Summary
Polykristallijn silicium dunne-film zonnecellen op glas worden vervaardigd door afzetting van boor en fosfor gedoteerd silicium lagen gevolgd door kristallisatie, defect passivering en metallisatie. Plasmonische licht-trapping wordt ingeleid door de vorming van Ag nanodeeltjes op de silicium celoppervlak afgedekt met een diffuus reflector resulteert in ~ 45% fotostroom toebehoren.
Protocol
1. Fabricage van polykristallijn silicium zonnecellen (Animatie 3)
- Silicon film depositie
- Bereid de e-beam verdamping gereedschap bakken uit op ~ 100 ° C geroerd om de basisdruk van <3E-8 Torr te bereiken. Leg het monster kachel aan de 150 ° C stand-by temperatuur.
- Gebruik een substraat van 5x5 cm 2 (of 10 x10 cm 2) substraat borosilicaatglas (Schott Borofloat33), 1,1 of 3,3 mm dik, bekleed met ongeveer 80 nm van siliciumnitride (bereid door PECVD van N2 en SiH4 mengsel).
- Blazen het oppervlak van het substraat met droge stikstof om stof en het plaatsen in een monsterhouder. Ontlucht de load lock, laadt het monster, pompen de down load-lock om de druk <1E5 Torr, en breng de steekproef aan de belangrijkste kamer. Start de toestel voor het instelpunt van 250 ° C. Pomp ongeveer 20 min bij de stand 8E-8 Torr of lager.
- Controleer of de doteermiddelbron en de siliciumbron schuiven gesloten. Ingestelde doteerstof bron temperaturen stand temperaturen, dat wil zeggen de fosfor bron temperatuur 700 ° C en borium bron temperatuur 1250 ° C. Start e-gun en smelt silicium in een smeltkroes door het langzaam verhogen van de e-gun stroom.
- Wanneer de gewenste stroom wordt bereikt (van de vorige kalibratie: Op dit moment kan variëren afhankelijk van het e-gun en de Si bron voorwaarden) verdampen siliciumlagen gedoteerd met de vereiste concentraties van P en B: 35 nm zender op 1E20 cm -3 van P , 2 ~ 3 urn absorber in 5E15 cm -3 B, 100 nm back-oppervlak gebied (BSF) op 4E19 cm -3 B. De exacte doteringsstof concentraties worden bereikt door bijpassende bepaalde Si depositie, zoals gemeten door Quartz Crystal Monitor (QCM), met bepaalde doteermiddel bron temperaturen, met behulp van relaties vastgesteld op basis van SIMS kalibratie.
- Na verdamping gebeurt schakelt de verwarming uit, afkoelen het monster voor ~ 10 minuten. Transfer het monster aan de load-lock, sluit de gate-klep, ontlucht de load lock en lossen het monster met het silicium film.
