Summary
ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜太陽電池は、結晶化、欠陥のパッシベーションおよびメタライゼーションに続いてホウ素やリンをドープしたシリコン層の堆積によって製造されています。プラズモニック光トラッピングは〜45％の光電流の増強の結果、拡散反射板でキャップシリコン細胞表面上のAgナノ粒子を形成することによって導入されています。
Protocol
1。多結晶シリコン太陽電池の作製（アニメーション3）
- シリコン膜の堆積
- ℃で一晩<3E-8 Torrのベース圧力に到達するために100〜でそれを焼成することにより、電子ビーム蒸着ツールを準備します。 150℃スタンバイ温度にプリセットサンプルヒーター。
- 5x5のcm 2の （または10×10 cm 2）の基板ホウケイ酸ガラス（SCHOTT Borofloat33）、窒化ケイ素の約80 nmの（N 2とSiH 4の混合物からPECVDによって調製した）で被覆した厚さ1.1または3.3ミリメートル、からなる基板を使用しています。
- ほこりを除去し、試料ホルダーにそれを配置する乾燥窒素で基板の表面を吹く。 、ロードロックを発散サンプルをロードし、圧力<1E5 Torrにダウンロードロックポンプ、メインチャンバーにサンプルを転送します。 250℃のセットポイントにヒーターを起動します。圧力が8E-8トール以下に到達した約20分間ポンプを備えています。
- そのドーパントを確認してくださいソースとケイ素源シャッターが閉じられます。スタンバイ温度にプリセットドーパント源温度は、1250℃、ホウ素源温度は700℃でリン源温度、すなわち電子銃を開始し、徐々に電子銃の電流を増加させることにより坩堝内のシリコンを溶かす。
- 必要な電流が到達したときに、P -3 1E20 cmで35nmのエミッタ：PとBの必要な濃度でドープされたシリコン層を蒸発させる（前のキャリブレーションから、この電流は、電子銃とSi源条件の異なる場合があります）として水晶モニタで測定したBの-3 4E19 cmで100nmの裏面フィールド（BSF）正確なドーパント濃度が一定のSiの堆積速度を照合することによって達成され、; Bの-3 5E15 cmで2〜3μmの吸収（QCM）、特定のドーパント源の温度が、SIMSのキャリブレーションから確立されたリレーションシップを使用して。
- 蒸発は、ヒーターのスイッチをオフに行われた後、約10分間、サンプルをクールダウン。トランスロードロックのサンプルFERは、ゲートバルブを閉じ、ロードロックを発散し、シリコン膜でサンプルをアンロードします。
- シリコン結晶
サンプルは10×10 cm 2である場合、それは結晶化する前に4 5x5のcm 2のセルサイズのピースにカットすることができます。粗と窒化ケイ素コーティングされたショットRobaxガラス（付着を避けるために）作られたホルダーにガラス基板上に堆積シリコン膜（最大Si膜）を配置します。窒素パージされたオーブンに負荷が200から300℃に予熱℃で3時〜5℃/ minで600の温度を立ち上げ、30時間のためにアニールする。サンプルをアンロードする前に、オーブンヒーターの電源を入れ、〜200℃（2〜3時間）に自然にオーブンがクールダウンしましょう。サンプルは、結晶中にシリコン収縮に起因する凹面形状を有することができる。それは以下の急速熱処理中に平らにします。 - ドーパントの活性化とアニール欠陥（RTA）
グラファイトとlで作られたホルダーに結晶化した膜でサンプルを置きますアルゴンでパージし、急速な熱プロセッサにOAD。 ℃、1℃/ sが、その後1000℃まで20℃/秒、約100に自然にしてクールで1分間押し°Cおよびアンロード600の温度を立ち上げる。 - 表面酸化物の除去
直ちに結晶化とRTAの間にシリコン膜上に形成された水素化の前に表面酸化物は、ベアシリコン膜の表面が水素にさらされていることを確認するために削除する必要があります。シリコン表面が疎水性になるまで5％フッ酸溶液中にアニールした試料を浸漬（30〜100秒）。脱イオン水ですすぎ、窒素銃で乾燥させます。 - 欠陥パッシベーション
リモート水素プラズマ源を備えた真空チャンバ内にサンプルをロードします。まで〜620 <1E-4 Torrで、ヒートアップサンプルでは、°C、50から100ミリトール圧力を設定してアルゴン/水素混合物の流れ（50:150 SCCM）は、3.5 kWにおけるプラズマ源を起動しオンにポンプダウンマイクロ波電力と約10分間の処理を続行します。 maintaながらヒーターをオフにする温度はプラズマをオフにしてガスの流れを停止する前に、350°Cの下に落下するまで、別の10〜15分間プラズマをining。温度が200℃のときにサンプルをアンロードする - セルの金属被覆
