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

Sergey Varlamov; Jing Rao; Thomas Soderstrom

doi:10.3791/4092

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Research Article

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

DOI: 10.3791/4092

July 2, 2012

Sergey Varlamov¹, Jing Rao¹, Thomas Soderstrom¹

¹School of Photovoltaics,University of New South Wales

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Summary

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%.

Abstract

Uma das principais abordagens para células solares mais baratas é reduzir a quantidade de material semicondutor usado para 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 de 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 como produzidas e requerem um meio alternativo de captura de luz adequado para dispositivos planares. Nanopartículas metálicas formadas na superfície planar da célula de silício e capazes de dispersão de luz devido à ressonância plasmônica da superfície são 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 consistindo de camadas alternativas de silício dopado com boro e fósforo é depositado no substrato de vidro por evaporação por feixe de elétrons. Um filme inicialmente amorfo é cristalizado e os defeitos eletrônicos são mitigados por recozimento e passivação de hidrogênio. Os contatos da grade de metal são aplicados às camadas de polaridade oposta para extrair a eletricidade gerada pela célula. Normalmente, essa célula de ~ 2 μm de espessura tem uma densidade de corrente de curto-circuito (Jsc) de 14-16 mA / cm², que pode ser aumentada até 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 plasmônica, uma matriz de nanopartículas de prata é formada na superfície de silício da célula metalizada. Um filme de prata precursor é depositado na célula por evaporação térmica e recozido a 23 ° C para formar nanopartículas de prata. O tamanho e a cobertura das nanopartículas, que afetam o espalhamento de luz plasmônica, podem ser ajustados para melhorar o desempenho da célula, variando a espessura do filme precursor e suas condições de recozimento. Uma matriz de nanopartículas otimizada sozinha resulta em aprimoramento de Jsc celular de cerca de 28%, semelhante ao efeito do refletor difuso. A fotocorrente pode ser aumentada ainda mais revestindo as nanopartículas por um dielétrico de baixo índice de refração, como MgF₂, e aplicando o refletor difuso. A estrutura completa da célula plasmônica compreende o filme de silício policristalino, uma matriz de nanopartículas de prata, uma camada de MgF₂ e um refletor difuso. O Jsc para essa célula é de 21-23 mA/^cm2, até 45% maior que o Jsc da célula original sem captura de luz ou ~ 25% maior que o Jsc para a célula com o refletor difuso apenas.

Introdução

O aprisionamento de luz em células solares de silício é comumente obtido por meio de dispersão de luz em interfaces texturizadas. A luz espalhada viaja através de uma célula em ângulos oblíquos por uma distância maior e quando esses ângulos excedem o ângulo crítico nas interfaces da célula, a luz fica permanentemente presa na célula por reflexão interna total (Animação 1: Captura de luz). Embora esse esquema funcione bem para a maioria das células solares, existem tecnologias em desenvolvimento em que camadas ultrafinas de Si são produzidas planas (por exemplo, tecnologias de transferência de camadas e camadas epitaxiais de c-Si) ¹ e / ou quando tais camadas não são compatíveis com substratos de texturas (por exemplo, silício evaporado) ². Para essas camadas de Si originalmente planas, foram sugeridas abordagens alternativas de aprisionamento de luz, como refletor de tinta branca difusa ³, texturização de plasma de silício ⁴ ou refletor de nanopartículas ^de alto índice de refração 5.

