Поликристаллических кремниевых тонкопленочных солнечных элементов на стекло изготавливается путем осаждения бора и фосфора, легированных слоев кремния следует кристаллизации, пассивация дефектов и металлизации. Плазмонных свет захвата вводится путем формирования наночастиц серебра на поверхности кремния клетки ограничены с рассеянным отражатель в результате чего около 45% фототока аксессуара.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Поликристаллического кремния тонкопленочные солнечные элементы с Плазмонных повышенной световой захвата
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Одним из основных подходов к снижению стоимости солнечных элементов является уменьшение количества полупроводникового материала, используемого при их изготовлении, и уменьшение толщины элементов. Чтобы компенсировать более низкое поглощение света, такие физически тонкие устройства должны включать механизмы захвата света, которые увеличивают их оптическую толщину. Рассеяние света текстурированными поверхностями является распространенным методом, однако его невозможно применить универсально ко всем технологиям изготовления солнечных элементов. Некоторые элементы, например изготовленные из напыленного кремния, в готовом виде являются плоскими, и для них требуются альтернативные средства захвата света, подходящие для плоских устройств. Эффективным подходом является использование металлических наночастиц, сформированных на поверхности плоского кремниевого элемента и способных рассеивать свет за счет поверхностного плазмонного резонанса.
В данной работе представлена процедура изготовления солнечных элементов на основе напыленного поликристаллического кремния с плазмонным захватом света, а также демонстрируется повышение квантовой эффективности элемента за счет присутствия металлических наночастиц.
Для изготовления элементов на стеклянную подложку методом электронно-лучевого испарения наносится пленка, состоящая из чередующихся слоев кремния с легированием бором и фосфором. Изначально аморфная пленка кристаллизуется, а электронные дефекты устраняются путем отжига и пассивации водородом. К слоям противоположной полярности наносятся металлические сеточные контакты для извлечения генерируемого элементом электричества. Как правило, такой элемент толщиной ~2 μm имеет плотность тока короткого замыкания (Jsc) 14-16 mA/cm2, которая может быть увеличена до 17-18 mA/cm2 (примерно на 25%) после нанесения простого диффузного заднего отражателя из белой краски.
Для реализации плазмонного захвата света на металлизированной поверхности кремниевого элемента создается массив наночастиц серебра. Прекурсорная пленка серебра наносится на элемент методом термического испарения и подвергается отжигу при 23°C для формирования наночастиц серебра. Размер и степень покрытия поверхности наночастицами, которые влияют на плазмонное рассеяние света, можно регулировать для повышения эффективности элемента путем изменения толщины прекурсорной пленки и условий ее отжига. Оптимизированный массив наночастиц сам по себе приводит к увеличению Jsc элемента примерно на 28%, что сопоставимо с эффектом от диффузного отражателя. Фототок можно дополнительно увеличить, покрыв наночастицы диэлектриком с низким показателем преломления, таким как MgF2, и применив диффузный отражатель. Полная структура плазмонного элемента состоит из поликристаллической кремниевой пленки, массива наночастиц серебра, слоя MgF2 и диффузного отражателя. Значение Jsc для такого элемента составляет 21-23 mA/cm2, что на величину до 45% выше, чем Jsc исходного элемента без захвата света, или примерно на 25% выше, чем Jsc элемента только с диффузным отражателем.
Введение
Ловушка для света в кремниевых солнечных элементах обычно создается за счет рассеяния света на текстурированных интерфейсах. Рассеянный свет проходит через элемент под косыми углами на большее расстояние, и когда такие углы превышают критический угол на интерфейсах элемента, свет окончательно удерживается в элементе за счет полного внутреннего отражения (Анимация 1: Ловушка для света). Хотя эта схема хорошо работает для большинства солнечных элементов, развиваются технологии, при которых ультратонкие слои Si создаются плоскими (например, технологии переноса слоев и эпитаксиальные слои c-Si) 1, или когда такие слои несовместимы с текстурированными подложками (например, напыление кремния) 2. Для таких изначально плоских слоев Si были предложены альтернативные подходы к удержанию света, такие как диффузный белый отражатель 3, плазменное текстурирование кремния 4 или отражатель из наночастиц с высоким показателем преломления 5.
