performance GaP/Si heterojunctie zonnecellen

Dit werk beschrijft het volledige fabricageproces van dunne absorberende cadmium selenium telluride / cadmium telluride fotovoltaïsche apparaten voor verbeterde efficiëntie. Het proces maakt gebruik van een geautomatiseerd in-line vacuümsysteem voor close-space sublimatie depositie die schaalbaar is, van de fabricage van kleine gebied onderzoeksapparaten en grootschalige modules.

Close-Space Sublimatie-Gedeponeerd Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Zonnecellen voor verbeterde kortsluiting stroomdichtheid en fotoluminescentie

Leer hoe plasmonische nanodeeltjes lichtvang in dunne-film zonnecellen verbeteren met een zilveren nanodeeltjesarray en diffuse reflector. Deze methode verhoogt de fotostroom met 45% zonder fabricagecomplicaties.

Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen met plasmonische-enhanced Light-trapping

Meer video's verkennen