- Silicon kristallisatie
Als het monster 10x10 cm 2 kan worden gesneden in vier 5x5 cm2 celgrootte stukken voor kristallisatie. Plaats een gedeponeerd silicium film op glas (Si film boven) op een houder gemaakt van geruwd en silicium nitride gecoate Schott Robax glas (om te voorkomen plakken). Plaats in een met stikstof gespoeld voorverwarmde oven op 200-300 ° C. Opvoeren van de temperatuur tot 600 ° C bij 3 5 ° C / min en hybridiseren 30 uur. Zet de oven verwarming en laat oven afkoelen natuurlijk tot ~ 200 ° C (2 ~ 3 uur) voor het lossen van de steekproef. Het monster kan een concave vorm door silicium krimp tijdens kristallisatie. Het zal afvlakken tijdens de volgende snelle thermische verwerking. - Doteringsmateriaal activering en gebrek gloeien (RTA)
Het monster met de gekristalliseerde film op een houder uit pyrolytisch grafiet en lOad een snelle thermische processor met argon gespoeld. Aanloop de temperatuur tot 600 ° C bij 1 ° C / s, dan tot 1000 ° C bij 20 ° C / s, houd 1 min daarna afkoelen tot natuurlijk ~ 100 ° C en lossen. - Oppervlakte oxide verwijdering
Direct voorafgaand aan het oppervlak hydrogenering oxide gevormd op silicium film tijdens kristallisatie en RTA moet worden verwijderd om te waarborgen dat de blote silicium filmoppervlak wordt blootgesteld aan waterstof. Dompel de gegloeide monsters in 5% HF oplossing tot het siliciumoppervlak wordt hydrofoob (30 ~ 100 s). Spoel na met gedemineraliseerd water en drogen met een stikstof-pistool. - Defect passiveren
Plaats het monster in een vacuümkamer met de afstand waterstof plasmabron. Pomp tot <1E-4 Torr, opwarmen van het monster tot ~ 620 ° C, zet de argon / waterstof-mengsel flow (50:150 sccm), zet druk 50-100 mTorr, start u de plasma-bron op 3,5 kW de magnetron vermogen en voortzetting van het proces voor ~ 10 minuten. Zet de verwarming uit, terwijl maintaining het plasma een 10-15 min tot de temperatuur daalt beneden 350 ° C alvorens het plasma uit en stoppen van de gasstroom. Lossen het monster wanneer de temperatuur lager is dan 200 ° C. - Cell metallisatie
Cell metallisatie wordt uitgevoerd in een reeks opeenvolgende fotolithografische patronen Al film depositie en etsstappen die in detail beschreven in 11. De laatste cel ziet eruit als weergegeven in de laatste dia van animatie 3. Een close-up van de gemetalliseerde cel wordt weergegeven in fig. 1. - Meet EQE van de gemetalliseerde cel.
2. Fabricage van de plasmonische Ag nanodeeltjes (Animatie 4)
- Blaas de gemetalliseerde celoppervlak met droge stikstof om stof te verwijderen en het monster te laden in een thermische verdamper met een W boot vol met Ag korrels (0,3-0,5 g). Pump down de verdamper kamer naar de basis druk van 2 ~ 3E-5 Torr. Programma QCM met parameters voor Ag: Dichtheid 10,50en Z verhouding 0,529.
- Zorg ervoor dat het monster sluiter wordt gesloten, de W boot verwarming aanzetten en opvoeren van de huidige langzaam genoeg om de druk stijgen boven 8E-5 Torr te vermijden totdat Ag korrels smelten (zoals waargenomen door middel van een view-poort). Na druk stabiliseert u de stroom naar de ingestelde waarde overeenstemmen van de Ag depositiesnelheid van 0,1-0,2 A / S (van kalibratie) en open de sluiter om de afzetting te starten.
- Controleer de groeiende Ag laagdikte met behulp van QCM en sluit de sluiter als de dikte van 14 nm is bereikt. Laat de W boot afkoelen gedurende ongeveer 15 min, lossen het monster. De film worden gehybridiseerd met nanodeeltjes gevormd zodra na depositie mogelijk Ag oxidatie te voorkomen.
- Een cel met een vers neergeslagen Ag folie wordt in een stikstof gespoeld voorverwarmde oven tot 230 ° C 0.1-0,2, getemperd 50 min en vervolgens gelost. De verandering in uiterlijk van het oppervlak door nanodeeltjes. Scanning electronen microscopie beeld van Ag nanodeeltjes is shown in Fig. 2.
- Meet EQE van de cel met de nanodeeltjes array.
3. Fabricage van de achterste reflector
De reflector bestaat uit ~ 300 nm dik MGF 2 (RI 1.38) diëlektrische bekleding met een jas van een commerciële wit plafond verf (Dulux).
- Voor het vervaardigen van de achterste reflector van de cel contacten moeten worden beschermd met een zwarte stift inkt op hen, die het mogelijk maakt het blootstellen van de contacten van onder de diëlektrische door een lift-off proces.
