Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu polikrystalicznego z plazmonicznym pułapkowaniem światła

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z polikrystalicznego krzemu na szkle są wytwarzane przez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Plazmoniczne pułapkowanie światła jest wprowadzane poprzez tworzenie nanocząstek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytych rozproszonym reflektorem, co powoduje ~45% wzmocnienie fotoprądu.

Jednym z głównych podejść do tańszych ogniw słonecznych jest zmniejszenie ilości materiału półprzewodnikowego używanego do ich produkcji i uczynienie ogniw cieńszymi. Aby skompensować niższą absorpcję światła, takie fizycznie cienkie urządzenia muszą być wyposażone w funkcję zatrzymywania światła, która zwiększa ich grubość optyczną. Rozpraszanie światła przez teksturowane powierzchnie jest powszechną techniką, ale nie może być uniwersalnie stosowane we wszystkich technologiach ogniw słonecznych. Niektóre ogniwa, na przykład te wykonane z odparowanego krzemu, są płaskie w takiej postaci, w jakiej zostały wyprodukowane, i wymagają alternatywnego środka zatrzymującego światło, odpowiedniego dla urządzeń planarnych. Skutecznym podejściem są nanocząstki metali utworzone na płaskiej powierzchni ogniwa krzemowego i zdolne do rozpraszania światła w wyniku powierzchniowego rezonansu plazmonowego.

Artykuł przedstawia proces wytwarzania odparowanych polikrystalicznych krzemowych ogniw słonecznych z plazmonicznym pułapkowaniem światła i pokazuje, jak zwiększa się wydajność kwantowa komórki dzięki obecności nanocząstek metali.

Aby wytworzyć komórki, na szklanym podłożu przez odparowanie wiązką elektronów osadza się folię składającą się z alternatywnych warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem. Początkowo amorficzna warstwa jest krystalizowana, a defekty elektronowe są łagodzone przez wyżarzanie i pasywację wodorową. Metalowe styki siatki są nakładane na warstwy o przeciwnej polaryzacji w celu wydobycia energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwo. Zazwyczaj takie ogniwo o grubości ~2 μm ma gęstość prądu zwarciowego (Jsc) na poziomie 14-16 mA/^cm2, którą można zwiększyć do 17-18 mA/^cm2 (~25% wyżej) po zastosowaniu prostego dyfuzyjnego odbłyśnika tylnego wykonanego z białej farby.

Aby zaimplementować plazmoniczne zatrzymywanie światła, na metalizowanej powierzchni krzemu komórkowego formowany jest układ nanocząsteczek srebra. Prekursorowa warstwa srebra jest osadzana na ogniwie przez termiczne odparowanie i wyżarzana w temperaturze 23°C w celu wytworzenia nanocząstek srebra. Wielkość i pokrycie nanocząstkami, które wpływają na plazmoniczne rozpraszanie światła, można dostroić w celu zwiększenia wydajności komórek poprzez zmianę grubości warstwy prekursora i warunków jej wyżarzania. Sama zoptymalizowana matryca nanocząstek powoduje wzmocnienie Jsc komórek o około 28%, podobnie jak w przypadku reflektora dyfuzyjnego. Fotoprąd można dodatkowo zwiększyć, pokrywając nanocząstki dielektrykiem o niskim współczynniku załamania światła, takim jak MgF₂, i stosując rozproszony reflektor. Kompletna struktura komórki plazmonicznej składa się z polikrystalicznej folii krzemowej, układu nanocząstek srebra, warstwy MgF₂ i dyfuzyjnego reflektora. Jsc dla takiego ogniwa wynosi 21-23 mA/^cm2, do 45% wyższe niż Jsc oryginalnego ogniwa bez pułapki światła lub ~ 25% wyższe niż Jsc dla ogniwa z samym reflektorem dyfuzyjnym.

Wprowadzenie

Pułapkowanie światła w krzemowych ogniwach słonecznych jest zwykle osiągane poprzez rozpraszanie światła na teksturowanych interfejsach. Rozproszone światło przechodzi przez komórkę pod kątem ukośnym na większą odległość, a gdy takie kąty przekraczają kąt krytyczny na granicy faz komórek, światło jest trwale uwięzione w komórce przez całkowite wewnętrzne odbicie (Animacja 1: Pułapkowanie światła). Chociaż schemat ten działa dobrze w przypadku większości ogniw słonecznych, rozwijają się technologie, w których ultracienkie warstwy krzemu są wytwarzane płasko (np. technologie przenoszenia warstw i epitaksjalne warstwy c-Si) ¹ i lub gdy takie warstwy nie są kompatybilne z podłożami tekstury (np. odparowany krzem) ². Dla takich pierwotnie płaskich warstw krzemu zasugerowano alternatywne podejścia do wychwytywania światła, takie jak dyfuzyjny reflektor ³ z białą farbą, teksturowanie plazmą krzemową ⁴ lub reflektor nanocząstek ^o wysokim współczynniku załamania światła 5.

