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%.
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Artigo de método
Silício policristalino de película fina de células solares com plasmonic avançada Luz-caça com armadilhas
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Resumo
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)
- Silicon deposição de filmes
- Preparar a ferramenta de evaporação de feixe-cozendo-o para fora a ~ 100 ° C durante a noite para atingir a pressão de base de
- 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).
- 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
- 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.
- 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.
- 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.
Figura 1. Vista Close-up de poli-Si células de película fina solar com grade de metalização.
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Figura 2. Scanning imagem de microscopia de electrões de nanopartículas de Ag na superfície de silício.
Figura 3. Uma vista esquemática de uma silício cristalino plasmonic película fina de células solares (não à escala).
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 22,32 mA / cm 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 .
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4 Animação. Clique aqui para ver a animação .
Animação 5. Clique aqui para ver a animação .
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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...
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Divulgações
Não há conflitos de interesse declarados.
Agradecimentos
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.
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Materiais
| 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) |
Referências
- Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).
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Reimpressões e permissões
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