As nanopartículas metálicas podem efetivamente espalhar a luz incidente em um material de índice de refração mais alto, como o silício, devido ao efeito de ressonância plasmônica de superfície ⁶. Eles também podem ser facilmente formados na superfície planar da célula de silício, oferecendo assim uma alternativa de abordagem de captura de luz à texturização. Para uma nanopartícula localizada na interface ar-silício, a fração de luz espalhada acoplada ao silício excede 95% e uma grande facção dessa luz é espalhada em ângulos acima do crítico, proporcionando uma condição de captura de luz quase ideal (Animação 2: Plasmons em NP). A ressonância pode ser ajustada à região do comprimento de onda, que é mais importante para um determinado material e design celular, variando o tamanho médio da nanopartícula, a cobertura da superfície e o ambiente dielétrico local ^6,7. Princípios teóricos de design de células solares de nanopartículas plasmônicas foram sugeridos ⁸. Na prática, a matriz de nanopartículas Ag é um parceiro ideal de captura de luz para células solares de filme fino de poli-Si porque a maioria desses princípios de design é naturalmente atendida. A maneira mais simples de formar nanopartículas por recozimento térmico de um filme de Ag precursor fino resulta em uma matriz aleatória com uma distribuição de tamanho e forma relativamente ampla, que é particularmente adequada para captura de luz porque tal matriz tem um amplo pico de ressonância, cobrindo a faixa de comprimento de onda de 700-900 nm, importante para o desempenho da célula solar poli-Si. A matriz de nanopartículas só pode ser localizada na superfície traseira da célula poli-Si, evitando assim a interferência destrutiva entre a luz incidente e a luz espalhada que ocorre para nanopartículas localizadas na frente ⁹. Além disso, as células de filme fino de poli-Si não requerem uma camada passivante e as nanopartículas em forma de base plana (que resultam naturalmente do recozimento térmico de um filme de metal) podem ser colocadas diretamente no silício, aumentando ainda mais a eficiência do espalhamento plasmônico devido à ressonância plasmônica-polariton ^{da superfície 10}.

A célula com a matriz de nanopartículas plasmônicas, conforme descrito acima, pode ter uma fotocorrente cerca de 28% maior que a célula original. No entanto, a matriz 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 adicionando um refletor traseiro para permitir a captura da luz transmitida e redirecioná-la de volta para a célula. Fornecendo distância suficiente entre o refletor e as nanopartículas (algumas centenas de nanômetros), a luz refletida experimentará mais um evento de espalhamento plasmônico ao passar pela matriz de nanopartículas ao reentrar na célula e o próprio refletor pode ser difundido - ambos os efeitos facilitando ainda mais o espalhamento de luz e, portanto, o aprisionamento de luz. É importante ressaltar que as nanopartículas de Ag devem ser encapsuladas com um dielétrico inerte e de baixo índice de refração, como MgF₂ ou SiO₂, do refletor traseiro para evitar danos mecânicos e químicos ⁷. O baixo índice de refração para esta camada de revestimento é necessário para manter uma alta fração de acoplamento em silício e ângulos de dispersão maiores, que 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 que a corrente da célula original ou até 25% maior que a corrente de uma célula equivalente apenas com o refletor difuso.

