Base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par Light-piégeage

Summary

Base de silicium polycristallin en couches minces sur des cellules solaires en verre sont fabriqués par dépôt de couches de bore et de silicium dopé phosphore suivies par passivation défaut de cristallisation, et la métallisation. Plasmonique de blocage de lumière est introduit en formant nanoparticules Ag sur la surface cellulaire de silicium coiffé avec un réflecteur diffus résultant dans l'amélioration de ~ 45% photocourant.

Protocol

1. Fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin (Animation 3)

1. De dépôt de film de silicium
   1. Préparer l'outil d'évaporation par faisceau d'électrons par l'étuvage à ~ 100 ° C pendant la nuit pour atteindre la pression de base de <3E-8 Torr. Pré-régler le chauffe-échantillon à la température 150 ° C ° en mode veille.
   2. Utilisation d'un substrat fait de 5x5 cm ² (10 x 10 cm ou ²⁾ de substrat de verre de borosilicate (Schott Borofloat33), 1,1 ou 3,3 mm d'épaisseur, revêtues avec ~ 80 nm de nitrure de silicium (préparée par PECVD à partir de N ₂ et SiH ₄ mélange).
   3. Sonnez de la surface du substrat avec de l'azote sec pour enlever la poussière et le placer dans un porte-échantillon. Purger le sas de chargement, de charger l'échantillon, pomper le sas à la pression <Torr 1E5, et transférer l'échantillon à la chambre principale. Démarrer le chauffe à la consigne de 250 ° C. Pompe pour environ 20 min lorsque la pression atteint 8E-8 Torr ou inférieure.
   4. Vérifiez que le dopantvolets de source de silicium de source et de l'sont fermés. Préréglées températures de source de dopant à des températures de secours, à savoir la température de la source de phosphore à 700 ° C et la température de source de bore à 1250 ° C. Début e-gun et faire fondre le silicium dans un creuset en augmentant lentement le courant e-gun.
   5. Quand le courant requis est atteint (à partir de l'étalonnage précédent: ce courant peut varier en fonction de l'e-gun et les conditions de source Si) s'évapore des couches de silicium dopées avec les concentrations requises de P et B: 35 émetteurs nm à 1E20 cm ^-3 de P ; 2 ~ 3 um absorbeur à 5E15 cm ^-3 de B; 100 nm champ de surface arrière (FBS) à 4E19 cm ^-3 de B. Les concentrations de dopant exactes sont réalisés en faisant correspondre des vitesses de dépôt de Si certaines, telle que mesurée par cristal de quartz Moniteur (QCM), avec certaines températures de source de dopant, en utilisant les relations établies à partir d'étalonnage SIMS.
   6. Après évaporation se fait passer le radiateur, refroidir l'échantillon pour ~ 10 min. TransFer l'échantillon à la charge de blocage, fermer la porte-vanne, évacuer l'sas de chargement et de déchargement de l'échantillon avec le film de silicium.
2. Silicon cristallisation
   Si l'échantillon est 10x10 cm ^2, il peut être coupé en quatre 5x5 cm ² morceaux de la taille des cellules avant la cristallisation. Placer un film de silicium déposé sur le verre (film de Si jusqu'à) sur un support en nitrure de silicium rendue rugueuse et revêtue de verre Schott Robax (pour éviter le collage). Chargement dans un four préchauffé à purgé à l'azote 200-300 ° C. Montée en puissance de la température jusqu'à 600 ° C à 3 ~ 5 ° C / min et recuit pendant 30 h. Tour de l'appareil de chauffage du four et laissez refroidir le four naturellement à ~ 200 ° C (2 ~ 3 heures) avant le déchargement de l'échantillon. L'échantillon peut avoir une forme concave en raison du rétrécissement de silicium lors de la cristallisation. Il va aplatir au cours du traitement thermique suivant rapide.
3. Activation du dopant et le défaut de recuit (RTA)
   Placer l'échantillon avec le film cristallisé sur un support en graphite pyrolytique et load à un processeur thermique rapide purgé avec de l'argon. Rampe de la température jusqu'à 600 ° C à 1 ° C / s, puis jusqu'à 1000 ° C à 20 ° C / s, maintenir pendant 1 min, puis refroidir naturellement à ~ 100 ° C et le déchargement.
4. Élimination d'oxyde de surface
   Immédiatement avant l'hydrogénation de l'oxyde de surface formée sur le film de silicium lors de la cristallisation et RTA doit être retiré pour que la surface de silicium à nu du film est exposé à un atome d'hydrogène. Plongez l'échantillon recuit en solution HF 5% jusqu'à ce que la surface de silicium hydrophobe tourne (30 ~ 100 s). Rincer à l'eau déminéralisée et sécher avec un pistolet à azote.
5. Passivation des défauts
   Calcul de l'échantillon dans une chambre à vide équipé d'une source de plasma d'hydrogène à distance. Pomper à <1E-4 Torr, de la chaleur jusqu'à l'échantillon jusqu'à ~ 620 ° C, mettez l'argon / écoulement du mélange d'hydrogène (50:150 sccm), régler la pression de 50 à 100 mTorr, commencer à la source de plasma à 3,5 kW de la puissance micro-ondes et pour poursuivre le processus ~ 10 minutes. Éteindre le chauffage tout en maintaYi-ning le plasma pour un autre 10-15 min jusqu'à la température tombe en dessous de 350 ° C avant de mettre le plasma hors tension et l'arrêt de l'écoulement de gaz. Décharger l'échantillon lorsque la température est inférieure à 200 ° C.
6. Métallisation de cellules
   Métallisation des cellules est réalisée en une série de motifs photolithographique consécutive, le dépôt et la gravure du film d'Al étapes qui sont décrites en détail dans ^11. La cellule final ressemble indiqué dans la dernière diapositive de la ANIMATION 3. Une vue rapprochée de la cellule est métallisé montré dans la figure 1.
7. Mesurer EEQ de la cellule métallisé.

