Summary
Silício policristalino de película fina de células solares em vidro são fabricados pela deposição de boro e fósforo camadas de silício dopado seguido por cristalização passivação defeito, e metalização. Plasmonic luz aprisionamento é introduzido através da formação de nanopartículas de Ag na superfície da célula de silício tapado com um reflector difusa resultando em ~ reforço fotocorrente 45%.
Protocol
1. Fabricação de células solares de silício policristalino (Animação 3)
- Silicon deposição de filmes
- Preparar a ferramenta de evaporação de feixe-cozendo-o para fora a ~ 100 ° C durante a noite para atingir a pressão de base de <Torr 3E-8. Aquecedor a predefinição de exemplo para os 150 ° C de temperatura de espera.
- Use um substrato feito de 5x5 cm 2 (ou 10 x10 cm 2) substrato de borosilicato de vidro (Schott Borofloat33), 1,1 ou 3,3 mm de espessura, revestido com ~ 80 nm de nitreto de silício (preparado por PECVD a partir de N 2 e mistura SiH 4).
- Soprar a superfície do substrato com azoto seco para remover a poeira e colocá-lo em um suporte de amostra. Ventilar o bloqueio de carga, carregar a amostra, bombear a carga bloquear à pressão <Torr 1E5, e transferir a amostra para a câmara principal. Iniciar o aquecimento para o ponto de ajuste de 250 ° C. Bombear para cerca de 20 min, quando a pressão atinge-8E 8 Torr ou menos.
- Verificar se o dopanteobturadores fonte de origem e de o silício está fechado. Predefinidos temperaturas fonte dopante, para temperaturas de espera, ou seja, a temperatura da fonte de fósforo a 700 ° C e temperatura da fonte de boro a 1250 ° C. Iniciar e arma-e derreter o silício em um cadinho por aumentar lentamente a corrente e-gun.
- Quando a corrente necessária é alcançada (a partir da calibração anterior: esta corrente pode variar dependendo do e-gun e as condições fonte de Si) evaporar camadas de silício dopado com as necessárias concentrações de P e B: 35 nm emissor em 1E20 cm -3 de P ; 2 ~ absorvedor iM 3 a 5E15 -3 cm de B; 100 nm campo de volta à superfície (BSF) com 4E19 -3 cm de B. As concentrações exactas dopantes são conseguidos combinando as taxas de deposição certos Si, como medido por quartzo de cristal do Monitor (QCM), com certas temperaturas fonte dopantes, utilizando relações estabelecidas a partir da calibração SIMS.
- Após a evaporação é feito mudar o aquecedor desligado, esfriar a amostra para ~ 10 min. Transfer a amostra para a carga de bloqueio, fechar a válvula de gaveta, ventilar o bloqueio de carga e descarga da amostra com a película de silicone.
- Silicon cristalização
Se a amostra é 10x10 cm 2, ele pode ser cortado em quatro 5x5 cm 2 pedaços de tamanho de células antes da cristalização. Coloque um filme de silício depositados sobre vidro (Si película acima) em um suporte feito de rugosa e nitreto de silício revestido Schott Robax vidro (para evitar a aderência). Carga em uma estufa de azoto pré-aquecido a purgado 200-300 ° C. Rampa até a temperatura até 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min e recozimento durante 30 hr. Ligue o aquecedor de forno e deixe forno arrefecer naturalmente até ~ 200 ° C (2 ~ 3 hr) antes da descarga da amostra. A amostra pode ter uma forma côncava devido ao encolhimento de silício durante a cristalização. Vai achatar durante o processamento rápido a seguir térmica. - Ativação dos dopantes e defeito de recozimento (RTA)
Colocar a amostra com o filme cristalizou em um suporte feito de grafite pirolítica e load a um processador térmico rápido purgado com árgon. Rampa a temperatura até 600 ° C a 1 ° C / s, em seguida, até 1000 ° C a 20 ° C / s, mantenha durante 1 min, em seguida, arrefecer naturalmente até ~ 100 ° C e de descarregamento. - Remoção de óxido da superfície
Imediatamente antes da hidrogenação do óxido de superfície formada em um filme de silício durante a cristalização e RTA deve ser removido para garantir que a superfície da película nua silício é exposta a hidrogénio. Mergulha-se o recozido amostra em 5% de solução de HF até que a superfície de silício transforma hidrofóbico (30 ~ 100 s). Enxágüe com água deionizada e seque com uma arma de nitrogênio. - Passivação Defeito
Carregar a amostra em uma câmara de vácuo equipado com a fonte remota de hidrogénio plasma. Bombear até <1E-4 Torr, aquecer a amostra até ~ 620 ° C, ligar o argônio / fluxo da mistura de hidrogênio (50:150 sccm), defina pressão 50-100 mTorr, comece a fonte de plasma de 3,5 kW de a potência de microondas e continuar o processo para ~ 10 min. Desligar o aquecedor enquanto maintaIning o plasma para um outro min 10-15 até que a temperatura cai abaixo de 350 ° C antes de ligar o plasma fora e parar o fluxo de gás. Descarregar a amostra quando a temperatura está abaixo de 200 ° C. - Metalização de células
Metalização célula é conduzida de uma série de padrões fotolitográfico consecutivo, a deposição de filme Al e decapagem passos que são descritos em pormenor no 11. A célula final olha como mostrado no último slide da animação 3. Uma vista de perto da célula metalizada é mostrado na Fig. 1. - Medir EQE da célula metalizado.