Protocol

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

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 <Torr 3E-8. Aquecedor a predefinição de exemplo para os 150 ° C de temperatura de espera.
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 substrato com azoto seco para remover a poeira e colocá-lo em um suporte de amostra. Ventilar o bloqueio de carga, carregar a amostra, bombear a carga bloquear à pressão <Torr 1E5, e transferir a amostra para a câmara principal. Iniciar o aquecimento para o ponto de ajuste de 250 ° C. Bombear para cerca de 20 min, quando a pressão atinge-8E 8 Torr ou menos.
4. Verificar se o dopanteobturadores fonte de origem e de o silício está fechado. Predefinidos temperaturas fonte dopante, para temperaturas de espera, ou seja, a temperatura da fonte de fósforo a 700 ° C e temperatura da fonte de boro a 1250 ° C. Iniciar e arma-e derreter o silício em um cadinho por aumentar lentamente a corrente e-gun.
5. Quando a corrente necessária é alcançada (a partir da calibração anterior: esta corrente pode variar dependendo do e-gun e as condições fonte de Si) evaporar camadas de silício dopado com as necessárias concentrações de P e B: 35 nm emissor em 1E20 cm ^-3 de P ; 2 ~ absorvedor iM 3 a 5E15 ^-3 cm de B; 100 nm campo de volta à superfície (BSF) com 4E19 ^-3 cm de B. As concentrações exactas dopantes são conseguidos combinando as taxas de deposição certos Si, como medido por quartzo de cristal do Monitor (QCM), com certas temperaturas fonte dopantes, utilizando relações estabelecidas a partir da calibração SIMS.
6. Após a evaporação é feito mudar o aquecedor desligado, esfriar a amostra para ~ 10 min. Transfer a amostra para a carga de bloqueio, fechar a válvula de gaveta, ventilar o bloqueio de carga e descarga da amostra com a película de silicone.
Silicon cristalização
Se a amostra é 10x10 cm ^2, ele pode ser cortado em quatro 5x5 cm ² pedaços de tamanho de células antes da cristalização. Coloque um filme de silício depositados sobre vidro (Si película acima) em um suporte feito de rugosa e nitreto de silício revestido Schott Robax vidro (para evitar a aderência). Carga em uma estufa de azoto pré-aquecido a purgado 200-300 ° C. Rampa até a temperatura até 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min e recozimento durante 30 hr. Ligue o aquecedor de forno e deixe forno arrefecer naturalmente até ~ 200 ° C (2 ~ 3 hr) antes da descarga da amostra. A amostra pode ter uma forma côncava devido ao encolhimento de silício durante a cristalização. Vai achatar durante o processamento rápido a seguir térmica.
Ativação dos dopantes e defeito de recozimento (RTA)
Colocar a amostra com o filme cristalizou em um suporte feito de grafite pirolítica e load a um processador térmico rápido purgado com árgon. Rampa a temperatura até 600 ° C a 1 ° C / s, em seguida, até 1000 ° C a 20 ° C / s, mantenha durante 1 min, em seguida, arrefecer naturalmente até ~ 100 ° C e de descarregamento.
Remoção de óxido da superfície
Imediatamente antes da hidrogenação do óxido de superfície formada em um filme de silício durante a cristalização e RTA deve ser removido para garantir que a superfície da película nua silício é exposta a hidrogénio. Mergulha-se o recozido amostra em 5% de solução de HF até que a superfície de silício transforma hidrofóbico (30 ~ 100 s). Enxágüe com água deionizada e seque com uma arma de nitrogênio.
Passivação Defeito
Carregar a amostra em uma câmara de vácuo equipado com a fonte remota de hidrogénio plasma. Bombear até <1E-4 Torr, aquecer a amostra até ~ 620 ° C, ligar o argônio / fluxo da mistura de hidrogênio (50:150 sccm), defina pressão 50-100 mTorr, comece a fonte de plasma de 3,5 kW de a potência de microondas e continuar o processo para ~ 10 min. Desligar o aquecedor enquanto maintaIning o plasma para um outro min 10-15 até que a temperatura cai abaixo de 350 ° C antes de ligar o plasma fora e parar o fluxo de gás. Descarregar a amostra quando a temperatura está abaixo de 200 ° C.
Metalização de células
Metalização célula é conduzida de uma série de padrões fotolitográfico consecutivo, a deposição de filme Al e decapagem passos que são descritos em pormenor no ^11. A célula final olha como mostrado no último slide da animação 3. Uma vista de perto da célula metalizada é mostrado na Fig. 1.
Medir EQE da célula metalizado.

