Polykrystallinsk silisium Thin-film solceller med plasmonic forbedret lys-fangst

Summary

Krystallinske silisium tynn-film solceller på glass er fabrikkert av deponering av boron og fosfor dopet silisium lag etterfulgt av krystallisering, defekt passivisering og metallisation. Plasmonic lys-trapping introduseres ved å danne Ag nanopartikler på silisium celleoverflaten avkortet med et diffust reflektor resulterer i ~ 45% photocurrent ekstrautstyr.

Protocol

1. Fabrikasjon av krystallinske silisium solceller (Animasjon 3)

1. Silicon film deponering
   1. Klargjør e-bjelke fordampning verktøy ved å bake den ut på ~ 100 ° C over natten for å nå bunnen trykket <3E-8 Torr. Preset prøven varmeren til 150 ° C standby temperatur.
   2. Bruk et substrat laget av 5x5 cm ² (eller 10 x10 cm ²⁾ substrat borsilikatglass (Schott Borofloat33), 1.1 eller 3.3 mm tykk, belagt med ~ 80 nm silisiumnitrid (utarbeidet av PECVD fra N ₂ og SIH ₄ blanding).
   3. Blås overflaten av underlaget med tørr nitrogen for å fjerne støv og plassere det inn i en prøve holderen. Luft lasten låsen, laste prøven, pumpe lasten-låse ned til trykket <1E5 Torr, og overføre prøven til hoved kammer. Start varmeren til set-punkt på 250 ° C. Pump i ca 20 min når trykket når 8E-8 Torr eller lavere.
   4. Sjekk at dopantkilde og silisium kilde skodder er stengt. Forhåndsinnstilte dopant kilde temperaturer til standby-temperatur, dvs. fosfor kilden temperaturen på 700 ° C og bor kilde temperatur på 1250 ° C. Start e-gun og smelte silisium i en smeltedigel av sakte å øke e-gun strøm.
   5. Når ønsket strøm er nådd (fra forrige kalibrering: denne strømmen kan variere avhengig av e-gun og Si kilde forholdene) fordampe silisium lag dopet med de nødvendige konsentrasjonen av P og B: 35 nm emitter på 1E20 cm ^-3 av P ; 2 ~ 3 mikrometer absorber ved 5E15 cm ^-3 av B, 100 nm bak overflaten feltet (BSF) i 4E19 cm ^-3 av B. De eksakte dopant konsentrasjoner oppnås ved å matche visse Si smelteffekter, målt ved Quartz Crystal Monitor (QCM), med visse dopant kilde temperaturer, med relasjoner etablerte fra SIMS kalibrering.
   6. Etter fordampning er gjort slå varmeapparatet av, kjøle ned prøven for ~ 10 min. TransPer prøven til belastningen-lock, lukker porten-ventil, ventiler lasten låsen og ta ut prøven med silisium filmen.
2. Silicon krystallisasjon
   Dersom prøven er 10x10 cm ^2, kan det kuttes i fire 5x5 cm ² Cellestørrelse stykker før krystallisering. Plasser en avsatt silisium film på glass (Si film opp) på en tråd laget av ru og silisiumnitrid belagt Schott Robax glass (for å unngå å stikke). Load inn en nitrogen renset ovnen forvarmet til 200-300 ° C. Rampe opp temperaturen opp til 600 ° C ved 3 ~ 5 ° C / min og anneal for 30 hr. Slå av ovnen ovnen og la ovnen kjøle seg ned naturlig til ~ 200 ° C (2 ~ 3 timer) før lossing prøven. Prøven kan ha en konkav form på grunn av silisium krymping under krystallisering. Det vil flate under følgende rask termisk prosessering.
3. Dopant aktivisering og feil annealing (RTA)
   Plasser prøven med krystallisert filmen på en tråd laget av pyrolytisk grafitt og lOAD til en rask termisk prosessor renset med argon. Rampe temperaturen opp til 600 ° C ved 1 ° C / s, deretter opp til 1000 ° C ved 20 ° C / s, hold i 1 min så avkjøles naturlig til ~ 100 ° C og losse.
4. Surface oksid fjerning
   Umiddelbart før hydrogenering overflaten oksid dannet på silisium filmen under krystallisasjon og RTA må fjernes for å sikre at bare silisium filmens overflate er utsatt for hydrogen. Dypp annealed prøven i 5% HF løsning inntil silisium overflate blir hydrofobe (30 ~ 100 s). Skyll med avionisert vann og tørk med en nitrogen pistol.
5. Defekt passivisering
   Legg prøven i et vakuum kammer utstyrt med fjernkontrollen hydrogen plasma kilde. Pumpe ned til <1E-4 Torr, varme opp prøven opp til ~ 620 ° C, skru på argon / hydrogen blandingen flow (50:150 SCCM), setter press 50-100 mTorr, starter plasma kilden til 3,5 kW av mikrobølgeovnen kraft og fortsette prosessen for ~ 10 min. Slå varmeapparatet av mens maintaining plasma for en annen 10-15 min til temperaturen faller ned under 350 ° C før du slår plasma av og stoppe gasstrømmen. Unload prøven når temperaturen er under 200 ° C.
6. Cell metallisation
   Cell metallisation gjennomføres i en rekke fortløpende fotolitografisk mønster, Al film avsetning og etsing trinn som er beskrevet i detaljer i ^11. Den endelige celle ser ut vist i det siste lysbildet av animasjon tre. Et nærbilde av metallisert cellen er vist i figur 1.
7. Mål EQE av metallisert cellen.

