Polykrystallinske silicium tynd-film solceller med plasmoniske-enhanced Light-trapping

Summary

Polykrystallinske silicium tynd-film solceller på glas er fremstillet af aflejring af bor og fosfor doteret silicium lag efterfulgt af krystallisering, defekt passivering og metallisering. Plasmoniske lys-trapping er indført ved at danne Ag nanopartikler på silicium celleoverfladen lukkes med en diffus reflektor resulterer i ~ 45% photocurrent ekstraudstyr.

Protocol

1. Fabrikation af polykrystallinske silicium solceller (Animation 3)

1. Siliciumfilm deposition
   1. Klargør e-stråle fordampning værktøjet ved bagning ud ved ~ 100 ° C natten over for at nå bunden tryk på <3E-8 Torr. Preset prøven ovnen til 150 ° C standby temperatur.
   2. Anvende et substrat fremstillet af 5x5 ^cm2 (eller 10 x 10 ^cm2) substrat borsilikatglas (Schott Borofloat33), 1,1 eller 3,3 mm tykke, belagt med ~ 80 nm af siliciumnitrid (fremstillet ved PECVD fra _N2 og _SiH4 blanding).
   3. Blæse overfladen af ​​substratet med tørt nitrogen til fjernelse af støv og anbring det i en prøveholder. Udluft belastning lås, indlæse prøven, pumpe belastningen-låse ned til presset <1E5 Torr, og overføre prøven til de vigtigste kammer. Start varmelegeme til det set-punkt på 250 ° C. Pump i ca 20 minutter, når trykket når 8E-8 Torr eller lavere.
   4. Kontroller, at dopingsubstanskilde og silicium kilde skodder er lukket. Forudindstillede doteringsstofkilde temperaturer til standby temperaturer, dvs phosphor kilden temperatur på 700 ° C og bor kilde temperatur på 1250 ° C. Start e-gun og smelte silicium i en smeltedigel ved langsomt at øge e-gun strøm.
   5. Når den krævede strøm er nået (fra tidligere kalibrering: denne strøm kan variere afhængigt af e-pistol og Si kilde betingelser) inddamp siliciumlag doteret med de krævede koncentrationer af P-og B: 35 nm emitter på 1E20 cm ^-3 P 2 ~ 3 um absorber på 5E15 cm ^-3 af B 100 nm back-overflade felt (BSF) ved 4E19 cm ^-3 af B. De nøjagtige dopingmaterialer koncentrationer opnås ved at matche visse Si afsætningshastigheder, som målt ved Quartz Crystal Monitor (QCM), med visse doteringsstofkilde temperaturer. anvendelse forbindelser etableret fra SIMS kalibrering
   6. Efter inddampning udføres tænder varmeapparatet fra, afkøle prøven til ~ 10 min. Transfer prøven til belastningen-lås, lukke porten-ventil, udluftes belastningen låsen og fjerne prøven med den siliciumfilm.
2. Silicon krystallisering
   Hvis prøven er 10x10 cm ^2, kan den skæres i fire 5x5 ^cm2 cellestørrelse stykker før krystallisation. Placer en deponeret silicium film på glas (Si film op) på en tråd lavet af ru og siliciumnitrid belagt Schott ROBAX glas (for at undgå stikning). Belastning i en nitrogen skyllet ovn forvarmet til 200-300 ° C. Rampe op temperaturen op til 600 ° C ved 3 ~ 5 ° C / min og anneale til 30 timer. Drej af ovnen kaminen, og lad ovnen køle ned naturligt til ~ 200 ° C (2 ~ 3 timer), før aflæsning af prøven. Prøven kan have en konkav form på grund af silicium krympning under krystallisation. Det vil flade i det følgende hurtig termisk behandling.
3. Doteringsstof aktivering og defekt udglødning (RTA)
   Anbring prøven med det krystalliserede filmen på en holder fremstillet af pyrolytisk grafit og lOAD til en hurtig termisk processor renset med argon. Rampe temperaturen op til 600 ° C ved 1 ° C / s, så op til 1000 ° C ved 20 ° C / s, pause i 1 minut og derefter afkøle naturligt ~ 100 ° C og aflæsning.
4. Overfladeoxid fjernelse
   Umiddelbart forud for hydrogenering af overfladeoxidet er dannet på siliciumfilm under krystallisation og RTA skal fjernes for at sikre, at den nøgne siliciumfilm overflade udsættes for hydrogen. Nedsænke annealede prøven i 5% HF-opløsning, indtil silicium overfladen bliver hydrofob (30 -100 s). Skyl med deioniseret vand og tør med en nitrogen-pistol.
5. Defekt passivering
   Indlæse prøven i et vakuumkammer, udstyret med den fjerntliggende hydrogen plasmakilde. Pump ned til <1E-4 Torr, varme op prøven op til ~ 620 ° C, tænd for argon / hydrogen blanding flow (50:150 sccm), sat tryk 50-100 mTorr, starte plasma kilde på 3,5 kW mikrobølgeeffekt og fortsætter processen til ~ 10 min. Tænd ovnen ud, mens maintalingen plasmaet i yderligere 10-15 min, indtil temperaturen falder ned under 350 ° C, før det plasma fra og standse gasstrømmen. Aflæsning af prøven, når temperaturen er under 200 ° C.
6. Cell metallisering
   Celle metalliseringen udføres i en række konsekutive Fotolitografisk mønsterdannelse, Al filmdepositionsfremgangsmåde og ætsning trin, der er beskrevet i detaljer i ^11. Den endelige celle ligner vist i sidste dias ANIMATION 3. En nærbillede af den metalliserede celle er vist i figur 1.
7. Måle EQE af metalliseret cellen.

