Name: Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu polikrystalicznego z plazmonicznym pułapkowaniem światła (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:03:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Poznaj metodę plazmonowego pułapkowania światła w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych z krzemu polikrystalicznego. Technika ta zwiększa fotoprąd o 45% bez wprowadzania defektów w strukturze urządzenia.

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

Niniejszy projekt badawczy jest wspierany przez Australijską Radę Badawczą (Australian Research Council) w ramach grantu powiązanego z firmą CSG Solar Pty. Ltd. Jing Rao pragnie podziękować za stypendium podoktorskie przyznane przez Prorektora University of NSW (University of NSW Vice-Chancellor Postdoctoral Fellowship). Obrazy SEM zostały wykonane przez Jongsunga Parka przy użyciu sprzętu udostępnionego przez Jednostkę Mikroskopii Elektronowej (Electron Microscopy Unit) University of NSW.

1. Wytwarzanie polikrystalicznych krzemowych ogniw słonecznych (Animacja 3)
<ol>
 <li>Osadzanie warstwy krzemu
 <ol class="lalpha">
 <li>Przygotuj urządzenie do naparowania wiązką elektronową, wypalając je w temperaturze ~100 °C przez noc, aby osiągnąć ciśnienie bazowe &lt;3E-8 Torr. Ustaw podgrzewacz próbki na temperaturę stanu oczekiwania 150 °C.</li>
 <li>Użyj podłoża wykonanego ze szkła borokrzemianowego (Schott Borofloat33) o wymiarach 5x5 cm2 (lub 10 x10 cm2) i grubości 1,1 lub 3,3 mm, pokrytego warstwą azotku krzemu o grubości ~80 nm (przygotowaną metodą PECVD z mieszaniny N2 i SiH4).</li>
 <li>Przedmuchaj powierzchnię podłoża suchym azotem w celu usunięcia kurzu i umieść je w uchwycie na próbkę. Odpowietrz śluzę ładunkową, wprowadź próbkę, odpompuj śluzę do ciśnienia &lt;1E5 Torr i przenieś próbkę do komory głównej. Włącz podgrzewacz do wartości zadanej 250 °C. Pompuj przez około 20 min, aż ciśnienie osiągnie 8E-8 Torr lub wartość niższą.</li>
 <li>Upewnij się, że zasłony źródła domieszek i źródła krzemu są zamknięte. Ustaw temperatury źródła domieszek na wartości stanu oczekiwania, tj. temperaturę źródła fosforu na 700 °C i temperaturę źródła boru na 1250 °C. Uruchom działo elektronowe i stop krzem w tyglu, powoli zwiększając prąd działa elektronowego.</li>
 <li>Po osiągnięciu wymaganego prądu (z poprzedniej kalibracji: prąd ten może różnić się w zależności od działa elektronowego i stanu źródła Si) naparuj warstwy krzemu domieszkowane wymaganymi stężeniami P i B: emiter 35 nm przy 1E20 cm-3 P; absorber 2~3 μm przy 5E15 cm-3 B; pole powierzchni tylnej (BSF) 100 nm przy 4E19 cm-3 B. Dokładne stężenia domieszek uzyskuje się poprzez dopasowanie określonych prędkości osadzania Si, mierzonych za pomocą kwarcowego monitora krystalicznego (QCM), do określonych temperatur źródła domieszek, korzystając z zależności ustalonych podczas kalibracji SIMS.</li>
 <li>Po zakończeniu naparowania wyłącz podgrzewacz i chłodź próbkę przez ~10 min. Przenieś próbkę do śluzy ładunkowej, zamknij zawór odcinający, odpowietrz śluzę ładunkową i wyjmij próbkę z warstwą krzemu.</li>
 </ol>
 </li>
 <li>Krystalizacja krzemu 
 Jeśli próbka ma wymiary 10x10 cm2, przed krystalizacją można ją pociąć na cztery kawałki o rozmiarze ogniwa 5x5 cm2. Umieść osadzoną warstwę krzemu na szkle (warstwą Si do góry) na uchwycie wykonanym z chropowatego szkła Schott Robax pokrytego azotkiem krzemu (aby uniknąć przywierania). Wprowadź do pieca przepłukanego azotem i wstępnie podgrzanego do 200-300 °C. Zwiększaj temperaturę do 600 °C w tempie 3~5 °C/min i wyżarzaj przez 30 h. Wyłącz grzałkę pieca i pozwól mu naturalnie ostygnąć do ~200 °C (2~3 h) przed wyjęciem próbki. Próbka może przyjąć wklęsły kształt z powodu skurczu krzemu podczas krystalizacji. Wypłaszczy się ona podczas następnego szybkiego przetwarzania termicznego.</li>
