Summary
סיליקון polycrystalline סרט דק תאים סולריים על זכוכית מיוצרים על ידי הפקדת שכבות בורון וזרחן סיליקון מסוממים ואחריו פסיבציה, פגם גבישים ו metallisation. Plasmonic אור השמנה הוא הציג על ידי יצירת חלקיקים שמייצרת חברת על משטח סיליקון תא כתרים עם רפלקטור מתפזרת וכתוצאה מכך שיפור ~ פוטוני 45%.
Protocol
1. ייצור של סיליקון לתאים סולאריים polycrystalline (אנימציה 3)
- הסיליקון בתצהיר הסרט
- להכין את הכלי הקורה אלקטרוני על ידי אידוי אפייה זה ב ~ 100 מעלות צלזיוס למשך הלילה כדי להגיע ללחץ בסיס Torr 3E-8 <. תנור קבוע מראש מדגם הטמפרטורה 150 ° C המתנה.
- השתמש המצע עשוי 5x5 ס"מ 2 (או 10 X10 ס"מ 2) המצע ההתכה של זכוכית בורו (שוט Borofloat33), 1.1 או 3.3 מ"מ עובי, מצופים ~ 80 ננומטר של סיליקון ניטריד (שהוכן על ידי PECVD מ N 2 ו SIH 4 תערובת).
- לפוצץ את פני השטח של המצע עם חנקן יבש כדי להסיר אבק למקם אותו בעל המדגם. לפרוק את המנעול עומס, טען את המדגם, לשאוב את עומס לנעול ללחץ <Torr 1E5, ולהעביר מדגם לתא הראשי. הפעל את החימום עד כדי סט של 250 ° C. לשאוב דקות על 20 כאשר הלחץ מגיע 8E-8 Torr או נמוכה יותר.
- בדוק dopantהמקור סיליקון תריסים מקור סגורים. מראש בטמפרטורות המקור dopant על טמפרטורות המתנה, כלומר הטמפרטורה מקור זרחן על 700 ° C ומקור הטמפרטורה בורון ב 1250 ° C. התחל דואר אקדח להמיס סיליקון בכור ההיתוך של לאט הגדלת הנוכחי דואר אקדח.
- כאשר הזרם הנדרש הוא הגיע (מ הכיול הקודם: זרם זה יכול להשתנות בהתאם הרובה אלקטרוני ותנאי מקור SI) להתאדות שכבות סיליקון מסוממים עם הריכוזים הנדרשים של P ו-B: 35 ננומטר פולט ב -3 ס"מ 1E20 של P : 2 ~ 3 בולם מיקרומטר ב -3 ס"מ 5E15 ב ', 100 גב פני השדה ננומטר (BSF) בשעה 4E19 -3 ס"מ של ב' הריכוזים המדויקים dopant מושגות על ידי התאמת מסוימים שיעורי סי בתצהיר, כפי שנמדד על ידי קוורץ קריסטל צג (QCM), עם טמפרטורות מסוימות מקור dopant, באמצעות מערכות יחסים מבוססות מן כיול סימס.
- לאחר אידוי מתבצע לעבור את דוד, לצנן את המדגם עבור 10 דקות ~. טרנסfer מדגם למנעול עומס, לסגור את השער שסתום, לפרוק את המנעול לטעון ולפרוק את המדגם עם הסרט סיליקון.