2. Fremstillingen af ​​plasmoniske Ag Nanopartikel (Animation 4)

1. Blæs det metalliserede celleoverfladen med tørt nitrogen for at fjerne støv og indlæse prøven i en termisk fordamper, der indeholder en W båd fyldt med Ag granulat (0,3-0,5 g). Pumper ned fordamperen kammeret til bunden tryk på 2 ~ 3E-5 Torr. Program QCM med parametre for Ag: Densitet 10,50og Z forholdet 0,529.
2. Sørg for, at prøven lukkeren lukket, slukke W båden opvarmningsanlægget på og øge det nuværende langsomt nok til at undgå trykstigning over 8E-5 Torr indtil Ag granulat smelte (som observeret gennem en view-port). Efter pres stabiliserer sætte strøm til den indstillede svarende Ag deposition på 0,1-0,2 a / s (fra kalibrering) og åbne lukkeren for at starte deposition processen.
3. Overvåg voksende Ag filmtykkelse med QCM og lukke lukkeren, når tykkelsen af ​​14 nm er nået. Lad W båden køle ned i ca 15 minutter, tag prøven. Filmen bør anneales til dannelse af nanopartikler som hurtigt efter aflejring muligt at undgå Ag oxidation.
4. En celle med en frisk deponeret Ag film anbringes i en med nitrogen skyllet ovn forvarmet til 230 0,1-0,2 ° C, anneales i 50 minutter, og derefter tømmes. Bemærk ændringen i overfladen udseende på grund af nanopartikler. Scanningselektronmikroskopi billede af Ag nanopartikler er shown i fig. 2.
5. Måle EQE af cellen med nanopartikel arrayet.

3. Fabrikation af Bagrefleks

Den bageste reflektor består af ~ 300 nm tykt _MgF2 (RI 1,38) dielektrisk kappe med et lag af et kommercielt hvidt loft maling (Dulux).

1. Før fremstilling bageste reflektor de celle-kontakter skal beskyttes ved anvendelse af en sort markør blæk på dem, som tillader at udsætte kontakterne fra under den dielektriske en lift-off-processen.
2. Brug kvælstof pistol til at blæse prøven med NP-array og malede kontakter for at fjerne støv. Brug beskedne nitrogentryk og motion Pas på ikke at blæse nanopartikler væk. Anbring prøven i den termiske fordamperen med en W båd fyldt med _MgF2 stykker. Pumpe ned fordamperen til tryk på 2 ~ 3E-5 Torr. Sat QCM parametre for _MgF2: Densitet 3,05 og Z forholdet 0,637.
3. Sørg for, at prøven shutter er lukket, skal du tænde båden varmeren og langsomt øge det nuværende for at undgå overdreven trykstigning, indtil MgF ₂ smelter set gennem en udsigt-port. Efter at trykket stabiliserer indstille strømmen til den indstillede punkt svarende til _MgF2 belægningshastighed på 0,3 nm / s og åbne prøven lukkeren.
4. Overvåg deponerede tykkelse ved hjælp af QCM og lukke lukkeren, når 300 nm er nået.
5. Sluk ovnen. Lad W båden til at køle ned i ca 15 minutter, tag prøven. Bemærk ændringen i cellen udseende med _MgF2 beklædningen.
6. For at fjerne blækket masken fra celle kontakter nedsænke cellen med den dielektriske beklædningen i acetone. Vente dielektriske over trykfarven begynder revnedannelse og løfte sig. Holde cellen i acetone, indtil al farven med det dielektriske fjernes, og metalkontakterne fuldt blotlagt. Fjerne prøven fra acetone, vaskes med frisk acetone og tør med nitrogen pistol.
7. Påføre et lag af enhvid maling (Dulux One-Coat loft maling) med en fin børste på hele celleoverfladen omhyggeligt undgår metalkontakterne. Malingslaget skal være tyk nok til at være fuldstændig uigennemsigtigt (~> 0,5 mm), således at intet lys kan ses, når man ser gennem den malede cellen ved kraftig lyskilde. Lad malingen tørre for en dag.
8. Måle EQE af cellen med den hvide maling bageste reflektor.