 <li>Aktywacja domieszek i wyżarzanie defektów (RTA) 
 Umieść próbkę z skrystalizowaną warstwą na uchwycie wykonanym z grafitu pirolitycznego i wprowadź do urządzenia do szybkiego przetwarzania termicznego przepłukanego argonem. Zwiększ temperaturę do 600 °C w tempie 1 °C/s, następnie do 1000 °C w tempie 20 °C/s, wytrzymaj przez 1 min, a następnie pozwól naturalnie ostygnąć do ~100 °C i wyjmij próbkę.</li>
 <li>Usuwanie tlenków powierzchniowych 
 Bezpośrednio przed uwodornieniem należy usunąć tlenek powierzchniowy utworzony na warstwie krzemu podczas krystalizacji i procesu RTA, aby zapewnić ekspozycję czystej powierzchni warstwy krzemu na wodór. Zanurz wyżarzoną próbkę w 5% roztworze HF, aż powierzchnia krzemu stanie się hydrofobowa (30~100 s). Przepłucz wodą dejonizowaną i osusz pistoletem azotowym.</li>
 <li>Pasywacja defektów 
 Wprowadź próbkę do komory próżniowej wyposażonej w zdalne źródło plazmy wodorowej. Odpompuj do ciśnienia &lt;1E-4 Torr, podgrzej próbkę do ~620 °C, włącz przepływ mieszaniny argonu i wodoru (50:150 sccm), ustaw ciśnienie 50-100 mTorr, uruchom źródło plazmy przy mocy mikrofalowej 3,5 kW i kontynuuj proces przez ~10 min. Wyłącz podgrzewacz, utrzymując plazmę przez kolejne 10-15 min, aż temperatura spadnie poniżej 350 °C, przed wyłączeniem plazmy i zatrzymaniem przepływu gazu. Wyjmij próbkę, gdy temperatura spadnie poniżej 200 °C.</li>
 <li>Metalizacja ogniwa 
 Metalizacja ogniwa jest przeprowadzana w serii następujących po sobie etapów fotolitograficznego tworzenia wzorów, osadzania warstwy Al i trawienia, które są opisane szczegółowo w11. Gotowe ogniwo wygląda jak pokazano na ostatnim slajdzie ANIMACJI 3. Zbliżenie na zmetalizowane ogniwo przedstawiono na Rys. 1.</li>
 <li>Zmierz EQE zmetalizowanego ogniwa.</li>
</ol>
2. Wytwarzanie plazmonicznych nanocząstek Ag (Animacja 4)
<ol>
 <li>Przedmuchać zmetalizowaną powierzchnię ogniwa suchym azotem w celu usunięcia kurzu, a następnie umieścić próbkę w parowniku termicznym zawierającym łódeczkę wolframową (W) wypełnioną granulami srebra (Ag) (0,3-0,5 g). Odpompowanie komory parownika przeprowadzić do ciśnienia bazowego 2~3E-5 Torr. Zaprogramować kwarcowy mikrowagę (QCM) z parametrami dla Ag: gęstość 10,50 i współczynnik Z 0,529.</li>
 <li>Upewnić się, że przysłona próbki jest zamknięta, włączyć grzałkę łódeczki W i powoli zwiększać natężenie prądu, aby uniknąć wzrostu ciśnienia powyżej 8E-5 Torr, aż do stopienia granul Ag (obserwując proces przez okno obserwacyjne). Po ustabilizowaniu się ciśnienia ustawić natężenie prądu na wartość odpowiadającą szybkości osadzania Ag na poziomie 0,1-0,2 Å/s (zgodnie z kalibracją) i otworzyć przysłonę, aby rozpocząć proces osadzania.</li>
 <li>Monitorować grubość rosnącej warstwy Ag za pomocą QCM i zamknąć przysłonę po osiągnięciu grubości 14 nm. Pozostawić łódeczkę W do ochłodzenia przez około 15 min, a następnie wyjąć próbkę. Warstwa powinna zostać poddana wyżarzaniu w celu utworzenia nanocząstek jak najszybciej po osadzaniu, aby uniknąć utleniania Ag.</li>
 <li>Ogniwo ze świeżo osadzoną warstwą Ag umieścić w piecu przepłukanym azotem i wstępnie podgrzanym do 230 0,1-0,2 °C, wyżarzać przez 50 min, a następnie wyjąć. Zwrócić uwagę na zmianę wyglądu powierzchni wynikającą z obecności nanocząstek. Obraz nanocząstek Ag wykonany za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej przedstawiono na Rys. 2.</li>