2. Fabrication de la nanoparticule plasmonique Ag (Animation 4)

1. Sonnez de la surface de la cellule métallisée avec de l'azote sec pour enlever la poussière et de charger l'échantillon dans un évaporateur thermique contenant un bateau rempli de granules W Ag (0,3-0,5 g). Pomper la chambre de vaporisation à la pression de base de 2 ~ 3E-5 Torr. QCM programme avec des paramètres pour Ag: Densité 10,50et Z rapport 0,529.
2. Veiller à ce que l'obturateur est fermé échantillon, éteindre le chauffe bateau W en marche et d'augmenter le courant assez lentement pour éviter une augmentation de pression au-dessus 8E-5 Torr jusqu'à granulés Ag fondre (comme on l'observe à travers un point de vue-port). Après la pression se stabilise régler le courant au point de consigne correspondant le taux de dépôt Ag de 0,1-0,2 Å / s (à partir de calibrage) et ouvrir l'obturateur pour démarrer le processus de dépôt.
3. Surveiller l'épaisseur de film en croissance Ag utilisant QCM et fermer l'obturateur lorsque l'épaisseur de 14 nm est atteint. Laisser le bateau W refroidir pendant environ 15 min, de décharger l'échantillon. Le film devrait être recuit pour former des nanoparticules dès après le dépôt que possible pour éviter l'oxydation Ag.
4. Une cellule d'un film fraîchement déposée Ag est placée dans un four préchauffé purgé à l'azote à 230 ° C 0.1 à 0.2, recuit pendant 50 min, puis déchargée. Notez le changement dans l'aspect de surface due à des nanoparticules. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag est shown dans la Fig. 2.
5. Mesurer EEQ de la cellule avec le tableau nanoparticule.

3. Fabrication du réflecteur arrière

Le réflecteur arrière se compose d'environ 300 nm d'épaisseur MgF ₂ (RI 1,38) revêtement diélectrique d'une couche d'une peinture plafond blanc commerciale (Dulux).