- הסיליקון גבישים
אם המדגם הוא 10x10 ס"מ 2, אותו ניתן לחתוך לארבעה 5x5 ס"מ 2 חתיכות בגודל התא לפני התגבשותה. מניחים סרט סיליקון שהופקדו על זכוכית (Si את הסרט) על בעל עשוי מחוספס סיליקון מצופה ניטריד שוט Robax זכוכית (כדי למנוע דבק). טען לתנור שחומם מראש ל חנקן מטוהר 200-300 ° C. כבש את הטמפרטורה עד 600 מעלות צלזיוס ב 3 ~ 5 ° C / min ו לחשל עבור שעות 30. הפעל את התנור של דוד ולתת לתנור להתקרר באופן טבעי ~ 200 ° C (2 ~ 3 שעות) לפני ההסרה, לדוגמה. לדוגמה יכול להיות בעל צורה קעורה בשל הצטמקות סיליקון במהלך התגבשותה. זה יהיה לרדד במהלך עיבוד הבאה תרמית מהירה. - הפעלת פגם dopant חישול (להרכבה עצמית)
מניחים את המדגם עם הסרט התגבש על בעל עשוי גרפיט אני פירוליטי וoad למעבד תרמית מהירה מטוהר עם ארגון. כבש את הטמפרטורה עד 600 מעלות צלזיוס בשעה 1 ° C / S, אז עד 1000 מעלות צלזיוס ב 20 ° C / S, החזק דקות 1 מגניב ואז למטה באופן טבעי ~ 100 ° C ולפרוק. - תחמוצת פני סילוק
מיד לפני הידרוגנציה תחמוצת פני השטח נוצרו על הסרט סיליקון במהלך התגבשותה ו RTA יש להסיר על מנת להבטיח כי השטח החשוף הסרט סיליקון חשוף מימן. לטבול את המדגם annealed בפתרון HF 5% עד משטח סיליקון הופך הידרופובי (30 ~ 100 ים). לשטוף עם מים ולייבש deionised עם אקדח חנקן. - פגם פסיבציה
טען את המדגם לתוך תא ואקום מצויד מקור המימן מרחוק פלזמה. לשאוב עד <1E-4 Torr, לחמם את המדגם עד ~ 620 ° C, להפעיל את ארגון / תערובת זרימת המימן (50:150 SCCM), קבע הלחץ 50-100 mTorr, הפעל את מקור הפלזמה על 3.5 קילוואט של כוח מיקרוגל להמשיך בתהליך דקות 10 ~. הפעל את התנור בזמן maintaining פלזמה 10-15 דקות אחר עד שהטמפרטורה יורדת למטה 350 מעלות צלזיוס לפני הפעלת הפלזמה את והפסקת זרימת הגז. לפרוק את המדגם כאשר הטמפרטורה היא מתחת 200 ° C. - תא metallisation
Metallisation תא מתנהל בסדרה של דפוסים photolithographic ברציפות, בתצהיר אל הסרט ותחריט צעדים שיפורטו פרטים ב 11. התא הסופי נראה כמו שמוצג השקופית האחרונה של אנימציה 3. מבט מקרוב של התא metallised מוצג באיור 1. - למדוד EQE של התא metallised.
2. ייצור של Nanoparticle Ag plasmonic (אנימציה 4)
- לפוצץ את שטח פני התא metallised עם חנקן יבש כדי להסיר אבק נטען מדגם לתוך המאייד תרמית המכילה סירה W מלא גרגרי AG (0.3-0.5 גרם). לשאוב את תא המאייד ללחץ בסיס של 2 ~ 3E-5 Torr. תוכנית QCM עם פרמטרים עבור Ag: צפיפות 10.50ו-Z יחס 0.529.
- ודא תריס מדגם סגור, להפוך את הסירה דוד W על ולהגדיל הנוכחי לאט מספיק כדי למנוע עליית הלחץ מעל Torr 8E 5 עד גרגרי שמייצרת חברת נמס (כפי שנצפה דרך נמל השקפת). לאחר לחץ מייצב להגדיר הנוכחית עד כדי להגדיר המקביל שיעור בתצהיר Ag של 0.1-0.2 A / S (מ כיול), לפתוח את התריס כדי להתחיל את תהליך הדחה.
- לפקח על עובי הסרט גדל Ag באמצעות QCM ולסגור את התריס כאשר עובי של 14 ננומטר הוא הגיע. לאפשר את הסירה W להתקרר במשך 15 דקות בערך, לפרוק את המדגם. הסרט צריך להיות מרותק אל יוצרים חלקיקים מיד לאחר בתצהיר ככל האפשר, כדי למנוע חמצון Ag.
- תא עם הסרט Ag שהופקדו טרי מכניסים לתנור שחומם מראש ל חנקן מטוהר 230 0.1-0.2 מעלות צלזיוס, מרותק דקות 50, ופרק אחר. הערה שינוי מראה פני השטח בשל חלקיקים. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של חלקיקים AG היא shoWN באיור. 2.
- למדוד EQE של התא עם מערך nanoparticle.
3. ייצור של רפלקטור אחורי
רפלקטור אחורי כולל של ~ 300 ננומטר עבים MGF 2 (RI 1.38) חיפוי דיאלקטרי עם המעיל של צבע התקרה מסחרי לבן (Dulux).
- לפני בודה רפלקטור אחורי המגעים התא צריך להיות מוגן על ידי יישום דיו שחור סמן עליהם, המאפשר לחשוף את המגעים מתחת דיאלקטרי בתהליך ההמראה.