 <li>Zmierzyć EQE ogniwa z macierzą nanocząstek.</li>
</ol>
3. Wykonanie tylnego reflektora
Tylny reflektor składa się z powłoki dielektrycznej z MgF2 (RI 1,38) o grubości ~300 nm, pokrytej warstwą komercyjnej białej farby sufitowej (Dulux).
<ol>
 <li>Przed wykonaniem tylnego reflektora należy zabezpieczyć kontakty ogniwa, nakładając na nie czarny marker, co umożliwi odsłonięcie kontaktów spod dielektryka za pomocą procesu lift-off.</li>
 <li>Użyj pistoletu azotowego, aby przedmuchać próbkę z macierzą NP i pomalowanymi kontaktami w celu usunięcia kurzu. Stosuj umiarkowane ciśnienie azotu i zachowaj ostrożność, aby nie zdmuchnąć nanocząsteczek. Umieść próbkę w parowniku termicznym zawierającym łódeczkę wolframową (W) wypełnioną kawałkami MgF2. Odsaż parownik do ciśnienia 2~3E-5 Torr. Ustaw parametry QCM dla MgF2: gęstość (Density) 3.05 i stosunek Z (Z ratio) 0.637.</li>
 <li>Upewnij się, że zasłona próbki jest zamknięta, włącz grzałkę łódeczki i powoli zwiększaj prąd, aby uniknąć nadmiernego wzrostu ciśnienia, aż MgF2 stopi się, co powinno być widoczne przez okno obserwacyjne. Po ustabilizowaniu się ciśnienia ustaw prąd na wartość odpowiadającą szybkości osadzania MgF2 wynoszącej 0.3 nm/s i otwórz zasłonę próbki.</li>
 <li>Monitoruj grubość osadzonej warstwy za pomocą QCM i zamknij zasłonę po osiągnięciu grubości 300 nm.</li>
 <li>Wyłącz grzałkę. Pozostaw łódeczkę W do ochłodzenia przez około 15 min, a następnie wyjmij próbkę. Zwróć uwagę na zmianę wyglądu ogniwa po nałożeniu powłoki z MgF2.</li>
 <li>Aby usunąć maskę z tuszu z kontaktów ogniwa, zanurz ogniwo z powłoką dielektryczną w acetonie. Czekaj, aż dielektryk nad tuszem zacznie pękać i oddzielać się. Trzymaj ogniwo w acetonie do czasu usunięcia całego tuszu wraz z dielektrykiem i pełnego odsłonięcia metalowych kontaktów. Wyjmij próbkę z acetonu, wypłucz świeżym acetonem i wysusz pistoletem azotowym.</li>
 <li>Za pomocą miękkiego, cienkiego pędzla nanieś warstwę białej farby (farba sufitowa Dulux One-Coat) na całą powierzchnię ogniwa, uważając, aby nie zamalować metalowych kontaktów. Warstwa farby musi być wystarczająco gruba, aby była całkowicie nieprzezroczysta (~&gt;0.5 mm), tak aby patrząc przez pomalowane ogniwo na jasne źródło światła, nic nie było widoczne. Pozostaw farbę do wyschnięcia na jeden dzień.</li>
 <li>Zmierz EQE ogniwa z tylnym reflektorem z białej farby.</li>
</ol>
4. Reprezentatywne wyniki
Prąd zwarcia ogniwa słonecznego oblicza się poprzez całkowanie krzywej EQE w standardowym globalnym widmie słonecznym (masy powietrza 1,5). Zarówno prąd ogniwa, jak i jego zwiększenie dzięki pułapkowaniu światła zależą od grubości warstwy absorbującej ogniwa: sam prąd jest wyższy dla ogniw grubszych, ale zwiększenie prądu jest większe w przypadku urządzeń cieńszych; odpowiednie dane znajdują się w Tabeli 1, a krzywe EQE w Animacji 5. Oryginalne ogniwa o grubości 2 μm, bez pułapkowania światła, mają wartość Jsc zmierzoną w kroku 1.7.) wynoszącą ok. 15 mA/cm2. Po wytworzeniu matrycy nanocząstek Jsc wzrasta do około 20 mA/cm2, co stanowi wzrost o 32%. Jest to wynik nieco lepszy niż efekt zwiększenia o 25-30% uzyskiwany wyłącznie dzięki tylnemu reflektorowi dyfuzyjnemu. Po dodaniu tylnego reflektora dyfuzyjnego na osłonie z MgF2 do ogniwa z plazmoniczną matrycą nanocząstek, Jsc wzrosło dalej do 22,3 mA/cm2, co oznacza wzrost o około 45%. Należy zauważyć, że dla ogniwa o grubości 3 μm wszystkie prądy są wyższe, do 25,7 mA/cm2, podczas gdy względny wzrost jest nieco niższy i wynosi 42%: pułapkowanie światła ma stosunkowo większy wpływ w urządzeniach cieńszych.