2. Fabricação de nanopartículas Ag plasmonic (Animação 4)

Soprar a superfície da célula metalizada com azoto seco para remover a poeira e carregar a amostra em um evaporador térmica contendo um barco W cheio com grânulos de Ag (0,3-0,5 g). Bombear para baixo da câmara de evaporador para a pressão base de 2 ~ 3E-5 Torr. QCM programa com parâmetros para Ag: Densidade 10,50e Z rácio 0,529.
Assegure-se que o obturador da amostra é fechada, ligar o aquecedor barco W sobre e aumentar a corrente lentamente o suficiente para evitar aumento de pressão acima 8E-5 Torr até derreter grânulos Ag (como observado por meio de uma vista de porta-). Após a pressão estabiliza definir o atual até o ponto de referência correspondente a taxa de deposição de Ag de 0,1-0,2 Å / s (a partir da calibração) e abrir o obturador para iniciar o processo de deposição.
Monitorar a espessura da película em crescimento Ag usando QCM e fechar o obturador quando a espessura de 14 nm é atingido. Permitir que o barco W esfriar por cerca de 15 min, retirar a amostra. A película deve ser recozido para formar nanopartículas logo após a deposição quanto possível para evitar a oxidação Ag.
Uma célula com um filme de Ag recém depositado é colocada num forno purgado com azoto pré-aquecido a 230 ° C 0,1-0,2, recozidas durante 50 min e, em seguida descarregado. Note-se a alteração na aparência da superfície, devido à nanopartículas. Digitalização de imagem de microscopia eletrônica de nanopartículas de Ag é shown na fig. 2.
Medir EQE da célula com a matriz de nanopartículas.

3. Fabricação do refletor traseiro

O refletor traseiro é constituído de aproximadamente 300 nm de espessura MgF ₂ (RI 1,38) revestimento dielétrico com um revestimento de uma tinta teto branco comercial (Dulux).

Antes de fabricar o reflector traseiro dos contactos celulares têm de ser protegidos por aplicação de uma tinta de marcador preto sobre eles, o que permite expor os contactos do âmbito do dieléctrico por um processo de elevação-off.
Use uma pistola de nitrogênio para explodir a amostra com NP matriz e contatos pintados para remover a poeira. Use a pressão modesta nitrogênio e tenha cuidado para não fundir as nanopartículas de distância. Colocar a amostra para o evaporador térmica contendo um barco W preenchido com MgF ₂ peças. Bombear o evaporador a uma pressão de 2 ~ Torr 3E-5. Definir parâmetros QCM para MgF _2: Densidade 3,05 e Z relação 0,637.
Certifique-se que a amostra shutter é fechada, ligar o aquecedor do barco e, lentamente, aumentar a corrente para evitar aumento de pressão excessiva até MgF ₂ derrete como pode ser visto através de uma visão porta. Após a pressão estabiliza definir o atual até o ponto de referência correspondente a MgF taxa de deposição de ₂ de 0,3 nm / s e abrir o obturador da amostra.
Monitorar a espessura depositados utilizando QCM e fechar o obturador quando 300 nm é atingido.
Desligue o aquecedor. Permitir que o barco W esfriar por cerca de 15 min, retirar a amostra. Note-se a alteração na aparência da célula com o revestimento ₂ FGM.
Para remover a máscara de tinta a partir dos contactos celulares imergir a célula com o dieléctrico revestimento em acetona. Aguarde até que o dielétrico acima a tinta começa a rachar e levantando. Manter a célula em acetona até toda a tinta com o dieléctrico é removido e os contactos de metal são totalmente exposta. Retirar a amostra a partir de acetona, lavar com acetona fresca e seque com arma de nitrogênio.
Aplicar uma camada de umtinta branca (Dulux tinta tecto One Coat-) com um pincel fino macio na superfície da célula inteira evitando cuidadosamente os contactos de metal. A camada de tinta tem de ser suficientemente espessa para ser completamente opaca (~ mm> 0,5), de modo que nenhuma luz pode ser visto quando se olha através da célula pintado na fonte de luz brilhante. Deixe a tinta secar por um dia.
Medir EQE da célula com o reflector branco tinta traseira.