- השתמש באקדח החנקן לפוצץ את המדגם עם מערך NP ואנשי הקשר צבועים להסרת אבק. להפעיל לחץ חנקן צנוע טיפול תרגיל לא לפוצץ את חלקיקי משם. מניחים את המדגם לתוך המאייד תרמית המכילה סירה W מלא MGF 2 יחידות. לשאוב את המאייד ללחצים של Torr 2 3E-5 ~. הגדרת פרמטרים QCM עבור MGF 2: צפיפות 3.05 יחס Z 0.637.
- ודא shutte מדגםR סגורה, להפעיל את דוד הסירה ולאט לאט להגביר את הזרם, כדי למנוע עלייה בלחץ מוגזם עד MGF 2 נמס לראות דרך יציאת השקפת. לאחר לחץ מייצב להגדיר הנוכחית עד כדי להגדיר המקביל שיעור 2 MGF בתצהיר של 0.3 ננומטר / ים ופתח את תריס מדגם.
- לפקח על עובי שהופקדו באמצעות QCM ולסגור את התריס כאשר 300 ננומטר הוא הגיע.
- מכבים את התנור. לאפשר את הסירה W להתקרר במשך 15 דקות בערך, לפרוק את המדגם. הערה שינוי מראה את התא עם חיפוי 2 MGF.
- כדי להסיר את המסכה דיו אנשי הקשר סלולריים לטבול את התא עם דיאלקטרי חיפוי לתוך אצטון. המתן עד דיאלקטרי מעל הדיו מתחיל פיצוח ממריא. שמור על תא אצטון עד שכל הדיו עם דיאלקטרי יוסר אנשי הקשר מתכת חשופים לחלוטין. הסר את המדגם מ אצטון, לשטוף עם אצטון טרי ויבש עם אקדח חנקן.
- למרוח שכבה שלצבע לבן (Dulux אחד מעיל בצבע התקרה) עם מברשת רכה יפה על פני התא כולו בזהירות למנוע את מגעי המתכת. שכבת הצבע צריך להיות עבה מספיק כדי להיות אטום לגמרי (~> 0.5 מ"מ), כך אין אור ניתן לראות כאשר מסתכלים דרך התא צבוע במקור אור חזק. בואו לצייר יבש ליום אחד.
- למדוד EQE של התא עם רפלקטור אחורי בצבע לבן.
4. נציג תוצאות
הנוכחי השמש לקצר תא מחושב על ידי שילוב עקומת EQE על פני ספקטרום תקן השמש העולמי (מסת אוויר 1.5). גם התא הנוכחי ושיפור שלה בשל אור השמנה תלוי בעובי שכבת בולם התא: הנוכחי עצמו הוא גבוה יותר תאים עבים יותר אבל שיפור הנוכחי גבוה עבור מכשירים דקים יותר, ראה טבלה מס '1 עבור הנתונים המתאימים ואנימציה 5 עבור EQE עקומות. המקוריים 2 מיקרומטר תאים עובי, בלי אור, השמנה, Hשד 'JSC נמדד צעד 1.7.) של ~ 15 mA / cm 2. לאחר ייצור של מערך nanoparticle, JSC מגדילה עד כ - 20 mA / cm 2, שהוא שיפור של 32%. הוא קצת יותר השפעה שיפור של 25-30% על ידי רפלקטור מפוזר האחורי בלבד. לאחר הוספת רפלקטור האחורי מפוזר על MGF 2 חיפוי לתא עם מערך nanoparticle plasmonic, JSC הוא גדל עוד יותר עד 2 22.3 mA / cm, או שיפור על 45%. שימו לב לתא מיקרומטר 3 עבה זרמים בכל גבוהות יותר, עד 25.7 mA / 2 ס"מ תוך שיפור יחסי הוא מעט נמוך יותר, 42%: אור ההשמנה יש השפעה יחסית גדולה יותר של מכשירים דקים יותר.
| התא עובי: | 2 מיקרומטר | 3 מיקרומטר | ||
| JSC, mA / cm 2 | JSC, mA / cm 2 | +% | ||
| התא המקורי | 15.4 | 18.1 | ||
| מפוזר רפלקטור אחורי (R) | 20.1 | 30.5 | 21.5 | 18.8 |
| חלקיקים (NP) | 20.3 | 31.8 | 21.9 | 21.0 |
| NP / MGF 2 / R | 22.3 | 45.3 | 25.7 | 42.0 |
טבלה 1. תא plasmonic לקצר הנוכחי ושיפור שלה בהשוואה לתא המקורי.