Металлические наночастицы могут эффективно рассеивать падающий свет в материал с более высоким показателем преломления, например в кремний, благодаря эффекту поверхностного плазмонного резонанса 6. Они также легко формируются на плоской поверхности кремниевого элемента, предлагая таким образом альтернативный текстурированию подход к захвату света. Для наночастицы, расположенной на границе раздела воздух-кремний, доля рассеянного света, попадающая в кремний, превышает 95%, и значительная часть этого света рассеивается под углами выше критического, что обеспечивает почти идеальные условия захвата света (Animation 2: Plasmons on NP). Резонанс можно настроить на область длин волн, наиболее важную для конкретного материала и конструкции элемента, варьируя средний размер наночастиц, степень покрытия поверхности и локальное диэлектрическое окружение 6,7. Были предложены теоретические принципы проектирования плазмонных наночастиц в солнечных элементах 8. На практике массив наночастиц Ag является идеальным партнером для захвата света в тонкопленочных солнечных элементах из poly-Si, поскольку большинство этих принципов проектирования выполняются естественным образом. Самый простой способ формирования наночастиц путем термического отжига тонкой прекурсорной пленки Ag приводит к созданию случайного массива с относительно широким распределением по размеру и форме, что особенно удобно для захвата света, так как такой массив имеет широкий резонансный пик, охватывающий диапазон длин волн 700-900 nm, который важен для эффективности солнечных элементов из poly-Si. Массив наночастиц может быть расположен только на задней поверхности элемента из poly-Si, что позволяет избежать деструктивной интерференции между падающим и рассеянным светом, которая возникает при расположении наночастиц спереди 9. Более того, тонкопленочные элементы из poly-Si не требуют пассивирующего слоя, и плоские наночастицы в форме основания (которые естественным образом образуются при термическом отжиге металлической пленки), размещенные непосредственно на кремнии, дополнительно повышают эффективность плазмонного рассеяния за счет резонанса поверхностных плазмон-поляритонов 10.
Элемент с массивом плазмонных наночастиц, описанный выше, может обладать фототоком примерно на 28% выше, чем у исходного элемента. Однако массив все еще пропускает значительное количество света, который выходит через заднюю поверхность элемента и не вносит вклада в ток. Эти потери можно уменьшить, добавив задний отражатель, чтобы улавливать прошедший свет и перенаправлять его обратно в элемент. При обеспечении достаточного расстояния между отражателем и наночастицами (несколько сотен нанометров) отраженный свет при повторном входе в элемент будет подвергаться еще одному акту плазмонного рассеяния при прохождении через массив наночастиц; кроме того, сам отражатель может быть диффузным — оба этих эффекта способствуют дальнейшему рассеянию и, следовательно, захвату света. Важно, чтобы наночастицы Ag были инкапсулированы в инертный диэлектрик с низким показателем преломления, такой как MgF2 или SiO2, со стороны заднего отражателя во избежание механических и химических повреждений 7. Низкий показатель преломления этого облицовочного слоя необходим для поддержания высокой доли связи с кремнием и обеспечения больших углов рассеяния, которые гарантируются высоким оптическим контрастом между средами по обе стороны от наночастицы — кремнием и диэлектриком 6. Фототок плазмонного элемента с диффузным задним отражателем может быть на величину до 45% выше, чем ток исходного элемента, или до 25% выше, чем ток эквивалентного элемента только с диффузным отражателем.
Протокол
1. Производство поликристаллического кремния, солнечных элементов (Анимация 3)
- Кремний пленок
- Подготовка электронной лучевого испарения инструмент выпечке его на ~ 100 ° С в течение ночи, чтобы добраться до базы давление <3E-8 мм рт. Предустановленные образца нагревателя 150 ° C температура ожидания.
- Использование подложки из 5x5 см 2 (или 10 х10 см 2) подложки из боросиликатного стекла (Schott Borofloat33), 1,1 или 3,3 мм, покрытый с ~ 80 нм нитрида кремния (подготовленный ПХО от N 2 и SiH 4 смеси).
- Удар поверхности подложки с сухим азотом для удаления пыли и поместите его в держатель образца. Вентиляционные нагрузки замок, загрузка образца насоса нагрузки заблокировать под давлением <1E5 Торр, и передать образец основной камере. Запустите нагреватель уставка 250 ° C. Насос в течение 20 мин, когда давление достигает 8E-8 Торр и ниже.
