Silício policristalino de película fina de células solares com plasmonic avançada Luz-caça com armadilhas

Resumo

Silício policristalino de película fina de células solares em vidro são fabricados pela deposição de boro e fósforo camadas de silício dopado seguido por cristalização passivação defeito, e metalização. Plasmonic luz aprisionamento é introduzido através da formação de nanopartículas de Ag na superfície da célula de silício tapado com um reflector difusa resultando em ~ reforço fotocorrente 45%.

Resumo

Uma das principais abordagens para células solares mais baratas é reduzir a quantidade de material semicondutor utilizado em sua fabricação e tornar as células mais finas. Para compensar a menor absorção de luz, esses dispositivos fisicamente finos precisam incorporar captura de luz, o que aumenta sua espessura óptica. A dispersão da luz por superfícies texturizadas é uma técnica comum, mas não pode ser aplicada universalmente a todas as tecnologias de células solares. Algumas células, por exemplo aquelas feitas de silício evaporado, são planares quando produzidas e requerem um meio alternativo de captura de luz adequado para dispositivos planares. Nanopartículas metálicas formadas na superfície de células planares de silício e capazes de dispersar luz devido à ressonância de plasmon superficial representam uma abordagem eficaz.

O artigo apresenta um procedimento de fabricação de células solares de silício policristalino evaporado com aprisionamento de luz plasmônica e demonstra como a eficiência quântica da célula melhora devido à presença de nanopartículas metálicas.

Para fabricar as células, um filme composto por camadas alternadas de silício dopado com boro e fósforo é depositado sobre um substrato de vidro por evaporação por feixe de elétrons. Um filme inicialmente amorfo é cristalizado e os defeitos eletrônicos são atenuados por meio de recozimento e passivação com hidrogênio. Contatos em grade metálica são aplicados nas camadas de polaridade oposta para extrair a eletricidade gerada pela célula. Tipicamente, uma célula com cerca de 2 μm de espessura apresenta uma densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) de 14-16 mA/cm², que pode ser aumentada para 17-18 mA/cm² (~25% maior) após a aplicação de um refletor traseiro difuso simples, feito de tinta branca.

Para implementar o aprisionamento de luz com efeito plasmônico, um arranjo de nanopartículas de prata é formado sobre a superfície de silício metalizada da célula. Um filme precursor de prata é depositado sobre a célula por evaporação térmica e recozido a 23 °C para formar nanopartículas de prata. O tamanho e a cobertura das nanopartículas, que afetam a dispersão de luz plasmônica, podem ser ajustados para melhorar o desempenho da célula, variando-se a espessura do filme precursor e suas condições de recozimento. Um arranjo otimizado de nanopartículas resulta em um aumento de cerca de 28% na Jsc da célula, valor semelhante ao efeito do refletor difuso. A corrente fotogerada pode ser ainda maior mediante o revestimento das nanopartículas com um dielétrico de baixo índice de refração, como o MgF₂, combinado com a aplicação do refletor difuso. A estrutura completa da célula plasmônica compreende a camada de silício policristalino, um arranjo de nanopartículas de prata, uma camada de MgF₂ e um refletor difuso. A Jsc dessa célula é de 21–23 mA/cm², até 45% maior que a Jsc da célula original sem aprisionamento de luz ou cerca de 25% maior que a Jsc da célula com apenas o refletor difuso.

Introdução

O aprisionamento de luz em células solares de silício é comumente alcançado por meio do espalhamento da luz em interfaces texturizadas. A luz espalhada percorre a célula em ângulos oblíquos, cobrindo uma distância maior, e quando esses ângulos excedem o ângulo crítico nas interfaces da célula, a luz é permanentemente aprisionada na célula pela reflexão interna total (Animação 1: Aprisionamento de luz). Embora este esquema funcione bem para a maioria das células solares, existem tecnologias emergentes nas quais camadas ultrafinas de Si são produzidas de forma planar (por exemplo, tecnologias de transferência de camada e camadas epitaxiais de c-Si) ¹ ou quando tais camadas não são compatíveis com substratos texturizados (por exemplo, silício evaporado) ². Para essas camadas de Si originalmente planares, foram sugeridas abordagens alternativas de aprisionamento de luz, como refletores de tinta branca difusa ³, texturização de silício por plasma ⁴ ou refletores de nanopartículas com alto índice de refração ⁵.