1. איור מקרוב לאור תא פולי-Si סרט דק השמש עם רשת metallisation.
/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
איור 2. סריקת תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של חלקיקים שמייצרת חברת על משטח סיליקון.
איור 3. תצוגה סכמטית של תא plasmonic גבישי סרט דק סיליקון השמש (לא בקנה מידה).
איור 4 חיצוני היעילות הקוונטית ו לקצר הנוכחי על סיליקון polycrystalline סרט דק תאים עם רפלקטור מפוזר חלקיקים plasmonic: מקווקו שחור - האוסף 2 מיקרומטר עבה תא ללא אור השמנה, JSC 15.36 mA / cm 2, כחול - התא. עם רפלקטור צבע דיפוזי, JSC 20.08 mA / cm 2, אדום - תא עם חלקיקים plasmonic AG, JSC 20.31 mA / cm 2, ירוק - תא עם חלקיקים, MGF 2, המשקף צבע דיפוזי, JSC 2. סגול - 3 תאים מיקרומטר עבה (על זכוכית בעובי 3 מ"מ) עם חלקיקים, MGF 2, המשקף מפוזר, JSC 25.7 mA / cm 2 (לציין בתגובה כחול נמוך בשל הבדלים לא מכוונות בשכבות AR ואת עובי פולט). מוצק שחור - 2 מיקרומטר מרקם עבה תא שהוכן על ידי בתצהיר פלזמה משופרת אדים כימיים (על זכוכית 3 מ"מ עובי), JSC 26.4 mA / cm 2, הראו להשוואה.
אנימציה 1. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .
אנימציה 2. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .
אנימציה 3. לחץ כאן כדי להציג אנימציה.
4 אנימציה. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .
אנימציה 5. לחץ כאן כדי להציג אנימציה .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
התאדו polycrystalline סיליקון לתאים סולאריים פיזור האור חלקיקים plasmonic שותפים אידיאליים אור השמנה. תאים אלה הם מישוריים, ולכן הם לא יכולים להסתמך על פיזור אור ממשטחים בעלי מרקם, או חלקיקים plasmonic יכול להיווצר בקלות על משטחים בעלי מרקם. התאים אחת בלבד, השטח האחורי עם סיליקון חשוף ישירות, אשר במקרה גם את המיקום הטוב ביותר עבור nanoparticle plasmonic היעיל ביותר לאור פיזור. יתר על כן, השיטה הקלה ביותר ליצירת nanoparticle ידי חישול תרמית הוא גם המתאים ביותר עבור אור השמנה בגלל התוצאה היא מערך nanoparticle אקראית עם שיא תהודה רחבה בין 700 ו 1000 ננומטר, החשוב ביותר עבור אור השמנה של סיליקון גבישי דק הסרט התאים. כל עוד תאים פונקציונליים עשויים, ייצור של רפלקטור plasmonic היא יחסית פשוטה וישירה, כמתואר בסעיפים הקודמים. סיבוך אפשרי קשורה העובדה ננוהחלקיקים נוצרים לא רק על פני התא סיליקון אלא על דפוס metallisation רשת גם כן. זה יכול להוביל והאם לפעמים להוביל פסי הרכבת כאשר הכיסוי היחסי nanoparticle משטח גדול מדי או חלקיקים גדולים במיוחד נוצרים באקראי. כדי למנוע תא הסטת כיסוי צריך להישמר מתחת 50% הסרט מבשר עובי להיות כל הזמן מתחת ~ 20 ננומטר, אשר מושגת בקלות בהתחשב בכך את תהליך רגיל של הסרט מבשר 14 ננומטר, כמתואר לעיל, התוצאות של 30-35% כיסוי.