セルの金属被覆は、11に詳細に記載されている連続したフォトリソグラフィパターニング、Al膜の堆積とエッチングの一連の手順で行われる。アニメーション3の最後のスライドに示すように最後のセルが見える。メタライズドセルのクローズアップビューを図1に示されています。 - メタライズドセルの外部量子効率を測定します。
2。プラズモニックのAgナノ粒子（アニメーション4）の作製
- ほこりを除去し、銀顆粒（0.3〜0.5グラム）を充填したWボートを含む熱蒸発器にサンプルをロードするために乾燥窒素で金属化細胞表面を吹く。 2〜3E-5 Torrのベース圧力に蒸発チャンバーをポンプダウン。 Agのパラメータを持つプログラムQCM：密度10.50とZ比0.529。
- サンプルのシャッターが閉まっていること、（ようにビューポートを介して観察）WボートヒーターをオンにするとAg顆粒が溶けるまで、8E-5 Torrの上記の圧力上昇を避けるために徐々に十分な電流を増加させることを確認してください。圧力が0.1から0.2Å/ sでのAg析出速度（校正から）対応するセットポイントに電流を設定し、成膜プロセスを開始するためにシャッターを開いて安定した後。
- QCMを用いて成長してAg膜の厚さを監視し、14nmの厚さに達したときにシャッターを閉じます。 Wのボートは約15分間のクールダウンできるように、サンプルをアンロードします。フィルムは、Agの酸化を避けるためにできるだけ早く堆積した後、ナノ粒子を形成するためにアニールする必要があります。
- 新たに堆積Ag膜を持つセルは230 0.1から0.2まで50分間アニール°Cに予熱した窒素パージオーブンに入れ、その後アンロードされます。ナノ粒子による表面外観の変化に注意してください。 Agナノ粒子の電子顕微鏡画像をスキャンすると、翔です。図WN。 2。
- ナノ粒子の配列を持つセルの外部量子効率を測定します。
3。後部反射器の作製
後部反射器は、市販の白い天井のペンキ（Dulux）のコートとクラッド〜300 nmの厚さMgF 2の （RI 1.38）誘電体で構成されています。
- 後部反射器を製造する前にセルの連絡先は、リフトオフプロセスによって誘電体の下から連絡先を公開することができている、それらに黒のマーカーのインクを適用することによって保護する必要があります。
- NPの配列やほこりを取り除くために描いた連絡先でサンプルを爆破する窒素銃を使用しています。離れてナノ粒子を吹き飛ばすしないように控えめな窒素圧力と運動の注意を払ってください。 MGF 2個で満たされたWボートを含む熱蒸発器にサンプルを置きます。 2〜3E-5 Torrの圧力に蒸発器をポンプダウン。密度3.05およびZ比0.637：MgF 2のためのQCMパラメータを設定します。
- ことを確認し、サンプルshutterがクローズされ、ボートのヒーターをオンにして徐々にMgF 2をとしてビューポートを通して見溶けるまで過度の圧力上昇を避けるために電流を増加させる。圧力は、0.3 nm / sのMgF 2の堆積速度を対応するセットポイントに電流を設定し、サンプルシャッターを開いた安定した後。
- QCMを用いて堆積厚さを監視し、300nm以下に達したときにシャッターを閉じます。
- ヒーターの電源をオフにします。 Wボートは約15分間冷却することができ、サンプルをアンロードします。 MgF 2のクラッドを持つセルの外観の変化に注意してください。
- セルの連絡先からインクマスクを削除するには、誘電体はアセトンにクラッドを有する細胞を浸す。インク、上記誘電体割れと持ち上げ開始されるまで待ちます。誘電体を使用したすべてのインクが削除され、金属の接点が完全に露出されるまで、アセトン中で細胞を保持します。アセトンからサンプルを削除するには、新鮮なアセトンですすぎ、窒素銃で乾燥させます。
- の層を適用する全細胞の表面に微細な柔らかいブラシで白い塗料（Duluxワンコート天井のペンキ）は慎重に金属接点を回避することができます。塗料層は、明るい光源で描いたセルを検索するときには光が見えることはできませんので、完全に不透明（〜> 0.5 mm）とするのに十分な厚さにする必要があります。一日乾燥したペイントしましょう。
- 白いペンキ後部反射器と電池の外部量子効率を測定します。
4。代表的な結果