2. Fabricação de nanopartículas Ag plasmonic (Animação 4)
- Soprar a superfície da célula metalizada com azoto seco para remover a poeira e carregar a amostra em um evaporador térmica contendo um barco W cheio com grânulos de Ag (0,3-0,5 g). Bombear para baixo da câmara de evaporador para a pressão base de 2 ~ 3E-5 Torr. QCM programa com parâmetros para Ag: Densidade 10,50e Z rácio 0,529.
- Assegure-se que o obturador da amostra é fechada, ligar o aquecedor barco W sobre e aumentar a corrente lentamente o suficiente para evitar aumento de pressão acima 8E-5 Torr até derreter grânulos Ag (como observado por meio de uma vista de porta-). Após a pressão estabiliza definir o atual até o ponto de referência correspondente a taxa de deposição de Ag de 0,1-0,2 Å / s (a partir da calibração) e abrir o obturador para iniciar o processo de deposição.
- Monitorar a espessura da película em crescimento Ag usando QCM e fechar o obturador quando a espessura de 14 nm é atingido. Permitir que o barco W esfriar por cerca de 15 min, retirar a amostra. A película deve ser recozido para formar nanopartículas logo após a deposição quanto possível para evitar a oxidação Ag.
- Uma célula com um filme de Ag recém depositado é colocada num forno purgado com azoto pré-aquecido a 230 ° C 0,1-0,2, recozidas durante 50 min e, em seguida descarregado. Note-se a alteração na aparência da superfície, devido à nanopartículas. Digitalização de imagem de microscopia eletrônica de nanopartículas de Ag é shown na fig. 2.
- Medir EQE da célula com a matriz de nanopartículas.
3. Fabricação do refletor traseiro
O refletor traseiro é constituído de aproximadamente 300 nm de espessura MgF 2 (RI 1,38) revestimento dielétrico com um revestimento de uma tinta teto branco comercial (Dulux).
- Antes de fabricar o reflector traseiro dos contactos celulares têm de ser protegidos por aplicação de uma tinta de marcador preto sobre eles, o que permite expor os contactos do âmbito do dieléctrico por um processo de elevação-off.
- Use uma pistola de nitrogênio para explodir a amostra com NP matriz e contatos pintados para remover a poeira. Use a pressão modesta nitrogênio e tenha cuidado para não fundir as nanopartículas de distância. Colocar a amostra para o evaporador térmica contendo um barco W preenchido com MgF 2 peças. Bombear o evaporador a uma pressão de 2 ~ Torr 3E-5. Definir parâmetros QCM para MgF 2: Densidade 3,05 e Z relação 0,637.
- Certifique-se que a amostra shutter é fechada, ligar o aquecedor do barco e, lentamente, aumentar a corrente para evitar aumento de pressão excessiva até MgF 2 derrete como pode ser visto através de uma visão porta. Após a pressão estabiliza definir o atual até o ponto de referência correspondente a MgF taxa de deposição de 2 de 0,3 nm / s e abrir o obturador da amostra.
- Monitorar a espessura depositados utilizando QCM e fechar o obturador quando 300 nm é atingido.
- Desligue o aquecedor. Permitir que o barco W esfriar por cerca de 15 min, retirar a amostra. Note-se a alteração na aparência da célula com o revestimento 2 FGM.
- Para remover a máscara de tinta a partir dos contactos celulares imergir a célula com o dieléctrico revestimento em acetona. Aguarde até que o dielétrico acima a tinta começa a rachar e levantando. Manter a célula em acetona até toda a tinta com o dieléctrico é removido e os contactos de metal são totalmente exposta. Retirar a amostra a partir de acetona, lavar com acetona fresca e seque com arma de nitrogênio.
- Aplicar uma camada de umtinta branca (Dulux tinta tecto One Coat-) com um pincel fino macio na superfície da célula inteira evitando cuidadosamente os contactos de metal. A camada de tinta tem de ser suficientemente espessa para ser completamente opaca (~ mm> 0,5), de modo que nenhuma luz pode ser visto quando se olha através da célula pintado na fonte de luz brilhante. Deixe a tinta secar por um dia.