2. Fabrikasjon av plasmonic Ag Nanopartikkel (Animasjon 4)

1. Blås i metallisert celleoverflaten med tørr nitrogen for å fjerne støv og laste prøven i en termisk fordamperen inneholder en W båt fylt med Ag granulater (0,3 til 0,5 g). Pump ned fordamperen kammeret til basen presset av to ~ 3E-5 Torr. Program QCM med parametere for Ag: Tetthet 10.50og Z ratio 0.529.
2. Sørg for at prøven lukkeren er lukket, skru W båten ovnen på og øke dagens sakte nok til å unngå trykkstigning over 8E-5 Torr til Ag granulat smelte (som observeres gjennom en view-port). Etter press stabiliserer sette gjeldende til den innstilte punkt som tilsvarer den Ag deponering frekvensen av 0,1 til 0.2 A / S (fra kalibrering) og åpne lukkeren for å starte avsetning prosessen.
3. Overvåk voksende Ag filmtykkelse hjelp QCM og lukke lukkeren når tykkelsen av 14 nm er nådd. La W båten avkjøles i ca 15 min, losse prøven. Filmen skal glødet å danne nanopartikler så snart etter nedfall som mulig for å unngå Ag oksidasjon.
4. En celle med en fersk deponert Ag film er plassert i en nitrogen renset ovnen forvarmes til 230 0,1 til 0,2 ° C, glødet for 50 min, og deretter losset. Merk endringen i overflaten utseende på grunn av nanopartikler. Scanning elektronmikroskop bilde av Ag nanopartikler er shoWN i fig. 2.
5. Mål EQE av cellen med nanopartikler array.

3. Fabrikasjon av bakrefleksen

Den bakre reflektoren består av ~ 300 nm tykke MGF ₂ (RI 1,38) dielektrisk kledning med ett lag med en kommersiell hvitt tak maling (Dulux).

1. Før fabrikere den bakre reflektoren cellen kontaktene må beskyttes ved å bruke en svart markør blekk på dem, som lar utsette kontaktene fra under dielektriske av heis-off prosess.
2. Bruk nitrogen pistol til å blåse prøven med NP utvalg og malte kontakter for å fjerne støv. Bruk beskjeden nitrogen press og mosjon forsiktighet for ikke å blåse nanopartikler unna. Plasser prøven i den termiske fordamperen inneholder en W båt fylt med MGF ₂ stk. Pump ned fordamperen til press av 2 ~ 3E-5 Torr. Sett QCM parametere for MGF _2: Tetthet 3,05 og Z ratio 0.637.
3. Sørg for at prøven shutter er stengt, slå på båten ovnen og langsomt øke den nåværende for å unngå overdreven trykkstigning til MGF _to smelter som sett gjennom en view-port. Etter trykket stabiliserer sette gjeldende til den innstilte punkt som tilsvarer den MGF ₂ deponering rate på 0,3 nm / s og åpne prøven lukkeren.
4. Overvåk deponeres tykkelse ved hjelp QCM og lukke lukkeren når 300 nm er nådd.
5. Slå av varmeovnen. La W båten avkjøles i ca 15 min, losse prøven. Merk endringen i cellen utseende med MGF _to kledning.
6. For å fjerne blekket maske fra cellen kontaktene senk cellen med dielektrikum kledning i aceton. Vent til den dielektriske over blekket begynner sprekker og løfte. Hold cellen i aceton før alt blekket med dielektrisk er fjernet og metallkontaktene er fullt eksponert. Ta prøven fra aceton, skyll med frisk aceton og tørker med nitrogen pistol.
7. Påfør et lag av enhvit maling (Dulux One-Coat tak maling) med en fin myk børste på hele celleoverflaten nøye unngå metallkontaktene. Malingen laget må være tykk nok til å være helt ugjennomsiktig (~> 0,5 mm), slik at ikke lys kan sees når du ser gjennom den malte cellen i lys lyskilde. La malingen tørke for en dag.
8. Mål EQE av cellen med den hvite malingen bak reflektor.