太陽電池の短絡電流は、標準的なグローバル太陽スペクトル（空気質量1.5）上の外部量子効率曲線を積分することによって計算されます。ライトトラップに起因するセル電流とその強化の両方がセルの光吸収層の厚さに依存します。自体は電流が厚い細胞に対する高いが、現在の拡張機能は、シンナーのデバイスに対して、外部量子効率は、それぞれのデータとアニメーション5の表1を参照してより高いです曲線を示す。光トラッピング、Hせずに元の厚さ2μmの細胞、aveのJSCは 、ステップ1.7で測定されます。）〜15ミリアンペア/ cm 2の。ナノ粒子アレイの作製した後、JSCは 32％拡張したものです約20ミリアンペア/ cm 2で 、最大増加します。それは後部の拡散反射のみによって25〜30％の向上効果よりも若干優れています。プラズモニックナノ粒子アレイとセルにMgF 2のクラッド層の背面拡散反射を追加した後、JSCは 22.3ミリアンペア/ cm 2で 、または約45％向上にさらに増加します。光トラッピングは薄くデバイスの比較的大きな効果があります。相対的増強は、42％やや低いですが3μmの厚さのセルのすべての電流が高く、最大25.7ミリアンペア/ cm 2であることに注意してください。
| セルの厚さ： | 2μmの | 3μmの | ||
| JSC、ミリアンペア/ cm 2で | JSC、ミリアンペア/ cm 2で | +％ | ||
| 起源細胞 | 15.4 | 18.1 | ||
| リア拡散反射（R） | 20.1 | 30.5 | 21.5 | 18.8 |
| ナノ粒子（NP） | 20.3 | 31.8 | 21.9 | 21.0 |
| NP / MGF 2 / R | 22.3 | 45.3 | 25.7 | 42.0 |
表1。プラズモニックセルの短絡電流とその拡張は、元のセルと比較されます。
金属化グリッドのポリSi薄膜太陽電池の図1。クローズアップビュー。
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図2：シリコン表面上のAgナノ粒子の電子顕微鏡画像をスキャンしています。
図3。プラズモニック結晶シリコン薄膜太陽電池（実寸ではありません）の模式図。
図4拡散反射とプラズモニックナノ粒子と多結晶シリコン薄膜セルの現在の外部量子効率および短絡：点線の黒-ライトトラップせずに元の厚さ2μmのセル、JSC 15.36ミリアンペア/ cm 2で 、青-セル。びまん性塗料の反射鏡と、JSC 20.08ミリアンペア/ cm 2で 、赤-モニックのAgナノ粒子と細胞、JSC 20.31ミリアンペア/ cm 2で 、緑-ナノ粒子と細胞、MgF 2を 、びまん性塗料の反射、JSC 2である 。紫-ナノ粒子、MGF 2、拡散反射と3μmの厚さのセル（3mm厚ガラスの場合）、Jscは 25.7ミリアンペア/ cm 2の （AR層とエミッタの厚さで意図しない違いによる低青色応答に注意してください）。黒一色-プラズマ化学蒸着（3mm厚ガラスの場合）によって調製し2μmの厚さのテクスチャのセル、Jscは 26.4ミリアンペア/ cm 2とは 、比較のため示した。
アニメーションは、1。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。
アニメーションは、2。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。
（3）アニメーション アニメーションを表示するにはここをクリック。
アニメーション4。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。
アニメーション5。 アニメーションを表示するには、ここをクリックしてください 。
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Discussion
蒸発した多結晶シリコン太陽電池と光散乱プラズモンナノ粒子は、光トラッピングのための理想的なパートナーです。そのような細胞は平面であり、それゆえ彼らは、テクスチャの表面からの光散乱に頼ることはできません。また、プラズモニックナノ粒子は容易にテクスチャ面上に形成することができる。細胞はまた、最も効果的なプラズモニック光散乱のために最高のナノ粒子の位置であることを起こる直接露出したシリコン、一つだけ、裏面を持っています。それは、700〜1000nmの間で広範な共振ピークを持つランダムなナノ粒子の配列に結果ため、また、熱処理によってナノ粒子を形成するための最も簡単な方法は、結晶シリコンに光トラップのためにも、最も重要な光トラップに最も適した薄膜フィルムセル。機能的な細胞が作られている限り、プラズモン反射鏡の製造は、前のセクションで説明したような比較的単純です。可能な合併症は、そのナノ事実に関連しています粒子は、シリコン太陽電池の表面ではなく、同様に金属化格子パターン上のみならず、形成される。それは可能性がありますし、ナノ粒子の相対的な表面被覆率が大きすぎるか、特に大規模なナノ粒子が偶然に形成されたときに時々シャントにつながるん。カバレッジ結果は30から35パーセントで、50％、簡単に14 nmの前駆体膜からの標準プロセスは、上述のことを考慮すると実現されます〜20 nm以下に保たれる前駆体の膜厚、以下に保たなければならないシャントセルを避けるために、報道。