1. Avant de fabriquer le réflecteur arrière des contacts de cellules doivent être protégés par application d'une encre noire marqueur sur eux, ce qui permet d'exposer les contacts de sous le diélectrique par un procédé lift-off.
2. Utilisez pistolet à azote à souffler de l'échantillon avec le tableau NP et des contacts peints pour les dépoussiérer. Utiliser une pression d'azote modeste et faire preuve de prudence pour ne pas souffler les nanoparticules de suite. Placer l'échantillon dans le vaporisateur thermique contenant un bateau W rempli de MgF ₂ morceaux. Pomper l'évaporateur à une pression de 2 ~ 3E-5 Torr. Définissez les paramètres QCM pour MgF _2: Densité 3,05 et ratio Z 0,637.
3. Veiller à ce que l'échantillon Shutter est fermée, allumer le chauffe-bateau et augmenter lentement le courant pour éviter une augmentation de pression excessive jusqu'à ce MgF ₂ fond comme on le voit à travers un point de vue-port. Après la pression se stabilise régler le courant au point de consigne correspondant au taux de dépôt MgF ₂ de 0,3 nm / s et d'ouvrir l'obturateur de l'échantillon.
4. Surveiller l'épaisseur déposée en utilisant QCM et fermer l'obturateur lorsque 300 Nm est atteint.
5. Éteignez le chauffe. Laisser le bateau W à refroidir pendant environ 15 min, de décharger l'échantillon. Noter la modification de l'aspect de cellules avec le MgF ₂ gaine.
6. À retirer le masque de l'encre depuis les contacts de cellules immerger la cellule avec le diélectrique de gainage dans de l'acétone. Attendre jusqu'à ce que le diélectrique au-dessus de l'encre commence la fissuration et un décollement. Garder la cellule dans l'acétone jusqu'à ce que tous l'encre avec le diélectrique est enlevée et les contacts métalliques sont entièrement exposée. Retirer l'échantillon de l'acétone, rincez avec de l'acétone fraîche et séchez-le avec des armes à feu d'azote.
7. Appliquer une couche d'unpeinture blanche (peinture Dulux plafond en une seule couche) avec un pinceau fin en douceur sur la surface de la cellule entière en évitant soigneusement les contacts métalliques. La couche de peinture doit être suffisamment épais pour être totalement opaque (~> 0,5 mm), de sorte qu'aucune lumière ne puisse être vu en regardant à travers la cellule peinte à la source lumineuse. Laissez la peinture sécher pendant une journée.
8. Mesurer EEQ de la cellule avec le réflecteur arrière peinture blanche.

4. Les résultats représentatifs

La cellule solaire de court-circuit est calculée en intégrant la courbe EEQ sur le spectre solaire standard globale (masse d'air 1.5). Tant la cellule courante et sa mise en valeur due à la lumière de piégeage dépend de l'épaisseur couche de cellules d'absorption: le courant lui-même est plus élevé pour les plus épaisses des cellules, mais la mise en valeur actuelle est supérieure pour les plus minces appareils, voir le tableau 1 pour les données respectives et animation de 5 pour EEQ courbes. Les 2 cellules d'origine um d'épaisseur, sans la lumière de piégeage, hav Jsc mesurée à l'étape 1.7.) de ~ 15 mA / cm ^2. Après la fabrication d'un tableau nanoparticule, Jsc augmente jusqu'à environ 20 mA / cm ^2, qui est mise en valeur 32%. Il est légèrement meilleure que l'effet d'amélioration de 25-30% par le réflecteur arrière diffuse seulement. Après avoir ajouté le réflecteur arrière diffuse sur le MgF ₂ de revêtement à la cellule avec le tableau des nanoparticules plasmonique, la JSC est encore augmenté à 22,3 mA / cm ^2, ou l'amélioration d'environ 45%. Notez que pour la cellule 3 um d'épaisseur tous les courants sont plus élevés, jusqu'à 25,7 mA / cm ^2, tandis que l'amélioration relative est légèrement inférieur, 42%: la lumière de piégeage a un effet relativement plus importante dans les plus minces appareils.