<table border="1">
 <tbody>
 <tr>
 <td>Grubość ogniwa:</td>
 <td colspan="2">2 μm</td>
 <td colspan="2">3 μm</td>
 </tr>
 <tr>
 <td> </td>
 <td>Jsc, mA/cm2</td>
 <td>+%</td>
 <td>Jsc, mA/cm2</td>
 <td>+%</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>ogniwo oryginalne</td>
 <td>15,4</td>
 <td> </td>
 <td>18,1</td>
 <td> </td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Tylny reflektor rozproszony (R)</td>
 <td>20,1</td>
 <td>30,5</td>
 <td>21,5</td>
 <td>18,8</td>
 </tr>
 <tr>
 <td>Nanocząstki (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>
Tabela 1. Prąd zwarcia ogniwa plazmonicznego i jego wzrost w porównaniu z ogniwem oryginalnym.
<img alt="Schemat ogniwa słonecznego z emiterem, kontaktami BSF, nanocząsteczkami na krzemie; analiza procesu fotowoltaicznego." src="/files/ftp_upload/4092/4092fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Zbliżenie cienkowarstwowego ogniwa słonecznego z poly-Si z siatką metalizacji.
<img alt="Obraz SEM przedstawiający rozkład nanocząstek, powiększenie 100 000x, analiza morfologii powierzchni." src="/files/ftp_upload/4092/4092fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Obraz z mikroskopii elektronowej skaningowej nanocząsteczek Ag na powierzchni krzemu.
<img alt="Plazmoniczne pułapkowanie światła, nanocząsteczki Ag, schemat ogniwa słonecznego z Si, zwiększenie wydajności absorpcji." src="/files/ftp_upload/4092/4092fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3. Schematyczny widok plazmonicznego cienkowarstwowego ogniwa słonecznego z krystalicznego krzemu (nie w skali).
<img alt="Wykres zewnętrznej wydajności kwantowej przedstawiający odpowiedź widmową w funkcji długości fali w nanometrach." src="/files/ftp_upload/4092/4092fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Zewnętrzna wydajność kwantowa i prąd zwarcia dla cienkowarstwowych ogniw z polikrystalicznego krzemu z reflektorem rozproszonym i nanocząsteczkami plazmonicznymi: przerywana linia czarna – oryginalne ogniwo o grubości 2 μm bez pułapkowania światła, Jsc 15.36 mA/cm2; kolor niebieski – ogniwo z rozproszonym reflektorem malarskim, Jsc 20.08 mA/cm2; kolor czerwony – ogniwo z plazmonicznymi nanocząsteczkami Ag, Jsc 20.31 mA/cm2; kolor zielony – ogniwo z nanocząsteczkami, MgF2 i rozproszonym reflektorem malarskim, Jsc 22.32 mA/cm2. Kolor fioletowy – ogniwo o grubości 3 μm (na szkle o grubości 3 mm) z nanocząsteczkami, MgF2 i reflektorem rozproszonym, Jsc 25.7 mA/cm2 (należy zwrócić uwagę na niższą odpowiedź w obszarze niebieskim ze względu na niezamierzone różnice w warstwach antyrefleksyjnych i grubości emitera). Ciągła linia czarna – teksturowane ogniwo o grubości 2 μm przygotowane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (na szkle o grubości 3 mm), Jsc 26.4 mA/cm2, przedstawione w celu porównania.
Animacja 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation1.pptx" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.
Animacja 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation2.pptx" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.
Animacja 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation3.pptx" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.
Animacja 4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation4.pptx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</a>.
Animacja 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation5.pptx" target="_blank"> Kliknij tutaj, aby wyświetlić animację</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>