4. Representative Resultater

Solcellen kortslutningsstrøm beregnes ved å integrere EQE bue over standard globale solspektret (luftmassen 1.5). Både cellen nåværende og dens ekstrautstyr grunnet lys-trapping avhenge cellen absorber tykkelse: gjeldende selv er høyere for tykkere celler, men denne utvidelsen er høyere for tynnere enheter, se tabell 1 for de respektive data og animasjon 5 for EQE kurver. De opprinnelige 2 mikrometer tykke celler, uten lys-fangst, have JSC målt i trinn 1.7.) av ~ 15 mA / cm ^2. Etter fabrikasjon av en nanopartikkel array, øker JSC opp til ca 20 mA / ² cm, som er 32% forbedring. Det er litt bedre enn den forbedringen effekten av 25-30% av den bakre diffuse reflektoren bare. Etter å legge bak diffuse reflektoren på MGF _to kledning til cellen med plasmonic nanopartikler array, er JSC økt ytterligere til 22,3 mA / cm ^2, eller ca 45% forbedring. Merk at for 3 mikrometer tykk celle alle strømmene er høyere, opp til 25,7 mA / cm ^2, mens den relative forbedringen er noe lavere, 42%: lys-fangst har en relativt større effekt på tynnere enheter.

Cell tykkelse:	2 mikrometer		3 mikrometer
	JSC, mA / cm 2	Trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
opprinnelige cellen	15,4		18,1
Bak diffus refleks (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanopartikler (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MGF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabell 1. Plasmonic celle kortslutningsstrømmen og forbedring i forhold til opprinnelige cellen.

Figur 1. Nærbilde av poly-Si tynn-film solcelle med metallisation rutenett.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figur 2. Skanning elektron mikroskopi bilde av Ag nanopartikler på silisium overflaten.

Figur 3. En skjematisk visning av en plasmonic krystallinsk silisium tynn-film solcelle (ikke i målestokk).

Figur 4 Ekstern Quantum effektiviteten og kortslutningsstrøm for de krystallinske silisium tynn-film celler med diffuse reflektoren og plasmonic nanopartikler: stiplet svart - original 2 mikrometer tykk celle uten lys-fangst, JSC 15,36 mA / cm ^2, blå - celle. med diffus maling reflektor, JSC 20,08 mA / cm ^2, rød - celle med plasmonic Ag nanopartikler, 20.31 JSC mA / cm ^2, grønn - celle med nanopartikler, ₂ MGF, og diffuse maling reflektor, JSC 2. Purple - 3 mikrometer tykk celle (på 3 mm tykt glass) med nanopartikler, MGF _2, og diffus refleks, 25,7 JSC mA / cm ² (merk lavere blå respons på grunn av utilsiktede forskjeller i AR lagene og emitter tykkelse). Solid svart - 2 mikrometer tykk tekstur celle utarbeidet av plasma forbedret kjemisk damp nedfall (på 3 mm tykt glass), 26,4 JSC mA / ² cm, som er vist for sammenligning.

Animasjon en. Klikk her for å vise animasjon .

Animasjon to. Klikk her for å vise animasjon .

Animasjon tre. Klikk her for å vise animasjon.

Animasjon 4. Klikk her for å vise animasjon .

Animasjon 5. Klikk her for å vise animasjon .