As nanopartículas metálicas podem dispersar efetivamente a luz incidente em um material de índice de refração mais alto, como o silício, devido ao efeito de ressonância de plasmon superficial ⁶. Elas também podem ser facilmente formadas sobre a superfície planar da célula de silício, oferecendo uma abordagem alternativa de aprisionamento de luz em vez da texturização. Para uma nanopartícula localizada na interface ar-silício, a fração de luz dispersada acoplada ao silício excede 95%, e uma grande parte dessa luz é dispersada em ângulos acima do ângulo crítico, proporcionando condições quase ideais de aprisionamento de luz (Animação 2: Plasmons on NP). A ressonância pode ser ajustada para a região de comprimento de onda mais importante para um determinado material e projeto de célula, variando-se o tamanho médio da nanopartícula, a cobertura superficial e o ambiente dielétrico local ^6,7. Princípios teóricos de projeto para células solares de nanopartículas plasmônicas já foram propostos ⁸. Na prática, uma matriz de nanopartículas de Ag é uma parceira ideal de aprisionamento de luz para células solares de filme fino de Si policristalino, pois a maioria desses princípios de projeto é naturalmente satisfeita. A maneira mais simples de formar nanopartículas — o recozimento térmico de uma fina camada precursora de Ag — resulta em uma matriz aleatória com distribuição relativamente ampla de tamanhos e formas, o que é particularmente adequado para o aprisionamento de luz, já que tal matriz apresenta um pico de ressonância largo, cobrindo a faixa de comprimento de onda de 700-900 nm, importante para o desempenho da célula solar de Si policristalino. A matriz de nanopartículas pode ser posicionada apenas na superfície traseira da célula de Si policristalino, evitando assim interferência destrutiva entre a luz incidente e a luz dispersada, que ocorre quando as nanopartículas estão localizadas na frente ⁹. Além disso, as células solares de filme fino de Si policristalino não exigem uma camada passivante, e as nanopartículas com base plana (que se formam naturalmente pelo recozimento térmico de uma camada metálica) podem ser colocadas diretamente sobre o silício, aumentando ainda mais a eficiência da dispersão plasmônica devido à ressonância de plasmon-polariton de superfície ¹⁰.

A célula com o arranjo de nanopartículas plasmônicas conforme descrito acima pode apresentar uma fotocorrente cerca de 28% maior do que a célula original. No entanto, o arranjo ainda transmite uma quantidade significativa de luz, que escapa pela parte traseira da célula e não contribui para a corrente. Essa perda pode ser mitigada pela adição de um refletor traseiro, permitindo capturar a luz transmitida e redirecioná-la de volta para a célula. Ao garantir uma distância suficiente entre o refletor e as nanopartículas (algumas centenas de nanômetros), a luz refletida experimentará mais um evento de espalhamento plasmônico ao passar novamente pelo arranjo de nanopartículas ao reentrar na célula, e o próprio refletor pode ser feito difuso — ambos os efeitos facilitam ainda mais o espalhamento da luz e, portanto, o aprisionamento de luz. É importante que as nanopartículas de Ag sejam encapsuladas com um dielétrico inerte e de baixo índice de refração, como MgF₂ ou SiO₂, em relação ao refletor traseiro, para evitar danos mecânicos e químicos ⁷. Um baixo índice de refração para essa camada de revestimento é necessário para manter uma alta fração de acoplamento ao silício e ângulos de espalhamento maiores, os quais são garantidos pelo alto contraste óptico entre os meios em ambos os lados da nanopartícula, silício e dielétrico ⁶. A fotocorrente da célula plasmônica com o refletor traseiro difuso pode ser até 45% maior do que a corrente da célula original ou até 25% maior do que a corrente de uma célula equivalente com apenas o refletor difuso.

Protocolo

1. Fabricação de células solares de silício policristalino (Animação 3)

1. Silicon deposição de filmes
   1. Preparar a ferramenta de evaporação de feixe-cozendo-o para fora a ~ 100 ° C durante a noite para atingir a pressão de base de
   2. Use um substrato feito de 5x5 cm ² (ou 10 x10 cm ²⁾ substrato de borosilicato de vidro (Schott Borofloat33), 1,1 ou 3,3 mm de espessura, revestido com ~ 80 nm de nitreto de silício (preparado por PECVD a partir de N ₂ e mistura SiH _4).
   3. Soprar a superfície do ....

Discussão

Células solares de silício policristalino evaporado e as nanopartículas de dispersão da luz plasmônicos são os parceiros ideais para a luz-caça com armadilhas. Tais células são planas, portanto, eles não podem contar com espalhamento de luz a partir de superfícies texturizadas, nem pode ser facilmente plasmonic nanopartículas formadas em superfícies texturizadas. As células têm uma única superfície, traseira com silício diretamente exposta, o que também acontece a ser a melhor localização para a maioria das nanopartícul.......

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Nome do reagente	Companhia	Número de catálogo	Comentários
Granular Prata	Sigma-Aldrich	303372	99,99%
MgF 2, os cristais aleatórios, grau óptico	Sigma-Aldrich	378836	> = 99,99%
Dulux pintura teto de uma demão-	Dulux		R> 90% (500-1100 nm)