Brak zadeklarowanych konfliktów interesów.

Ogniwa słoneczne z polikrystalicznego krzemu otrzymanego metodą odparowania oraz rozpraszające światło nanocząstki plazmoniczne stanowią idealne rozwiązanie w zakresie pułapkowania światła. Ogniwa te mają strukturę płaską, przez co nie mogą wykorzystywać rozpraszania światła na powierzchniach teksturowanych; z kolei nanocząstki plazmoniczne nie mogą być łatwo formowane na powierzchniach teksturowanych. Ogniwa te posiadają tylko jedną, tylną powierzchnię z bezpośrednio eksponowanym krzemem, która okazuje się być najlepszy...

<table><tbody><tr><td>Srebro ziarniste</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>303372</td><td>99.99%</td></tr><tr><td>MgF&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, kryształy losowe, gatunek optyczny</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>378836</td><td>&amp;gt;=99.99%</td></tr><tr><td>Jednopowłokowa farba do sufitów Dulux</td><td>Dulux</td><td></td><td>R&amp;gt;90%&lt;br/&gt; (500-1100 nm)</td></tr></tbody></table>

ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

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

Jednym z głównych sposobów na obniżenie kosztów produkcji ogniw słonecznych jest zmniejszenie ilości materiału półprzewodnikowego wykorzystywanego do ich wytwarzania oraz zwiększenie cienkości ogniw. Aby zrekompensować mniejszą absorpcję światła, tak cienkie fizycznie urządzenia muszą posiadać mechanizmy pułapkowania światła, które zwiększają ich grubość optyczną. Rozpraszanie światła przez teksturowane powierzchnie jest powszechną techniką, jednak nie może być ona stosowana uniwersalnie we wszystkich technologiach ogniw słonecznych. Niektóre ogniwa, na przykład te wykonane z krzemu naparowanego, są w formie płaskiej po wytworzeniu i wymagają alternatywnych metod pułapkowania światła odpowiednich dla urządzeń planarnych. Skutecznym podejściem jest zastosowanie nanocząsteczek metali uformowanych na płaskiej powierzchni ogniwa krzemowego, które są zdolne do rozpraszania światła dzięki rezonansowi plazmonowemu powierzchni.
W pracy przedstawiono procedurę wytwarzania ogniw słonecznych z odparowanego polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym pułapkowaniem światła i wykazano, w jaki sposób obecność nanocząsteczek metalu poprawia wydajność kwantową ogniwa.
Aby wytworzyć ogniwa, na szklaną podłożną nanosi się metodą naparowania wiązką elektronów warstwę składającą się z naprzemiennych warstw krzemu domowanego borem i fosforem. Początkowo amorficzna warstwa zostaje skrystalizowana, a defekty elektroniczne są niwelowane poprzez wyżarzanie i pasywację wodorem. Do warstw o przeciwnych polaryzacjach doprowadza się metalowe kontakty w formie siatki, aby odebrać prąd generowany przez ogniwo. Typowo takie ogniwo o grubości ~2 μm posiada gęstość prądu zwarcia (Jsc) na poziomie 14-16 mA/cm2, która może zostać zwiększona do 17-18 mA/cm2 (o ~25% więcej) po zastosowaniu prostego rozproszonego reflektora tylnego wykonanego z białej farby.
W celu implementacji plazmonicznego pułapkowania światła, na zmetalizowanej powierzchni krzemowej ogniwa tworzy się macierz nanocząsteczek srebra. Prekursorowa warstwa srebra jest osadzana na ogniwie metodą odparowania termicznego, a następnie poddawana wyżarzaniu w 23°C w celu utworzenia nanocząsteczek srebra. Rozmiar i stopień pokrycia nanocząsteczkami, które wpływają na plazmoniczne rozpraszanie światła, można dostosować w celu poprawy wydajności ogniwa poprzez zmianę grubości warstwy prekursorowej oraz warunków wyżarzania. Zoptymalizowana macierz nanocząsteczek sama w sobie prowadzi do zwiększenia Jsc ogniwa o około 28%, co jest efektem zbliżonym do działania reflektora rozproszonego. Fotoprąd można dodatkowo zwiększyć poprzez pokrycie nanocząsteczek dielektrykiem o niskim współczynniku załamania światła, takim jak MgF2, oraz zastosowanie reflektora rozproszonego. Pełna struktura ogniwa plazmonicznego składa się z polikrystalicznej warstwy krzemu, macierzy nanocząsteczek srebra, warstwy MgF2 oraz reflektora rozproszonego. Wartość Jsc dla takiego ogniwa wynosi 21-23 mA/cm2, co jest wynikiem o maksymalnie 45% wyższym niż Jsc pierwotnego ogniwa bez pułapkowania światła lub o około 25% wyższym niż Jsc ogniwa z samym reflektorem rozproszonym.
Wstęp