Épaisseur de la cellule:	2 um		3 um
	Jsc, mA / cm 2	trong> +%	Jsc, mA / cm 2	+%
cellule d'origine	15,4		18,1
Réflecteur diffus arrière (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanoparticules (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tableau 1. Plasmonique cellule de court-circuit et de son amélioration par rapport à la cellule d'origine.

Figure 1. Close-up vue de poly-Si la cellule solaire à film mince avec grille de métallisation.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figure 2. Image en microscopie électronique à balayage de nanoparticules Ag sur la surface de silicium.

Figure 3. Une vue schématique d'un silicium à couche mince plasmonique cristallin cellule solaire (pas à l'échelle).

Figure 4 rendement quantique externe et de court-circuit pour les silicium polycristallin cellules à couche mince avec réflecteur diffus et nanoparticules plasmoniques: pointillés noir - 2 originaux um d'épaisseur cellule sans lumière de piégeage, Jsc 15,36 mA / cm ^2, le bleu - la cellule. avec réflecteur peinture diffuse, Jsc 20,08 mA / cm ^2; rouge - cellule avec des nanoparticules Ag plasmoniques, Jsc 20,31 mA / cm ^2; vert - cellule avec des nanoparticules, MgF _2, et le réflecteur peinture diffuse, Jsc 2. Purple - 3 cellules um d'épaisseur (le 3 de verre d'épaisseur mm) avec des nanoparticules, MgF _2, et le réflecteur diffus, Jsc 25,7 mA / cm ² (noter de réponse plus faible bleue due à des différences non intentionnelles dans les couches AR et l'épaisseur émetteur). Solide noir - 2 pm cellulaire épaisse texture préparé par plasma de dépôt chimique en phase vapeur (sur verre de 3 mm d'épaisseur), Jsc 26,4 mA / cm ^2, à titre de comparaison.

Animation 1. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 2. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 3. Cliquez ici pour voir l'animation.

Animation 4. Cliquez ici pour voir l'animation .

Animation 5. Cliquez ici pour voir l'animation .

Discussion

Évaporés cellules de silicium polycristallines et les nanoparticules diffusion de la lumière plasmonique sont des partenaires idéaux pour la lumière-piégeage. Ces cellules sont planes, ils ne peuvent donc pas compter sur une diffusion de lumière à partir de surfaces texturées, ni nanoparticules plasmoniques être facilement formé sur les surfaces texturées. Les cellules ont un seul, face arrière avec le silicium directement exposés, qui se trouve être également le meilleur emplacement pour la plupart des nanoparticules plasmonique efficace de diffusion de lumière. En outre, la méthode la plus simple pour la formation des nanoparticules par recuit thermique est également la plus adaptée pour la lumière de piégeage, car il en résulte un tableau des nanoparticules aléatoire avec un pic de résonance large entre 700 et 1000 nm, la plus importante pour la lumière de piégeage en silicium cristallin mince cellules en couches. Tant que les cellules fonctionnelles sont faites, la fabrication du réflecteur plasmonique est relativement simple et directe, comme décrit dans les sections précédentes. Une complication possible est liée au fait que le nanoles particules sont formées non seulement sur la surface cellulaire de silicium, mais sur la grille de métallisation ainsi. Elle peut conduire et ne conduisent parfois à de manœuvre lorsque la couverture de la surface des nanoparticules relative est trop grande ou particulièrement nanoparticules grandes sont d'ailleurs formés. Pour éviter la cellule de manœuvre de la couverture doit être maintenue en dessous de 50% et l'épaisseur du film précurseur être maintenue en dessous de ~ 20 nm, ce qui est facile à réaliser étant donné que le processus de normalisation du film 14 nm précurseur, décrit ci-dessus, les résultats de 30-35% la couverture.