Nanocząsteczki metalu mogą skutecznie rozpraszać padające światło na materiał o wyższym współczynniku załamania, taki jak krzem, dzięki efektowi powierzchniowego rezonansu plazmonu ⁶. Można je również łatwo formować na płaskiej powierzchni ogniwa krzemowego, oferując w ten sposób alternatywę dla teksturowania metodą zatrzymywania światła. W przypadku nanocząstki znajdującej się na granicy faz powietrze-krzem rozproszona frakcja światła sprzężona z krzemem przekracza 95%, a duża frakcja tego światła jest rozpraszana pod kątami powyżej krytycznymi, zapewniając prawie idealne warunki zatrzymywania światła (Animacja 2: Plazmony na NP). Rezonans można dostroić do zakresu długości fali, który jest najważniejszy dla konkretnego materiału i konstrukcji ogniwa, poprzez zmianę średniej wielkości nanocząstek, pokrycia powierzchni i lokalnego środowiska dielektrycznego ^6,7. Zaproponowano teoretyczne zasady projektowania plazmonicznych nanocząstek słonecznych ⁸. W praktyce układ nanocząstek Ag jest idealnym partnerem do zatrzymywania światła dla cienkowarstwowych ogniw słonecznych z poli-Si, ponieważ większość z tych zasad projektowania jest naturalnie spełniona. Najprostszy sposób tworzenia nanocząstek poprzez wyżarzanie termiczne cienkiej warstwy prekursora Ag daje losowy układ o stosunkowo szerokim rozkładzie rozmiaru i kształtu, który jest szczególnie odpowiedni do zatrzymywania światła, ponieważ taki układ ma szeroki pik rezonansowy, obejmujący zakres długości fal 700-900 nm, ważny dla wydajności ogniw słonecznych poly-Si. Układ nanocząstek może być umieszczony tylko na tylnej powierzchni ogniwa poli-krzemowego, unikając w ten sposób destrukcyjnych zakłóceń między światłem padającym a rozproszonym, które występuje w przypadku nanocząstek umieszczonych z przodu ⁹. Co więcej, cienkowarstwowe ogniwa poli-Si nie wymagają warstwy pasywacyjnej, a płaskie nanocząstki w kształcie podstawy (które naturalnie powstają w wyniku wyżarzania termicznego folii metalowej) mogą być bezpośrednio umieszczane na krzemie, co dodatkowo zwiększa wydajność rozpraszania plazmonicznego dzięki powierzchniowemu rezonansowi plazmon-polariton ¹⁰.

Komórka z plazmonicznym układem nanocząstek, jak opisano powyżej, może mieć światłoprąd o około 28% wyższy niż oryginalna komórka. Jednak matryca nadal przepuszcza znaczną ilość światła, które ucieka przez tylną część ogniwa i nie przyczynia się do prądu. Stratę tę można złagodzić, dodając tylny reflektor, aby umożliwić przechwytywanie przechodzącego światła i przekierowanie go z powrotem do ogniwa. Zapewniając wystarczającą odległość między reflektorem a nanocząstkami (kilkaset nanometrów), odbite światło doświadczy następnie jeszcze jednego zdarzenia rozpraszania plazmonicznego podczas przechodzenia przez układ nanocząstek po ponownym wejściu do komórki, a sam reflektor może zostać rozproszony - oba efekty dodatkowo ułatwiają rozpraszanie światła, a tym samym zatrzymywanie światła. Co ważne, nanocząstki Ag muszą być zamknięte w obudowie za pomocą obojętnego dielektryka o niskim współczynniku załamania światła, takiego jak MgF₂ lub SiO₂, z tylnego reflektora, aby uniknąć uszkodzeń mechanicznych i chemicznych ⁷. Niski współczynnik załamania światła dla tej warstwy okładzinowej jest wymagany do utrzymania wysokiej frakcji sprzężenia z krzemem i większych kątów rozpraszania, które są zapewnione dzięki wysokiemu kontrastowi optycznemu między mediami po obu stronach nanocząstki, krzemu i dielektryka ⁶. Prąd fotooniczny komórki plazmonicznej z dyfuzyjnym tylnym reflektorem może być do 45% wyższy niż prąd oryginalnego ogniwa lub do 25% wyższy niż prąd równoważnego ogniwa z samym reflektorem dyfuzyjnym.

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z polikrystalicznego krzemu na szkle są wytwarzane przez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Plazmoniczne pułapkowanie światła jest wprowadzane poprzez tworzenie nanocząstek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytych rozproszonym reflektorem, co powoduje ~45% wzmocnienie fotoprądu.

Ten projekt badawczy jest wspierany przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych poprzez grant partnerski z CSG Solar Pty. Ltd. Jing Rao dziękuje jej Vice-Chancellor Postdoctoral Fellowship. Zdjęcia SEM zostały wykonane przez Jongsung Park przy użyciu sprzętu dostarczonego przez Zakład Mikroskopii Elektronowej Uniwersytetu Nowej Południowej Walii.

1. Henley, F. J. Kerf-free wafering. , 1184-1192 (2010).
2. 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).
3. Kunz, O., Ouyang, Z. 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).
4. Van Nieuwenhuysen, K., Payo, M. R. Epitaxially grown emitters for thin film silicon solar cells result in 16% efficiency. Thin Solid Films. 518, S80-S82 (2008).
5. Lee, B. G., Stradin, P. Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 064101 (2011).
6. Catchpole, K. R., Polman, A. Plasmonic solar cells. Optics Express. 16, 21793-21800 (2008).
7. Ouyang, Z., Zhao, X. Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).
8. Catchpole, K. R., Polman, A. Design principle for particle plasmon enhanced solar cells. Appl. Phys. Lett. 93, 191113 (2008).
9. Beck, F. J., Mokkapati, S., Polman, A., Catchpole, K. R. Asymmetry in photocurrent enhancement by plasmonic nanoparticle arrays located on the front or on the rear of solar cells. Appl. Phys. Lett. 96, 033113 (2008).
10. Beck, F. J., Verhagen, E. Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates. Optics Express. 19, 146-156 (2010).
11. Kunz, O., Ouyang, Z., al, a. t. 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells. Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).
12. Keevers, M. J., Young, T. L. 10% Efficient CSG minimodules. , 1783-1790 (2007).