- Gebruik stikstof pistool tegen het monster te blazen met een NP-array en geschilderd contacten om stof te verwijderen. Gebruik bescheiden stikstofdruk en voorzichtig te werk niet weg te blazen van de nanodeeltjes. Plaats het monster in de thermische verdamper met een W boot gevuld met MGF 2 stuks. Pump down de verdamper om de druk van 2 ~ 3E-5 Torr. Stel QCM parameters voor MgF2: Dichtheid 3,05 en Z verhouding 0,637.
- Zorg ervoor dat het monster shutter is gesloten, zet u op de boot verwarming en langzaam de huidige aan overmatige druk ontstaan te vermijden totdat MGF 2 smelt gezien door het oog-poort. Nadat de druk stabiliseert zet de stroom naar de set punt dat overeenkomt de MGF 2 depositie van 0,3 nm / s en open het monster sluiter.
- Controleer de dikte afgezet met behulp van QCM en sluit de sluiter als 300 nm is bereikt.
- Zet de verwarming. Laat de W boot om af te koelen voor ongeveer 15 min, lossen het monster. De verandering in de cel optreden met het MgF2 bekleding.
- Om de inkt masker uit de cel contacten onderdompelen cel met de dielektrische bekleding in aceton. Wacht tot de dielektrische boven de inkt vanaf kraken en til. Laat de cel in aceton tot de inkt de dielektrische wordt verwijderd en de metalen contacten volledig blootgesteld. Neem het monster uit aceton, afspoelen met aceton en droog met stikstof pistool.
- Breng een laag van eenwitte verf (Dulux One-Coat plafond verf) met een fijne zachte borstel op het gehele celoppervlak zorgvuldig vermijden van de metalen contacten. De verflaag te dik genoeg volledig ondoorzichtig (~> 0,5 mm) zijn, zodat geen licht zichtbaar bij het kijken door de gelakte cel aan de heldere lichtbron. Laat verf droog voor een dag.
- Meet EQE van de cel met de witte verf achter reflector.
4. Representatieve resultaten
De zonnecel kortsluitstroom wordt berekend door de integratie van de EQE curve over de standaard wereldwijde zonne-spectrum (luchtmassa 1,5). Zowel de celstroom en de versterking door licht-vangst afhankelijk van de cel absorber laagdikte: het huidige zelf hoger dikker cellen maar de huidige verbetering is hoger dunner apparaten tabel 1 zie de betreffende gegevens en animatie 5 voor EQE bochten. De oorspronkelijke 2 urn dik cellen zonder licht-vangen, hgem Jsc gemeten in stap 1.7.) van ~ 15 mA / cm 2. Na vervaardiging van een nanodeeltjes array Jsc vergroot tot ongeveer 20 mA / cm 2, dat 32% verbetering. Het is iets beter dan de versterkingseffect van 25-30% van de achterste diffuse reflector alleen. Na toevoeging van de achterste diffuse reflector op MgF2 bekleding aan de cel met het plasmonische nanodeeltjes array wordt Jsc verder verhoogd tot 22,3 mA / cm 2, of ongeveer 45% verbetering. Merk op dat voor de 3 micrometer dikke cel alle stromingen zijn hoger, tot 25,7 mA / cm 2, terwijl de relatieve verbetering is iets lager, 42%: licht-trapping heeft een relatief groter effect in dunnere apparaten.
| Celdikte: | 2 urn | 3 pm | ||
| JSC, mA / cm 2 | JSC, mA / cm 2 | +% | ||
| oorspronkelijke cel | 15,4 | 18,1 | ||
| Achter diffuse reflector (R) | 20,1 | 30,5 | 21,5 | 18,8 |
| Nanodeeltjes (NP) | 20,3 | 31,8 | 21,9 | 21,0 |
| NP / MgF2 / R | 22,3 | 45,3 | 25,7 | 42,0 |
Tabel 1. Plasmonische cel kortsluitstroom en de verbetering ten opzichte van de oorspronkelijke cel.