- Medir EQE da célula com o reflector branco tinta traseira.
4. Os resultados representativos
A célula solar corrente de curto-circuito é calculada através da integração da curva EQE sobre o espectro padrão global solar (massa de ar de 1,5). Tanto a corrente da célula e do seu reforço devido à luz-aprisionamento de depender da espessura da camada de células de absorção: a corrente em si é mais elevada para as células mais espessas, mas o aumento de corrente é maior para os dispositivos mais finos, ver Tabela 1 para os respectivos dados e animação 5 para EQE curvas. Os originais 2 células mm de espessura, sem luz-caça com armadilhas, hav Jsc medido no passo 1.7.) de ~ 15 mA / cm 2. Após a fabricação de uma matriz de nanopartículas, JSC aumenta até cerca de 20 mA / cm 2, que é reforço 32%. É ligeiramente melhor do que o efeito de aumento de 25-30% pelo reflector traseira difusa só. Depois de adicionar o reflector traseira difusa no MgF 2 revestimento para a célula com a matriz de nanopartículas plasmonic, o Jsc é aumentada ainda mais para 22,3 mA / cm 2, ou o reforço de cerca de 45%. Note-se que para a célula iM 3 espessa todas as correntes são mais elevados, até 25,7 mA / cm 2, enquanto o aumento relativo é ligeiramente inferior, 42%: luz aprisionamento-tem um efeito relativamente maior em dispositivos mais finas.
| A espessura das células: | 2 micra | 3 mm | ||
| Jsc, mA / cm 2 | Jsc, mA / cm 2 | +% | ||
| célula original | 15,4 | 18,1 | ||
| Refletor difuso traseiro (R) | 20,1 | 30,5 | 21,5 | 18,8 |
| As nanopartículas (NP) | 20,3 | 31,8 | 21,9 | 21,0 |
| NP / MgF 2 / R | 22,3 | 45,3 | 25,7 | 42,0 |
Tabela 1. Plasmonic célula corrente de curto-circuito e seu reforço em comparação com célula original.
Figura 1. Vista Close-up de poli-Si células de película fina solar com grade de metalização.
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Figura 2. Scanning imagem de microscopia de electrões de nanopartículas de Ag na superfície de silício.
Figura 3. Uma vista esquemática de uma silício cristalino plasmonic película fina de células solares (não à escala).
Figura 4 eficiência quântica externa e de curto-circuito para os de silício policristalino película fina de células com refletor difuso e nanopartículas plasmonic: tracejada preta - original 2 mm de espessura cela sem luz-caça com armadilhas, Jsc 15,36 mA / cm 2, azul - célula. com refletor pintura difusa, Jsc 20,08 mA / cm 2; vermelho - célula com nanopartículas plasmonic Ag, Jsc 20,31 mA / cm 2; verde - celular com nanopartículas, MgF 2, e refletor pintura difusa, Jsc 2. Purple - 3 mm de espessura de células (em 3 de vidro mm de espessura) com nanopartículas, MgF 2, e reflector difusa, JSC 25,7 mA / cm 2 (notar menor resposta azul devido a diferenças não intencionais nas camadas AR ea espessura emissor). Sólido negro - 2 m de espessura célula texturizados preparado por plasma melhorada deposição de vapor químico (em 3 de vidro mm de espessura), JSC 26,4 mA / cm 2, mostrada para comparação.
Animação 1. Clique aqui para ver a animação .
Animação 2. Clique aqui para ver a animação .
Animação 3. Clique aqui para ver a animação.
4 Animação. Clique aqui para ver a animação .
Animação 5. Clique aqui para ver a animação .
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Discussion
Células solares de silício policristalino evaporado e as nanopartículas de dispersão da luz plasmônicos são os parceiros ideais para a luz-caça com armadilhas. Tais células são planas, portanto, eles não podem contar com espalhamento de luz a partir de superfícies texturizadas, nem pode ser facilmente plasmonic nanopartículas formadas em superfícies texturizadas. As células têm uma única superfície, traseira com silício diretamente exposta, o que também acontece a ser a melhor localização para a maioria das nanopartículas plasmonic eficaz de dispersão da luz. Além disso, o método mais fácil para a formação de nanopartículas por recozimento térmico também é o mais adequado para a luz-aprisionamento porque resulta em uma matriz de nanopartículas aleatória com um pico de ressonância largo entre 700 e 1000 nm, mais importante para a luz-aprisionamento de silício cristalino fino células de película. Enquanto as células funcionais são feitas, de fabricação do reflector plasmonic é relativamente simples e directo, tal como descrito nas secções anteriores. Uma complicação possível está relacionado com o facto de nanopartículas são formadas não só na superfície da célula de silício mas sobre o padrão de grade de metalização tão bem. Ela pode levar e não levar a manobra quando a cobertura da superfície de nanopartículas relativa é muito grande ou particularmente grandes nanopartículas são formadas por acaso. Para evitar célula manobras a cobertura deve ser mantida abaixo de 50% ea espessura da película precursora de ser mantida abaixo de ~ 20 nm, que é facilmente conseguida considerando-se que o processo padrão a partir da película precursora 14 nm, descrito acima, resulta em 30-35% cobertura.