- Убедитесь, что примесижалюзи источник и источник кремния закрыты. Предустановленные примеси температура источника в режим ожидания температур, т.е. температура фосфора источник при 700 ° С и температуре бор источник при 1250 ° C. Начать электронной пушки и расплавить кремния в тигель медленно растущих электронной пушкой тока.
- Когда требуемый ток достигает (от предыдущей калибровки: этот ток может меняться в зависимости от электронной пушки и условия Si источник) испаряются слоев кремния, легированных необходимой концентрации P и B: 35 нм излучатель на 1E20 см -3 Р , 2 ~ 3 мкм поглотителя 5E15 см -3 В, 100 нм обратно поверхности поля (ЧФ) в 4E19 см -3 Б. точные концентрации примесей достигается путем сопоставления определенных осаждения Si ставки, если судить по Кварцевый монитор (QCM), с определенной примеси температура источника, используя связи, установленные с калибровки SIMS.
- После испарения происходит переключение нагреватель, охладить образец для ~ 10 мин. Transфер образца нагрузку замок, закрыть затвор клапана, выход нагрузки замок и разгрузить образец пленки кремния.
- Кремний кристаллизации
Если образец 10х10 см 2, то можно разрезать на четыре 5х5 см 2 шт размер ячейки до кристаллизации. Поместите на хранение пленки кремния на стекле (Si фильм вверх) на держателе из шероховатой и нитрида кремния, покрытой Schott Robax стекла (чтобы избежать прилипания). Нагрузка на азот очищена печь, предварительно нагретую до 200-300 ° С. Нарастить температуру до 600 ° С на 3 ~ 5 ° С / мин и отжига в течение 30 часов. Поворот печь нагреватель и дайте печке остыть естественным ~ 200 ° C (2 ~ 3 часа) перед разгрузкой образца. Образец может иметь вогнутую форму за счет кремния усадки при кристаллизации. Это будет выравниваться в течение следующих быстрой термической обработки. - Примесей и дефектов активации отжига (RTA)
Поместите образец кристаллизовался фильм на держателе из пиролитического графита и лOAD к быстрому процессору тепловой продували аргоном. Рампа температуре до 600 ° С на 1 ° С / с, а затем до 1000 ° C при 20 ° С / с, удерживая в течение 1 мин, затем охладить естественно до ~ 100 ° C и выгрузки. - Удаление поверхностных оксидов
Непосредственно перед гидрирование поверхности окисла кремния на пленку во время кристаллизации и РТС должны быть удалены для того, чтобы голой поверхности пленки кремния подвергается воздействию водорода. Погрузитесь отожженного образца на 5%-ный раствор HF до поверхности кремния получается гидрофобный (30 ~ 100 с). Промойте дистиллированной водой и высушить с азотом пистолет. - Дефект пассивации
Загрузка образца в вакуумной камере, оборудованной с удаленного источника водородной плазмы. Насос до <1E-4 тор, нагрев образцов до ~ 620 ° C, включите аргон / водород потока смеси (50:150 SCCM), установить давление 50-100 мторр, начните источника плазмы на 3,5 кВт СВЧ-мощности и продолжить процесс в течение ~ 10 мин. Включите нагреватель в то время как maintaining плазмы еще 10-15 мин, пока температура не падает ниже 350 ° C до поворота плазмы с и остановки потока газа. Выгрузка образца при температуре ниже 200 ° C. - Сотовые металлизации
Сотовые металлизация проводится в серии последовательных фотолитографии рисунка, Al пленок и травления шагов, которые подробно описаны в 11. Окончательный клетка выглядит, как показано в последнем слайде анимации 3. Крупным планом из металлизированной ячейки показана на рис 1. - Измерьте EQE из металлизированной клетки.
2. Изготовление плазмонных наночастиц Ag (анимация 4)
- Удар металлизированной поверхности клетки с сухим азотом для удаления пыли и загрузки образца в испарителе теплового содержащие W лодка заполнена гранулами Ag (0,3-0,5 г). Откачки испарителя камеры к базовому давлению 2 ~ 3Е-5 мм рт. Программа QCM с параметрами для Ag: плотность 10,50и Z коэффициент 0,529.