Figuur 1. Close-up van poly-Si dunne-film zonnecel met metallisatie grid.
/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figuur 2. Scanning elektron microscopie beeld Ag nanodeeltjes op het silicium oppervlak.
Figuur 3. Een schematisch aanzicht van een plasmonische kristallijn silicium dunne-film zonnecel (niet op schaal).
Figuur 4 Externe quantum efficiency en kortsluitstroom voor de polykristallijn silicium dunne-film cellen met diffuse reflector en plasmonische nanodeeltjes: gestippelde-zwart - origineel 2 micrometer dik cel zonder licht-trapping, Jsc 15,36 mA / cm 2; blauw - cel. met diffuse verf reflector, Jsc 20,08 mA / cm 2; rood - cel met plasmonische Ag nanodeeltjes, Jsc 20,31 mA / cm 2; groen - cel met nanodeeltjes, MGF 2, en diffuse verf reflector, Jsc 2. Paars - 3 micrometer dik cel (op 3 mm dik glas) met nanodeeltjes, MGF 2, en diffuse reflector, Jsc 25,7 mA / cm 2 (let op onderste blauwe respons als gevolg van onbedoelde verschillen in de AR lagen en de emitter dikte). Solid black - 2 micrometer dikke textuur cel voorbereid door plasma-geassisteerde chemische damp depositie (op 3 mm dik glas), JSC 26,4 mA / cm 2, getoond ter vergelijking.
Animatie 1. Klik hier om animatie te bekijken .
Animatie 2. Klik hier om animatie te bekijken .
Animatie 3. Klik hier om animatie te bekijken.
Animatie 4. Klik hier om animatie te bekijken .
Animatie 5. Klik hier om animatie te bekijken .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Verdampt polykristallijn silicium zonnecellen en de licht-verstrooiing plasmonische nanodeeltjes zijn ideale partners voor licht-trapping. Dergelijke cellen zijn vlakke, vandaar dat zij zich niet kan beroepen op licht-verstrooiing van gestructureerd oppervlak, noch kan plasmonische nanodeeltjes gemakkelijk worden gevormd op gestructureerde oppervlakken. De cellen hebben maar een, achter oppervlak met directe blootstelling silicium, die toevallig ook de beste nanodeeltjes locatie voor meest effectieve plasmonische licht-verstrooiing. Bovendien is de eenvoudigste methode voor nanodeeltjes vorming door thermische gloeien is het meest geschikt voor licht-vangst omdat het resulteert in een willekeurige nanodeeltjes array met een groot resonantiepiek tussen 700 en 1000 nm, de belangrijkste voor licht-vangen in kristallijn silicium dunne film cellen. Zolang functionele cellen zijn, fabricage van de plasmonische reflector is relatief eenvoudig en gemakkelijk zoals in de vorige paragrafen. Een mogelijke complicatie is gerelateerd aan dat de nanodeeltjes worden gevormd niet alleen op de silicium celoppervlak maar via metallisatie rasterpatroon ook. Het kan leiden en doet soms leiden tot rangeren bij de nanodeeltjes relatieve bedekking van het oppervlak is te groot of bijzonder grote nanodeeltjes zijn overigens gevormd. Om cel voorkomen rangeren dekking moet onder 50% en de voorloper laagdikte worden gehouden onder ~ 20 nm, die gemakkelijk bereikt aangezien de standaard werkwijze van de 14 nm precursor film hierboven beschreven resulteert in 30-35% dekking.