Pułapkowanie światła w krzemowych ogniwach słonecznych jest powszechnie osiągane poprzez rozpraszanie światła na teksturowanych interfejsach. Rozproszone światło przemieszcza się przez ogniwo pod kątami ukośnymi na dłuższym dystansie, a gdy kąty te przekroczą kąt krytyczny na interfejsach ogniwa, światło zostaje trwale uwięzione w ogniwie w wyniku całkowitego wewnętrznego odbicia (Animation 1: Pułapkowanie światła). Chociaż schemat ten sprawdza się w większości ogniw słonecznych, rozwijane są technologie, w których ultracienkie warstwy Si są wytwarzane w sposób płaski (np. technologie transferu warstw i epitaksjalne warstwy c-Si) 1 lub gdy takie warstwy nie są kompatybilne z teksturowanymi podłożami (np. krzem naparowy) 2. Dla takich pierwotnie płaskich warstw Si zasugerowano alternatywne podejścia do pułapkowania światła, takie jak rozproszony biały refleksyjne malowanie 3, teksturowanie plazmowe krzemu 4 lub reflektor z nanocząsteczek o wysokim współczynniku załamania 5.
Nanocząsteczki metali mogą skutecznie rozpraszać światło padające do materiału o wyższym współczynniku załamania, takiego jak krzem, dzięki efektowi powierzchniowego rezonansu plazmonowego 6. Mogą być one również łatwo formowane na płaskiej powierzchni ogniwa krzemowego, oferując tym samym alternatywną dla teksturowania metodę pułapkowania światła. W przypadku nanocząsteczki znajdującej się na granicy faz powietrze-krzem, frakcja światła rozproszonego sprzężonego z krzemem przekracza 95%, a znaczna część tego światła jest rozpraszana pod kątami powyżej kąta krytycznego, co zapewnia niemal idealne warunki pułapkowania światła (Animation 2: Plasmons on NP). Rezonans można dostroić do zakresu długości fal, który jest najważniejszy dla konkretnego materiału i konstrukcji ogniwa, poprzez zmianę średniej wielkości nanocząsteczek, stopnia pokrycia powierzchni oraz lokalnego otoczenia dielektrycznego 6,7. Zaproponowano teoretyczne zasady projektowania plazmonicznych ogniw słonecznych z nanocząsteczkami 8. W praktyce macierz nanocząsteczek Ag jest idealnym partnerem do pułapkowania światła dla cienkowarstwowych ogniw słonecznych z poly-Si, ponieważ większość tych zasad projektowych jest spełniona w sposób naturalny. Najprostszy sposób formowania nanocząsteczek poprzez wyżarzanie termiczne cienkiej warstwy prekursora Ag prowadzi do powstania przypadkowej macierzy o stosunkowo szerokim rozkładzie wielkości i kształtów, co jest szczególnie korzystne dla pułapkowania światła, ponieważ taka macierz posiada szeroki pik rezonansowy obejmujący zakres długości fal 700-900 nm, istotny dla wydajności ogniw słonecznych z poly-Si. Macierz nanocząsteczek może być rozmieszczona wyłącznie na tylnej powierzchni ogniwa poly-Si, co pozwala uniknąć destruktywnej interferencji między światłem padającym a rozproszonym, która występuje w przypadku nanocząsteczek rozmieszczonych z przodu 9. Ponadto cienkowarstwowe ogniwa poly-Si nie wymagają warstwy pasywacyjnej, a nanocząsteczki o płaskiej podstawie (które naturalnie powstają w wyniku wyżarzania termicznego warstwy metalu) mogą być umieszczane bezpośrednio na krzemie, co dodatkowo zwiększa wydajność rozpraszania plazmonowego dzięki rezonansowi powierzchniowych plazmon-polaritonów 10.
Ogniwo z matrycą plazmonicznych nanocząsteczek, opisaną powyżej, może charakteryzować się prądem świetlnym o około 28% wyższym niż w przypadku ogniwa pierwotnego. Niemniej jednak matryca nadal przepuszcza znaczną ilość światła, które ucieka przez tylną część ogniwa i nie przyczynia się do generowania prądu. Stratę tę można zredukować poprzez dodanie tylnego reflektora, który pozwoli na przechwycenie transmitowanego światła i skierowanie go z powrotem do ogniwa. Przy zapewnieniu odpowiedniej odległości między reflektorem a nanocząsteczkami (kilkaset nanometrów), odbite światło ulegnie kolejnemu zjawisku rozpraszania plazmonicznego podczas ponownego przechodzenia przez matrycę nanocząsteczek wewnątrz ogniwa; dodatkowo sam reflektor może być wykonany w sposób rozpraszający – oba te efekty dodatkowo ułatwiają rozpraszanie i tym samym pułapkowanie światła. Co istotne, nanocząsteczki Ag muszą zostać zamknięte w obudowie z dielektryka o niskim współczynniku załamania i właściwościach obojętnych, takiego jak MgF2 lub SiO2, aby chronić je przed uszkodzeniami mechanicznymi i chemicznymi ze strony tylnego reflektora 7. Niskie współczynnik załamania tej warstwy okładziny jest niezbędny do utrzymania wysokiego ułamka sprzężenia do krzemu oraz większych kątów rozpraszania, co jest zapewnione przez wysoki kontrast optyczny między mediami po obu stronach nanocząsteczki: krzemem a dielektrykiem 6. Prąd świetlny ogniwa plazmonicznego z rozpraszającym reflektorem tylnym może być do 45% wyższy niż prąd ogniwa pierwotnego lub do 25% wyższy niż prąd równoważnego ogniwa wyposażonego wyłącznie w rozpraszający reflektor.

Polikrystaliczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu na szkle są wytwarzane poprzez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Pułapkowanie światła oparte na plazmonice wprowadza się poprzez formowanie nanocząsteczek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytego reflektorem dyfuzyjnym, co skutkuje wzrostem prądu światła o ok. 45%.

Ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

Jednym z głównych podejść do obniżenia kosztów ogniw słonecznych jest zmniejszenie ilości materiału półprzewnikowego wykorzystywanego do ich produkcji oraz zwiększenie cienkości ogniw. Aby...

Ogólnym celem następnego eksperymentu jest zademonstrowanie, w jaki sposób rozpraszanie światła przez plazmoniczne nanocząstki zwiększa pułapkowanie światła w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych i poprawia ich wydajność. Osiąga się to poprzez osadzenie prekursorowej warstwy srebra na tylnej powierzchni cienkowarstwowego ogniwa słonecznego, a następnie jej wyżarzanie w celu wytworzenia losowej macierzy rozpraszających światło nanocząstek srebra. W drugim kroku ogniwo słoneczne z macierzą nanocząstek zostaje pokryte dielektryczną warstwą fluorku magnezu, a następnie białą farbą w celu dodania dyfuzyjnego reflektora tylnego, który wychwytuje światło przenikające przez macierz nanocząstek. Aby dodatkowo zwiększyć prąd fotogenerowany ogniwa, światło wnikające do ogniwa słonecznego i niepochłonięte przy pierwszym przejściu zostaje rozproszone z powrotem do ogniw zarówno przez macierz nanocząstek, jak i przez tylny reflektor dyfuzyjny pod kątami ukośnymi, co zwiększa optyczną grubość ogniwa i tym samym poprawia absorpcję światła. Wyniki wykazują, że prąd zwarcia ogniwa słonecznego wzrasta o 45% w obecności plazmonicznego reflektora rozpraszającego światło.Główną zaletą tej techniki w p

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ogniwo słoneczne z polikrystalicznego krzemu o cienkiej warstwie z plazmonowo ulepszanym pułapkiem świetlnym

Wykazano, że pęsety plazmoniczne oraz nanostruktury kryształów fotonicznych zapewniają istotną poprawę wydajności i kontroli orientacji w optycznym chwytaniu mikro- i nanocząstek.

Wykorzystanie plazmonicznych i fotonicznych nanostruktur krystalicznych do usprawnionej manipulacji mikro- i nanocząsteczkami

Przedstawiono ogólną strategię opracowania kompozytów nanokryształów półprzewodnikowych z separacją ładunku, które można wykorzystać w produkcji energii słonecznej. Wykazano, że zgrupowanie domen nanokryształów typu donora i akceptora w obrębie pojedynczej nanocząstki nadaje jej funkcję fotokatalityczną, podczas gdy heterozłącza objętościowe (bulk-heterojunctions) w filmach z nanokryształów typu donora i akceptora mogą być wykorzystywane do fotowoltażnej konwersji energii.

Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych

Pokazano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście jako elementu dyspersyjnego rozdzielającego równoległe spektrum w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Opisano procesy wytwarzania, w tym litografię nanoimprint, rozpylanie TiO2 i reaktywne trawienie jonowe. Wyniki pomiarów współczynnika odbicia służą do scharakteryzowania parametrów optycznych.

Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym

Opisana jest realna metodologia oparta na druku transferowym, mająca na celu wprowadzenie plazmonicznych nanostruktur metalowych do ogniw słonecznych.  Wykorzystując nanofilarowe stemple poli(dimetylosiloksanowe), uporządkowany układ nanodysków oparty na Ag zintegrowano ze standardowymi uwodornionymi mikrokrystalicznymi ogniwami słonecznymi Si, co doprowadziło do poprawy wydajności urządzenia dzięki plazmonicznemu pułapkowaniu światła.

Integracja nanostruktur srebra zatrzymujących światło w uwodornionych mikrokrystalicznych krzemowych ogniwach słonecznych za pomocą druku transferowego

Ten protokół opisuje syntezę i osadzanie roztworu nieorganicznych nanokryształów warstwa po warstwie w celu wytworzenia cienkiej warstwy elektroniki na powierzchniach nieprzewodzących. Atramenty stabilizowane rozpuszczalnikiem mogą wytwarzać kompletne urządzenia fotowoltaiczne na podłożach szklanych poprzez powlekanie wirowe i natryskowe po wymianie ligandów i spiekaniu po osadzaniu.

Produkcja w pełni przetworzonych w roztworze nieorganicznych nanokrystalicznych urządzeń fotowoltaicznych

Metoda dla w pełni drukowalnych, wolnych od fulerenów, wysoce stabilnych, masowo-heterozłączowych ogniw słonecznych opartych na alkoholanach Ti jako akceptorze elektronów i produkcji polimeru oddając elektrony jest opisana tutaj. Ponadto opisano metodę kontrolowania morfologii warstwy fotoaktywnej poprzez masowość molekularną jednostek Ti-alkoxidian.

Kontrola morfologii dla w pełni drukowalnych organiczno-nieorganicznych ogniw słonecznych z heterozłączami masowymi na bazie tytanowo-alkoksydowego i polimeru półprzewodnikowego

Prezentujemy obszerne badanie na temat efektów różnych metod wytwarzania organicznych/nieorganicznych cienkich warstw perowskitu, porównując struktury krystaliczne, gęstość stanów, poziomy energii i ostatecznie wydajność ogniw słonecznych.

Wpływ metod wytwarzania perowskitów hybrydowych na tworzenie filmu, strukturę elektronową i wydajność ogniw słonecznych

Ten manuskrypt opisuje, jak zaprojektować i wyprodukować wydajne odwrócone ogniwa słoneczne SMPV1:PC71BM z nanoprętami ZnO (NR) hodowanymi na wysokiej jakości warstwie nasiennej ZnO domieszkowanej Alem (AZO). Dobrze ustawione, zorientowane pionowo NR ZnO wykazują wysokie właściwości krystaliczne. Sprawność konwersji energii ogniw słonecznych może osiągnąć 6,01%.

Dobrze wyrównane pionowo zorientowane układy nanoprętów ZnO i ich zastosowanie w odwróconych małocząsteczkowych ogniwach słonecznych

Tutaj prezentujemy protokół do opracowania wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si o wysokiej żywotności nośnika mniejszościowego Si.

Opracowywanie wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si

Ta praca opisuje kompletny proces produkcji cienkich absorberów tellurku kadmu/tellurku selenu/tellurku kadmu dla zwiększenia wydajności. Proces wykorzystuje zautomatyzowany system próżniowy in-line do osadzania sublimacyjnego w bliskiej przestrzeni, który jest skalowalny, od produkcji urządzeń badawczych o małej powierzchni, a także modułów na dużą skalę.

Ultracienkie ogniwa słoneczne CdSeTe/CdTe osadzane sublimacyjnie w bliskiej przestrzeni dla zwiększenia gęstości prądu zwarciowego i fotoluminescencji

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

Poznaj metodę plazmonowego pułapkowania światła w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych z krzemu polikrystalicznego. Technika ta zwiększa fotoprąd o 45% bez wprowadzania defektów w strukturze urządzenia.

Ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

Przeglądaj więcej filmów