- Убедитесь, что образец затвор закрыт, включите обогреватель W лодке и увеличить текущие достаточно медленно, чтобы избежать повышения давления выше 8E-5 торр до Ag гранул расплава (как это наблюдается через представление-порт). После того, как давление стабилизируется установить тока уставки, соответствующих скорости осаждения Ag 0,1-0,2 A / S (с калибровкой) и открыть затвор, чтобы начать процесс осаждения.
- Следить за растущей пленки Ag толщиной использованием QCM и закрыть затвор при толщине 14 нм достигается. Позвольте лодке W остыть в течение примерно 15 мин, выгрузка образца. Пленка должна быть отжигали для формирования наночастиц сразу после нанесения, чтобы избежать окисления серебра.
- Ячейки с свежеосажденной фильм Ag помещается в азоте очищена печь нагревается до 230 0,1-0,2 ° С, отжиг в течение 50 минут, а затем выгружается. Обратите внимание на изменение внешнего вида за счет наночастиц. Сканирующей электронной микроскопии изображение наночастиц серебра является сеш на рис. 2.
- Измерьте EQE клетки с наночастицами массива.
3. Изготовление задней отражатель
Задний отражатель состоит из ~ 300 нм MgF 2 (RI 1.38) диэлектрической оболочки с пальто коммерческой белой краской потолок (Dulux).
- До изготовления задних отражатель клетки контакты должны быть защищены путем применения черных чернил на них маркер, который позволяет подвергая контакты из-под диэлектрика старт процессу.
- Использование азота пистолет удар образца с НП массив и окрашенные контакты, чтобы удалить пыль. Используйте скромный давление азота и соблюдайте осторожность, чтобы не взорвать наночастиц далеко. Поместите образец в испарителе теплового содержащие W лодка заполнена MgF 2 шт. Откачки испарителя давление 2 ~ 3Е-5 мм рт. Установите параметры QCM MgF 2: Плотность 3.05 и Z соотношение 0,637.
- Убедитесь, что образец шторкойг закрыты, включите обогреватель и лодка медленно увеличивать ток, чтобы избежать чрезмерного повышения давления до MgF 2 тает, как видно по тем-порт. После того, как давление стабилизируется установить тока уставки, соответствующих MgF 2 скорость осаждения 0.3 нм / с и открыть образец выдержки.
- Следить за хранение толщины, используя QCM и закрыть затвор при 300 нм достигается.
- Выключите обогреватель. Позвольте лодке W остыть в течение примерно 15 мин, выгрузка образца. Обратите внимание на изменения в клетке с появлением MgF 2 оболочки.
- Для удаления чернил маски из клетки контакты погрузиться ячейки с диэлектрической оболочки на ацетон. Подождите, пока диэлектрической выше чернил начинается растрескивание и отрывая. Держите ячейку в ацетоне, пока все чернила с диэлектрической удаляется, а металлические контакты полностью раскрыты. Удаление образца с ацетоном, промойте пресной ацетон и просушите азотом пистолет.
- Нанесите слойбелой краски (Dulux Одно-Coat потолок краской) с тонкой мягкой кисточкой по всей поверхности клетки тщательно избегая соприкосновения металлических контактов. Красочный слой должен быть достаточно толстым, чтобы быть полностью непрозрачным (~> 0,5 мм), так что без света можно увидеть при просмотре через окрашенные клетки на яркий источник света. Пусть сохнет краска на один день.
- Измерьте EQE клетки с белым отражателем задней краской.
4. Представитель Результаты
Солнечных батарей ток короткого замыкания вычисляется путем интегрирования EQE кривой по сравнению со стандартной глобального солнечного спектра (воздушная масса 1.5). Обе клетки тока и его усиление за счет захвата света зависит от толщины слоя поглотителя ячейки текущего себя выше для толстых клеток, но текущее повышение выше для более тонких устройств, см. таблицу 1 для соответствующих данных и анимация 5 EQE кривых. Оригинальный 2 мкм клетки, без света захвата, чПр АО измеряется в шаге 1.7.) ~ 15 мА / см 2. После изготовления наночастиц массив, ОАО возрастает до 20 мА / см 2, что на 32% повышение. Это немного лучше, чем усиление эффекта на 25-30% на заднюю диффузный отражатель только. После добавления задней диффузный отражатель на MgF 2 оболочки в камеру с плазмонных массивов наночастиц, ОАО дальнейшем увеличении до 22,3 мА / см 2, или около 45% повышения. Обратите внимание, что за 3 мкм клетки все токи выше, вплоть до 25,7 мА / см 2, а относительное увеличение немного ниже 42%: светло-захвата имеет сравнительно больший эффект в более тонких устройств.