4. Repræsentative resultater

Solcellen kortslutningsstrøm beregnes ved at integrere EQE kurve over den normale samlede sol-spektrum (luftmasse 1,5). Både cellestrømmen og forbedring skyldes lys-indfangning afhænger cellen absorberlag tykkelse: den aktuelle selv er højere for tykkere celler, men den aktuelle forbedring er højere for tyndere indretninger, tabel 1 Se for de respektive data og animationer 5 til EQE kurver. De oprindelige 2 um tykke celler uden lys-indfangning have JSC målt i trin 1.7.) på ~ 15 mA / cm ^2. Efter fremstilling af en nanopartikel matrix forøger JSC op til omkring 20 mA / cm ^2, som er 32% forbedring. Det er lidt bedre end styrkende virkning på 25-30% af den bageste diffus reflektor alene. Efter tilsætning bageste diffus reflektor på _MgF2 beklædningen til cellen med plasmoniske nanopartikel arrayet er JSC forøges yderligere til 22,3 mA / cm ^2, eller ca 45% forøgelse. Bemærk at for 3 um tyk celle alle strømninger er højere, op til 25,7 mA / cm ^2, medens den relative forøgelse er lidt lavere, 42%: lys-indfangning har en relativt større virkning i tyndere enheder.

Cell tykkelse:	2 um		3 um
	JSC, mA / cm 2	Trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
oprindelige celle	15,4		18,1
Bageste diffus reflektor (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanopartikler (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabel 1. Plasmoniske celle kortslutningsstrøm og dens forbedring i forhold til den oprindelige celle.

Figur 1. Close-up billede af poly-Si tynd-film solcelle med metallisering gitter.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figur 2. Scanningselektronmikroskopi billede af Ag nanopartikler på siliciumoverfladen.

Figur 3. En skematisk afbildning af en plasmoniske krystallinsk silicium tyndfilms solcelle (ikke målestokstro).

Figur 4 Ekstern quantum effektivitet og kortslutningsstrøm for polykrystallinske silicium tynd-film celler med diffus reflektor og plasmoniske nanopartikler: stiplet sort - original 2 um tyk celle uden lys-trapping, JSC 15,36 mA / cm ^2, blå - celle. med diffus maling reflektor, JSC 20,08 mA / cm ^2, rød - celle med plasmoniske Ag nanopartikler, JSC 20,31 mA / cm ^2, grøn - celle med nanopartikler, MgF _2, og diffus maling reflektor, JSC 2. Lilla - 3 um tyk celle (på 3 mm tykt glas) med nanopartikler, _MgF2, og diffus reflektor, JSC 25,7 mA / cm ² (bemærk lavere blå respons på grund af utilsigtet forskelle i AR lag og emitter tykkelse). Massivt sort - 2 um tyk struktur celle fremstillet ved plasmaforstærket kemisk dampudfældning (på 3 mm tykt glas), JSC 26,4 mA / cm ^2, vist til sammenligning.

Animation 1. Klik her for at se Animation .

Animation 2. Klik her for at se Animation .

Animation 3. Klik her for at se Animation.

Animation 4. Klik her for at se Animation .

Animation 5. Klik her for at se Animation .

Discussion

Fordampede polykrystallinske silicium solceller og de lysspredende plasmoniske nanopartikler er ideelle partnere til lys-fældefangst. Sådanne celler er plane, og de kan derfor ikke afhængig af lysspredningsmetode fra teksturerede overflader, eller kan plasmoniske nanopartikler kan let dannes på strukturerede overflader. Cellerne har kun en, bageste overflade med direkte udsat for silicium, som også sker for at være den bedste nanopartikel placering for den mest effektive plasmoniske lys-spredning. Desuden er den letteste metode til nanopartikler dannelse af termisk hærdning er også den mest egnede til lys-indfangning fordi den resulterer i en tilfældig nanopartikel array med en bred resonans top mellem 700 og 1000 nm, mest vigtige for lys-indfangning i krystallinsk silicium tynd- film celler. Så længe funktionelle celler er fremstillet, fremstillingen af ​​plasmoniske reflektoren er forholdsvis enkel og ligetil som beskrevet i de foregående afsnit. En mulig komplikation er relateret til, at nanoPartiklerne dannes ikke blot på silicium celleoverfladen men over metalliseringen gittermønster så godt. Det kan lede og giver til tider føre til rangering, når nanopartikel relative dækning af overfladen er for stort eller særligt store nanopartikler er i øvrigt dannet. For at undgå celle shunte dækning skal holdes under 50%, og forstadiet filmtykkelse holdes under -20 nm, som let opnås i betragtning, at standardafvigelsen processen fra 14 nm precursor film, der er beskrevet ovenfor, resulterer i 30-35% dækning.