Plasmonische nanodeeltjes op zich, met ~ 30% Jsc verbetering, zijn ongeveer net zo efficiënt als, of slechts iets beter in het licht-verstrooiing dan gepigmenteerde verf diffuse reflectoren, ~ 25-30%, wat zijn de eenvoudigste van toepassing zijn. Echter, terwijl de licht-trapping prestaties van de diffuse verf reflectoren kunnen niet verder worden verbeterd, de plasmonische nanodeeltjes hebben een optie te worden aangevuld door de diffuse reflectoren geplaatst behind hen, hetgeen resulteert in significant hogere Jsc verbetering, tot 45%, dan door de nanodeeltjes alleen. Dit fotostroom verbetering is de hoogste ooit aangetoond voor vlakke kristallijne Si dunne-film cellen, meer dan de meeste onlangs gemeld 40% verbetering door een hoge RI diëlektrische nanodeeltjes reflector 5. Zelfs meer fotostroom toebehoren dan 50%, mogelijk moet zijn met een dergelijk hoog RI nanodeeltjes diffuse reflector, zoals beschreven in 5 plaats van de commerciële witte verf.
Echter, zelfs 45% verbetering slechts ongeveer de helft van wat gewoonlijk bereikt poly-Si dunnelaagcellen fabricage van PECVD op goed geweven superstrates, waardoor Jsc van ongeveer 29 mA / cm 2 (~ 90% verbetering ten opzichte van de verwijzing vlakke cel) 12. Er zijn twee belangrijke redenen voor veel betere prestaties van de cellen op gestructureerde superstrates. Ten eerste is de reflectie van de structuur voorceloppervlak is een stuk lager dan bij de vlakke oppervlak resulteert in meer licht in de cel waardoor het genereren van meer stroom. Antireflecterende eigenschappen van de plasmonische cellen met de vlakke voorkant moeten worden verbeterd om ervoor te plasmonische licht-trapping meer concurreren met conventionele texturen. Ten tweede, als twee mobiele interfaces blijven vlak en parallel, een aanzienlijk deel van het licht is zowel intern als specularly weerspiegeld in de cel (~ 17% bij Si / glas of Si / MGF 2 interface) zonder te worden verstrooid door ofwel een diffuse reflector of nanodeeltjes. Dit uit zich in de aanwezigheid van een storing randen in de cel reflectiespectra of EQE bochten planaire cellen met diffuse reflectoren of plasmonische. Minder verstrooiing betekent minder licht vangen, dus minder stroom toebehoren. Getextureerde cellen waar het licht is goed verspreid, terwijl hetgeen tot uitdrukking komt bij niet-parallelle interfaces hebben geen interferentie franjes zoals in voorbeeld EQE curve in Fig. 2.
Bij de behandeling fotostroom versterking door de plasmonische nanodeeltjes, alsmede door andere middelen worden toegepast aan de achterzijde van zonnecellen, zoals diffuse reflectoren, is het belangrijk om een afweging onthouden van de hoger absolute stromen of tonen hogere stroom verbetering. Thinner inrichtingen hebben meer van lichte trapping, met hogere stroom verbetering, terwijl de stroom zelf aanzienlijk lager, zoals blijkt uit de resultaten van 2 urn en 3 pm dikke cellen in tabel 1 22,3 vs 25,7 mA / cm 2. Ook de cellen met een slechte korte golflengte ("blauwe") reactie (zoals beschreven in 5) relatief hogere versterking van lichte trapping, wat belangrijk is de langere golflengte ("rode") reactie dan de cellen met een goede blauwe respons, maar de laatste kan uiteraard een hogere absolute stroom en dus betere prestaties in totaal. Als een belangrijk doel van fotovoltaïsche zonne-energie is beter performing zonnecellen, moet de voorkeur worden gegeven aan de licht-vangmethoden die leiden tot hogere absolute stromen, niet hoger huidige toebehoren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Dit onderzoek wordt ondersteund door Australian Research Council door middel van de koppeling subsidie met CSG Solar Pty Ltd Jing Rao erkent haar Universiteit van NSW vice-kanselier Postdoctoraal Fellowship. SEM foto's werden genomen door Jongsung Park met behulp van de apparatuur die door de Electron Microscopy Unit van de Universiteit van NSW.
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) |
References
- 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).