Nanoparticle plasmonic בכוחות עצמם, עם שיפור ~ JSC 30%, עומדים יעיל כמו, או רק מעט טוב יותר פיזור אור מ מחזירי אור מפוזר פיגמנט צבע, ~ 25-30%, שהם הפשוטה ביותר ליישום. עם זאת, בעוד ביצועים אור השמנה של מחזירי אור צבע מפוזר ולא ניתן לשפר עוד יותר, חלקיקים plasmonic יש אפשרות להיות החמיא על ידי מחזירי אור מפוזר ממוקם בehind אותם, ובכך וכתוצאה מכך שיפור JSC גבוה באופן משמעותי, עד 45%, מאשר על ידי חלקיקים בלבד. זה שיפור פוטוני הוא הגבוה ביותר אי פעם עבור הפגינו מישוריים גבישי סי סרט דק תאים, העולה ביותר דיווחה לאחרונה על ידי שיפור 40% המשקף nanoparticle דיאלקטרי גבוה RI 5. יתר על כן, שיפור פוטוני גבוה עוד יותר, העולה על 50%, צריך להיות אפשרי עם כזה מחזיר מפוזר גבוהה nanoparticle RI, כמתואר 5, במקום בצבע לבן מסחרי.
עם זאת, גם שיפור 45% הוא רק חצי ממה מושגת בדרך כלל על ידי PECVD היטב על מרקם superstrates, מה שגורם JSC בייצור של פולי-Si תאים סרט דק על 29 mA / cm 2 (~ שיפור של 90% לעומת תא התייחסות מישורי) 12. ישנן שתי סיבות עיקריות לביצוע טוב יותר של התאים על superstrates מרקם. ראשית, השתקפות מול מרקםשטח פני התא הרבה יותר נמוך מפני השטח מישורי וכתוצאה מכך קל יותר להיכנס לתא ובכך לייצר עדכנית יותר. תכונות Antireflection של התאים plasmonic עם משטח מול מישורי יש לשפר כדי להפוך plasmonic אור השמנה תחרותי יותר עם טקסטורות קונבנציונאלי. שנית, כאשר שני ממשקים סלולריים להישאר מישוריים ובמקביל, חלק משמעותי של אור פנימי זה משתקף specularly מבלי פזורים על ידי רפלקטור או חלקיקים מפוזר בתוך התא (~ 17% על הממשק 2 סי / זכוכית או סי / MGF). זו באה לידי ביטוי הנוכחות של השוליים הפרעות הספקטרום השתקפות התא או עקומות EQE של תאים מישוריים עם מחזירי אור מפוזר או plasmonic. פיזור פחות אומר פחות אור השמנה, שיפור ולכן הנוכחי פחות. תאים בעלי מרקם שבו האור היטב הפזורים בעת היותו לידי ביטוי בכל ממשקי שאינם מקבילים לא צריך השוליים הפרעה כפי שמוצג בעקומה למשל EQE בפהIG. 2.
כאשר בוחנים שיפור פוטוני ידי חלקיקים plasmonic, כמו גם באמצעים אחרים שחלים על הצד האחורי של תאים סולריים, כמו מחזירי אור מפוזר, חשוב לזכור תחלופה בין השגת זרמים אבסולוטיים גבוהים יותר או להפגין שיפור הנוכחי גבוה יותר. מכשירים דקים יותר ליהנות מן האור, השמנה, מראה שיפור הנוכחי גבוה יותר, בעוד הנוכחי עצמו הוא נמוך באופן משמעותי כפי שעולה מהתוצאות של 2 מיקרומטר ו -3 מיקרומטר תאים עבים 1 שולחן, 22.3 לעומת 25.7 mA / cm 2. באופן דומה, תאים עם אורך גל קצר תגובה ירודה ("כחול") (כמו אלה המתוארים 5) יש שיפור יחסית גבוהה מן האור, השמנה, שהוא חשוב אורך גל ארוך יותר ("אדום") בתגובה, מאשר תאים עם טוב בתגובה כחול, אבל זה האחרון יכול כמובן להיות גבוהה יותר אבסולוטית הביצועים הכולל הנוכחי ולכן טוב יותר. כפי המטרה העיקרית של photovoltaics עושה performi טוב יותרתאים סולריים נג, העדפה יש לתת את האור השמנה השיטות המובילות זרמים אבסולוטיים גבוהים יותר, לא שיפור הנוכחי גבוה יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגוד עניינים הצהיר.
Acknowledgments
פרויקט המחקר נתמך על ידי המועצה למחקר אוסטרלי באמצעות מענק הקשר עם CSG השמש סוד בע"מ ג'ינג ראו מכיר אוניברסיטת לה המלגה סגנית הנשיא NSW דוקטורים. התמונות צולמו על ידי SEM Jongsung פארק באמצעות הציוד המסופק על ידי היחידה למיקרוסקופיה אלקטרונית מאוניברסיטת 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).