Nanoparticules plasmonique par eux-mêmes, avec l'amélioration de ~ 30% Jsc, sont à peu près aussi efficace que, ou seulement un peu mieux à une diffusion de lumière que les réflecteurs pigmentées diffuses de peinture, ~ 25-30%, qui sont plus simple à appliquer. Cependant, tandis que la performance de blocage de lumière des réflecteurs de peinture diffuses ne peuvent pas encore être améliorée, les nanoparticules plasmoniques disposent d'une option d'être complimenté par les réflecteurs diffus placé berrière les, conduisant ainsi à l'amélioration Jsc significativement plus élevée, jusqu'à 45%, que par les nanoparticules seules. Cette amélioration photocourant est la plus élevée jamais démontrée pour planaires silicium cristallin en couches minces cellules, dépassant le plus récent rapporté l'amélioration de 40% par un réflecteur de nanoparticules RI diélectrique élevée ^5. En outre, l'amélioration photocourant encore plus élevé, supérieur à 50%, doit être possible avec un tel réflecteur diffus RI haute nanoparticule, comme décrit en ^5, au lieu de la peinture blanche commerciale.

Toutefois, même 45% d'amélioration n'est que d'environ la moitié de ce qui est généralement réalisé en poly-Si en couche mince de fabrication des cellules par PECVD sur le bien-texturés superstrats, ce qui entraîne Jsc d'environ 29 mA / cm ² (~ 90% d'amélioration par rapport à la cellule de référence plane) ^12. Il ya deux raisons majeures pour de bien meilleures performances des cellules sur superstrats texturés. Tout d'abord, la réflexion de l'avant texturéesurface cellulaire est un nombre inférieur de la surface plane résultant en plus de lumière entrant dans la cellule générant ainsi plus de courant. Propriétés anti-reflets des cellules plasmoniques avec la surface frontale plane doivent être améliorés pour faire la lumière plasmonique de piégeage plus concurrentiel, avec texturing classique. Deuxièmement, lorsque deux interfaces de cellules restent planes et parallèles, une fraction importante de la lumière est réfléchie spéculairement à l'intérieur et à l'intérieur de la cellule (~ 17% de Si / verre ou Si / MgF ₂ interface) sans être diffusée par soit un réflecteur diffus ou nanoparticules. Cela se manifeste dans la présence de franges d'interférence dans les spectres de réflexion cellule ou dans les courbes planes EEQ de cellules avec des réflecteurs diffus ou plasmonique. Moins de diffusion signifie moins de lumière-piégeage, l'amélioration donc moins de courant. Cellules texturées où la lumière est bien dispersés, tout en étant réfléchie à la non-parallèles interfaces n'ont pas des franges d'interférence, comme indiqué dans une courbe EEQ exemple dans Fig. 2.

Lors de l'examen amélioration photocourant par les nanoparticules plasmoniques, ainsi que par d'autres moyens appliqués à la face arrière des cellules solaires, comme des réflecteurs diffus, il est important de se rappeler un compromis entre la réalisation des courants plus élevés absolus ou de démontrer l'amélioration courant plus élevé. Diluant dispositifs bénéficient davantage de la lumière-piégeage, montrant plus d'amélioration en cours, tandis que le courant lui-même est significativement plus faible comme en témoignent les résultats pour 2 pm et 3 pm cellules épaisses dans le tableau 1, 22,3 contre 25,7 mA / cm ^2. De même, les cellules avec une longueur d'onde mauvaise à court ("bleu") réponse (comme ceux décrits dans ⁵⁾ ont mise en valeur relativement plus élevée de la lumière-piégeage, ce qui est important à plus de longueur d'onde ("rouge") de réponse, que les cellules avec un bon réponse bleu, mais celui-ci peut évidemment avoir une plus absolue les performances actuelles et ainsi de mieux totale. Comme un objectif majeur de l'énergie photovoltaïque est une meilleure performing cellules solaires, la préférence devrait être donnée aux méthodes de piégeage de lumière conduisant à des courants plus élevés absolus, et non un courant plus élevé d'amélioration.

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)