Nanopartículas plasmonic por si, com o reforço ~ 30% JSC, são aproximadamente tão eficaz como tal, ou apenas ligeiramente melhor na dispersão da luz do que os reflectores difusas pigmentadas de pintura, ~ 25-30%, o que são os mais simples de aplicar. No entanto, enquanto que o desempenho de luz-aprisionamento dos reflectores de pintura difusas não pode ainda ser melhorada, as nanopartículas plasmonic têm uma possibilidade de ser complementada por os reflectores difusas colocado behind-los, resultando assim em significativamente maior reforço JSC, até 45%, do que por si só as nanopartículas. Este aprimoramento fotocorrente é o maior já demonstrada para planos cristalinos Si película fina de células, excedendo mais recentemente relataram melhora de 40% por um refletor de alta nanopartículas RI dielétrico 5. Além disso, o aumento fotocorrente ainda mais elevado, superior a 50%, deve ser possível com tais alta reflector RI um difusa de nanopartículas, como descrito em 5, em vez da tinta comercial branco.
No entanto, mesmo 45% reforço é de apenas cerca de metade do que é tipicamente conseguida em poli-Si fabricação células de película fina por PECVD em bem texturizadas superstrates, o que resulta em Jsc de cerca de 29 mA / cm 2 (~ reforço 90% em relação ao a célula de referência planar) 12. Existem duas principais razões para um desempenho muito melhor das células em superstrates texturizados. Em primeiro lugar, a reflexão a partir do frontal texturadasuperfície da célula é muito mais baixa do que a partir da superfície planar, resultando em mais luz que entra na célula gerando assim mais corrente. Propriedades anti-reflexo das células plasmonic com a superfície frontal plana precisa ser melhorado para fazer plasmonic luz-caça com armadilhas mais competitivo com texturização convencional. Em segundo lugar, quando duas interfaces de células permanecem planar e paralelas, uma fracção significativa de luz é reflectida internamente e especularmente dentro da célula (~ 17% em Si / vidro ou Si / MgF interface 2), sem ser dispersa por um ou outro reflector uma difusa ou nanopartículas. Isto manifesta-se na presença de franjas de interferência nos espectros de reflexão célula ou em curvas EQE de células planares com reflectores difusos ou plasmonic. Menos de espalhamento significa menos luz-caça com armadilhas acessório, portanto, menos atual. Células texturizadas onde a luz é bem espalhadas enquanto está a ser reflectida a não paralelas interfaces não têm franjas de interferência, como mostrado na curva de um EQE exemplo em Fig. 2.
Ao considerar reforço fotocorrente pelas nanopartículas plasmonic, bem como por outros meios aplicados ao lado de trás de células solares, como reflectores difusas, é importante lembrar um compromisso entre a alcançar elevados correntes absolutos ou demonstrando reforço corrente mais elevada. Dispositivos mais finas beneficiar mais da luz-aprisionamento, mostrando maior aumento de corrente, enquanto a corrente em si é significativamente mais baixa tal como demonstrado pelos resultados para 2 micra e 3 uM células de espessura da Tabela 1, 22,3 vs 25,7 mA / cm 2. Da mesma forma, as células com um comprimento de onda curto pobres ("blue") resposta (como os descritos em 5) têm aumento relativamente maior da luz-caça com armadilhas, que é importante para comprimento de onda ("vermelho") de resposta, que as células com uma boa resposta azul, mas este último pode, obviamente, ter um maior desempenho atual e, portanto, mais absoluto e total. Como um dos principais objectivos da energia fotovoltaica é uma melhor performing células solares, a preferência deve ser dada aos métodos de luz-caça com armadilhas que levam a maior corrente de absoluto, e não realce maior corrente.
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Este projeto de pesquisa apoiado pelo Conselho de Pesquisa australiano através da concessão de ligação com CSG Solar Pty. Ltd. Jing Rao reconhece a Universidade de NSW Fellowship Vice-Chanceler de Pós-Doutorado. MEV foram tiradas por Jongsung parque que usa o equipamento fornecido pela Unidade de Microscopia Eletrônica da Universidade de 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
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