4. Os resultados representativos

A célula solar corrente de curto-circuito é calculada através da integração da curva EQE sobre o espectro padrão global solar (massa de ar de 1,5). Tanto a corrente da célula e do seu reforço devido à luz-aprisionamento de depender da espessura da camada de células de absorção: a corrente em si é mais elevada para as células mais espessas, mas o aumento de corrente é maior para os dispositivos mais finos, ver Tabela 1 para os respectivos dados e animação 5 para EQE curvas. Os originais 2 células mm de espessura, sem luz-caça com armadilhas, hav Jsc medido no passo 1.7.) de ~ 15 mA / cm ^2. Após a fabricação de uma matriz de nanopartículas, JSC aumenta até cerca de 20 mA / cm ^2, que é reforço 32%. É ligeiramente melhor do que o efeito de aumento de 25-30% pelo reflector traseira difusa só. Depois de adicionar o reflector traseira difusa no MgF ₂ revestimento para a célula com a matriz de nanopartículas plasmonic, o Jsc é aumentada ainda mais para 22,3 mA / cm ^2, ou o reforço de cerca de 45%. Note-se que para a célula iM 3 espessa todas as correntes são mais elevados, até 25,7 mA / cm ^2, enquanto o aumento relativo é ligeiramente inferior, 42%: luz aprisionamento-tem um efeito relativamente maior em dispositivos mais finas.

A espessura das células:	2 micra		3 mm
	Jsc, mA / cm ²	~~trong> +%~~	Jsc, mA / cm ²	+%
célula original	15,4		18,1
Refletor difuso traseiro (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
As nanopartículas (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF ₂ / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabela 1. Plasmonic célula corrente de curto-circuito e seu reforço em comparação com célula original.

A Figura 1
Figura 1. Vista Close-up de poli-Si células de película fina solar com grade de metalização.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figura 2. Scanning imagem de microscopia de electrões de nanopartículas de Ag na superfície de silício.

A Figura 3
Figura 3. Uma vista esquemática de uma silício cristalino plasmonic película fina de células solares (não à escala).

A Figura 4
Figura 4 eficiência quântica externa e de curto-circuito para os de silício policristalino película fina de células com refletor difuso e nanopartículas plasmonic: tracejada preta - original 2 mm de espessura cela sem luz-caça com armadilhas, Jsc 15,36 mA / cm ^2, azul - célula. com refletor pintura difusa, Jsc 20,08 mA / cm ^2; vermelho - célula com nanopartículas plasmonic Ag, Jsc 20,31 mA / cm ^2; verde - celular com nanopartículas, MgF _2, e refletor pintura difusa, Jsc 2. Purple - 3 mm de espessura de células (em 3 de vidro mm de espessura) com nanopartículas, MgF _2, e reflector difusa, JSC 25,7 mA / cm ² (notar menor resposta azul devido a diferenças não intencionais nas camadas AR ea espessura emissor). Sólido negro - 2 m de espessura célula texturizados preparado por plasma melhorada deposição de vapor químico (em 3 de vidro mm de espessura), JSC 26,4 mA / cm ^2, mostrada para comparação.

Animação 1. Clique aqui para ver a animação .

Animação 2. Clique aqui para ver a animação .

Animação 3. Clique aqui para ver a animação.

4 Animação. Clique aqui para ver a animação .

Animação 5. Clique aqui para ver a animação .

Discussion

Não há conflitos de interesse declarados.

Disclosures

Acknowledgements

Este projeto de pesquisa apoiado pelo Conselho de Pesquisa australiano através da concessão de ligação com CSG Solar Pty. Ltd. Jing Rao reconhece a Universidade de NSW Fellowship Vice-Chanceler de Pós-Doutorado. MEV foram tiradas por Jongsung parque que usa o equipamento fornecido pela Unidade de Microscopia Eletrônica da Universidade de NSW.

Materials

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)

References

Henley, F. J. Kerf-free wafering. , 1184-1192 (2010).
Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass. Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).
Kunz, O., Ouyang, Z. 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).
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).
Lee, B. G., Stradin, P. Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 064101 (2011).
Catchpole, K. R., Polman, A. Plasmonic solar cells. Optics Express. 16, 21793-21800 (2008).
Ouyang, Z., Zhao, X. Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).
Catchpole, K. R., Polman, A. Design principle for particle plasmon enhanced solar cells. Appl. Phys. Lett. 93, 191113 (2008).
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).
Beck, F. J., Verhagen, E. Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates. Optics Express. 19, 146-156 (2010).
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).
Keevers, M. J., Young, T. L. 10% Efficient CSG minimodules. , 1783-1790 (2007).

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