Plasmoniske nanopartikel af sig selv, med ~ 30% JSC ekstraudstyr, er lige så effektive som, eller kun lidt bedre på lys-spredning end pigmenterede maling diffuse reflekser, ~ 25-30%, hvilket er den enkleste at anvende. Men mens den lys-fældefangst udførelsen af ​​de diffuse maling reflektorer ikke kan forbedres yderligere, de plasmoniske nanopartikler har en mulighed for at blive komplimenteret af de diffuse reflektorer placeret behind dem, hvilket resulterer i væsentligt højere JSC ekstraudstyr, op til 45%, end af nanopartikler alene. Dette fotostrøm forbedring er det højeste nogensinde demonstreret for plane krystallinsk Si tynd-film celler, overskrider senest rapporterede 40% forbedring ved en høj RI dielektrisk nanopartikler reflektor ^5. Selv højere fotostrøm forøgelse på over 50%, bør det være muligt med en sådan høj RI nanopartikel diffus reflektor, som beskrevet i ^5, i stedet for den kommercielle hvid maling.

Selv 45% forøgelse kun omkring halvdelen af, hvad der typisk opnås i poly-Si tynd-film-celler fremstilling af PECVD på velkendte teksturerede superstrates, hvilket resulterer i JSC ca 29 mA / cm ² (~ 90% forbedring i forhold til referencen plane celle) ^12. Der er to væsentlige årsager til langt bedre resultater af cellerne på teksturerede superstrates. For det første refleksion fra den teksturerede forrestecelleoverflade er meget mindre end fra den plane overflade resulterer i mere lys ind i cellen og dermed skabe mere strøm. Antireflection egenskaber plasmoniske celler med den plane forsiden skal forbedres for at gøre plasmoniske lys-trapping mere konkurrencedygtig med konventionel teksturering. For det andet, når to-celle-grænseflader forblive plane og parallelle, en signifikant fraktion af lys er internt og spejlende reflekteret i cellen (~ 17% ved Si / glas eller Si / _MgF2 grænseflade), uden at blive spredt af enten en diffus reflektor eller nanopartikler. Dette manifesterer sig ved tilstedeværelse af interferenskanter i cellen refleksionsspektra eller EQE kurver plane celler med diffuse eller plasmoniske reflektorer. Mindre spredning betyder mindre lys-trapping, derfor mindre strøm ekstraudstyr. Teksturerede celler, hvor lyset er godt spredt medens den reflekteres fra ikke-parallelle grænseflader ikke interferenskanter som vist i eksempel EQE kurve i Fig. 2.

Når man overvejer fotostrøm forbedring af plasmoniske nanopartikler, såvel som ved andre midler, der anvendes på bagsiden af ​​solceller, som diffuse reflekser, er det vigtigt at huske et trade-off mellem at opnå højere absolutte strøm eller demonstrere højere strøm ekstraudstyr. Tyndere enheder har større fordel af lys-trapping, viser højere strøm forstærkning, mens den aktuelle selv er væsentligt lavere som det fremgår af resultaterne for 2 um og 3 um tykke celler i tabel 1, 22,3 vs 25,7 mA / cm ^2. Tilsvarende cellerne med en ringe kort bølgelængde ("blå") respons (som beskrevet i ^fem) relativt højere forstærkning fra lys-trapping, hvilket er vigtigt for længere bølgelængde ("rød") respons, end celler med en god blå svar, men sidstnævnte kan naturligvis have en højere absolut aktuel og dermed en bedre samlet ydelse. Som et vigtigt mål for solceller er bedre performing solceller, bør foretrækkes på de lys-fældefangstmetoder fører til højere absolutte strømme, ikke højere strøm ekstraudstyr.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silver granular	Sigma-Aldrich	303372	99.99%
MgF2, random crystals, optical grade	Sigma-Aldrich	378836	>=99.99%
Dulux one-coat ceiling paint	Dulux		R>90% (500-1100 nm)