自身によるプラズモニックナノ粒子は、〜30％Jscは向上して、着色塗料の拡散反射光よりも散乱でのみわずかに良いのと同じくらい効率的であるか、または、〜に適用する最も簡単である25から30パーセント。びまん性塗料の反射の光捕捉性能をさらに向上させることができませんがしかし、プラズモニックナノ粒子は、bを配置し、拡散反射によって賞賛されているオプションがありますしたがって、単独でナノ粒子によるより最大45％まで有意に高いJscは向上、その結果、それらをehind。この光電流の向上は、高RI誘電体ナノ粒子反射鏡5によって最近報告された40％の向上を超え、これまで平面結晶Si薄膜セルを実証最高です。また、50％を超えてさらに高い光電流の増強は、このような、5で説明されて高いRIナノ粒子の拡散反射は、代わりの商業白いペンキで可能でなければなりません。
しかし、たとえ45％の強化だけで、通常の Jsc、その結果、よく織り目superstrates上にプラズマCVDによりポリSi薄膜セル製造で達成されるものの約半分である29ミリアンペア/ cm 2の （〜90％の向上に比べて約参照平面セル）12。テクスチャsuperstrates上での細胞の多くは、パフォーマンスを向上させるために2つの大きな理由があります。テクスチャ正面からまず、反射細胞表面は、より多くの光がより多くの電流を生成するため、セルを入力し、その結果平面からよりもずっと低くなっています。平面前面とプラズモン細胞の反射特性は、従来のテクスチャを持つプラズモニック光トラップ競争力を高めるために改善する必要があります。第二に、2つのセルインタフェースは平面と平行に残っている場合、光の大部分は内部であり、鏡面拡散反射またはナノ粒子のいずれかの方法で散乱させずに、セル（シリコン/ガラスまたはSi / MgF 2の界面で〜17％）に反映されます。これは、細胞反射スペクトル、またはびまん性またはプラズモン反射と平面のセルの外部量子効率曲線の干渉縞の存在下で現れます。以下の散乱が少なく光トラッピング、したがって、少ない電流増強を意味します。 Fの例EQE曲線に示すように非パラレル·インタフェースで反射させながら光をよく散乱されるテクスチャの細胞は、干渉縞を持っていないIG。 2。
プラズモニックナノ粒子によるほか、太陽電池の背面側に適用された他の手段によって光電流の増強を検討する場合は、拡散反射のように、それはより高い絶対的な電流を達成するため、またはより高い電流増強を示すの間のトレードオフを覚えておくことが重要です。シンナーのデバイスは、表1、22.3対25.7ミリアンペア/ cm 2で 2μmと3μmの厚さの細胞の結果によって示されるようにそれ自体電流が著しく低いですが、高い電流増強を示し、光トラップからより多くの恩恵を受ける。同様に、貧しい人々短波長（ "青"）応答（5に記載されているものなど）を持つ細胞は良好で細胞をより長い波長（ "赤"）応答に重要である、光トラップから相対的に高い強化している青応答が、後者は明らかに高い絶対的な現在のため、優れたトータル性能を持つことができます。太陽光発電の主な目標は、優れたperformiを作っているようngの太陽電池、優先順位は高い絶対的な電流ではなく、より高い電流増強につながる光トラッピング方法に与えられるべきである。
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Disclosures
利害の衝突が宣言されません。
Acknowledgments
CSGソーラーPty。株式会社ジン·ラオは、NSW副学長ポストドクトラルフェローシップの彼女の大学を認めてこの研究プロジェクトは、リンケージ助成金を介して、オーストラリアの研究評議会でサポートされています。 SEM画像は、NSW大学の電子顕微鏡ユニットから提供された機器を使用して、公園をJongsungで撮影されました。
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
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