| Сотовые толщина: | 2 мкм | 3 мкм | ||
| ОАО мА / см 2 | Чонг> +% | ОАО мА / см 2 | +% | |
| оригинальные клетки | 15,4 | 18,1 | ||
| Задний отражатель диффузного (R) | 20,1 | 30,5 | 21,5 | 18,8 |
| Наночастицы (NP) | 20,3 | 31,8 | 21,9 | 21,0 |
| NP / MgF 2 / R | 22,3 | 45,3 | 25,7 | 42,0 |
Таблица 1. Плазмонных клетки токов короткого замыкания и его повышение по сравнению с оригинальной клетки.
Рисунок 1. Крупным планом поли-Si тонкопленочные солнечные элементы с металлизацией сетки.
/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Сканирующей электронной микроскопии изображение наночастиц серебра на поверхности кремния.
Рисунок 3. Схематический вид плазмонных кристаллического кремния тонкопленочных солнечных элементов (не в масштабе).
Рисунок 4 внешних квантовой эффективности и ток короткого замыкания для поликристаллического кремния тонкопленочных ячеек с диффузным отражателем и плазмонных наночастиц: штрих-черный - оригинал 2 мкм ячейке без света захвата, ОАО 15,36 мА / см 2, синий - клетки. с диффузным отражателем краски, ОАО 20,08 мА / см 2, красный - клетки с наночастицами Ag плазмонных, ОАО 20,31 мА / см 2, зеленый - клетки с наночастицами, MgF 2 и диффузный отражатель краски, ОАО 22,32 мА / см 2. Фиолетовый - 3 мкм клетки (на 3 мм, стекло) с наночастицами, MgF 2 и диффузный отражатель, ОАО 25,7 мА / см 2 (обратите внимание на нижнюю синий ответ от непреднамеренных различий в слоях АР и эмиттером толщины). Сплошной черный - 2 мкм текстурированной клетки подготовленных плазмы расширения химического осаждения паров (на 3 мм стекла), ОАО 26,4 мА / см 2, показаны для сравнения.
Анимация 1. Щелкните здесь для просмотра анимации .
Анимация 2. Щелкните здесь для просмотра анимации .
Анимация 3. Щелкните здесь для просмотра анимации.
Анимация 4. Щелкните здесь для просмотра анимации .
Анимация 5. Щелкните здесь для просмотра анимации .
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Сгущенное поликристаллических кремниевых солнечных элементов и рассеяния света плазмонные наночастицы являются идеальными партнерами для легкого захвата. Такие клетки являются плоскими, поэтому они не могут рассчитывать на рассеяния света от текстурированных поверхностей, не может плазмонных наночастиц легко формируется на текстурированной поверхности. Клетки имеют только один, задней поверхности с прямой контакт кремния, который также, случается, лучшее место для наночастиц наиболее эффективных плазмонных рассеяния све...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Нет конфликта интересов объявлены.
Благодарности
Этот исследовательский проект при поддержке Австралийского исследовательского совета по связи с грантом РГС Солнечной Пти ООО Цзин Рао признает ее Университета Нового Южного Уэльса вице-канцлер Докторантура стипендий. СЭМ изображения были взяты Jongsung парк использованием оборудования, предоставленного Электронная микроскопия группа из Университета Нового Южного Уэльса.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Название реагента | Компания | Номер по каталогу | Комментарии |
| Серебряный гранулированные | Sigma-Aldrich | 303372 | 99,99% |
| MgF 2, случайные кристаллы оптического качества | Sigma-Aldrich | 378836 | > = 99,99% |
| Dulux одного слоя краски потолка | Dulux | R> 90% (500-1100 нм) |
Ссылки
- Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 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, at 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells. Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).
- 10% Efficient CSG minimodules. Keevers, M. J., Young, T. L. Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy, , 1783-1790 (2007).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