Discussion

Oppløste krystallinske silisium solceller og lys-spredning plasmonic nanopartikler er ideelle partnere for lys-fangst. Slike celler er plane, dermed er de ikke kan stole på lys-spredning fra teksturerte overflater, kan heller plasmonic nanopartikler lett dannes på strukturerte overflater. Cellene har bare ett bak overflaten med direkte eksponert silisium, som også skjer for å være den beste nanopartikkel stedet for mest mulig effektiv plasmonic lys-spredning. Dessuten er den enkleste metoden for nanopartikler dannelse av termisk annealing også den mest passende for lys-trapping fordi det resulterer i en tilfeldig nanopartikkel array med en bred resonans topp mellom 700 og 1000 nm, det viktigste for lys-fangst i krystallinsk silisium tynn- film celler. Så lenge funksjonelle celler lages, er fabrikasjon av plasmonic reflektoren forholdsvis enkel og grei som beskrevet i tidligere kapitler. En mulig komplikasjon er knyttet til at nanopartikler dannes ikke bare på silisium celleoverflaten, men over metallisation rutenett mønster også. Det kan føre og fører noen ganger til skifting når nanopartikkel relative overflaten dekningen er for stor eller spesielt store nanopartikler er forresten dannet. For å unngå celle skifting dekningen bør ligge under 50% og forløperen filmtykkelse holdes under ~ 20 nm, noe som er enkelt å oppnå vurderer at standarden prosessen fra 14 nm forløperen film, beskrevet ovenfor, resulterer i 30-35% dekning.

Plasmonic nanopartikler av seg selv, med ~ 30% JSC ekstrautstyr, er omtrent like effektive som, eller bare litt bedre på lys-spredning enn pigmenterte maling diffuse reflektorer, ~ 25-30%, som er de enkleste å bruke. Men mens lys-fangst ytelsen til de diffuse maling reflektorene ikke kan ytterligere forbedres, plasmonic nanopartikler har en muligheten til å bli komplimentert av diffuse reflektorer plassert behind dem, noe som resulterer i betydelig høyere JSC ekstrautstyr, opp til 45%, enn av nanopartikler alene. Dette photocurrent ekstrautstyret er den høyeste noensinne demonstrert for planar krystallinske Si tynn-film celler, over de sist rapporterte 40% forbedring av en høy RI dielektrisk nanopartikkel reflektor ^5. Videre enda høyere photocurrent ekstrautstyr, høyst 50%, bør være mulig med en så høy RI nanopartikler diffus refleks, som beskrevet i ^5, i stedet for den kommersielle hvitmaling.

Men er enda 45% forbedring bare omtrent halvparten av hva som er typisk oppnådd i poly-Si tynn-film celler fabrikasjon av PECVD på godt strukturerte superstrates, noe som resulterer i JSC på ca 29 mA / cm ² (~ 90% forbedring i forhold til referansen Planar cellen) ^12. Det er to viktige grunner til mye bedre ytelse av cellene på teksturerte superstrates. For det første refleksjon fra den teksturerte forsidencelleoverflaten er mye lavere enn fra den plane overflaten resulterer i mer lys inn i cellen og dermed generere mer strøm. Antireflection egenskaper plasmonic celler med planar fremsiden må forbedres for å gjøre plasmonic lys-trapping mer konkurransedyktig med konvensjonell teksturering. Andre, når to celler grensesnitt forblir plane og parallell, er en betydelig andel av lys internt og specularly reflektert i cellen (~ 17% ved SI / glass eller Si / MGF _to grensesnitt) uten å bli spredt av enten en diffus refleks eller nanopartikler. Dette manifesterer seg i nærvær av interferens frynser i cellen refleksjon spektra eller i EQE kurver av plane celler med diffuse eller plasmonic reflektorer. Mindre spredning betyr mindre lys-fangst, derfor mindre strøm ekstrautstyr. Teksturerte celler der lyset er godt spredt mens de har vært reflektert på ikke-parallelle grensesnitt har ikke forstyrrelser frynser som vist i et eksempel EQE kurve i Fig. 2.

Når du vurderer photocurrent forbedring av plasmonic nanopartikler, samt på annen måte brukes på baksiden av solceller, som diffuse reflektorer, er det viktig å huske en trade-off mellom oppnå høyere absolutte strøm eller demonstrere høyere strøm ekstrautstyr. Tynnere enheter mer nytte av lys-fangst, viser høyere strøm ekstrautstyr, mens dagens seg selv er vesentlig lavere som demonstrert av resultatene for 2 mikrometer og 3 mikrometer tykke celler i en tabell, 22,3 vs 25,7 mA / cm ^2. Tilsvarende cellene med en dårlig kort bølgelengde ("blå") respons (som de er beskrevet i ^fem) har relativt høyere forbedring fra lys-fangst, noe som er viktig for lengre bølgelengde ("rød") respons, enn celler med en god blå respons, men sistnevnte kan selvsagt ha en høyere absolutt aktuell, og dermed bedre total ytelse. Som et hovedmål med solceller gjør bedre performing solceller, bør preferanse gis til lys-fangstanleggene metoder som fører til høyere absolutte strømninger, ikke høyere strøm ekstrautstyr.

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)