Поликристаллического кремния тонкопленочные солнечные элементы с Плазмонных повышенной световой захвата

Summary

Поликристаллических кремниевых тонкопленочных солнечных элементов на стекло изготавливается путем осаждения бора и фосфора, легированных слоев кремния следует кристаллизации, пассивация дефектов и металлизации. Плазмонных свет захвата вводится путем формирования наночастиц серебра на поверхности кремния клетки ограничены с рассеянным отражатель в результате чего около 45% фототока аксессуара.

Protocol

1. Производство поликристаллического кремния, солнечных элементов (Анимация 3)

1. Кремний пленок
   1. Подготовка электронной лучевого испарения инструмент выпечке его на ~ 100 ° С в течение ночи, чтобы добраться до базы давление <3E-8 мм рт. Предустановленные образца нагревателя 150 ° C температура ожидания.
   2. Использование подложки из 5x5 см ² (или 10 х10 см ²⁾ подложки из боросиликатного стекла (Schott Borofloat33), 1,1 или 3,3 мм, покрытый с ~ 80 нм нитрида кремния (подготовленный ПХО от N ₂ и SiH ₄ смеси).
   3. Удар поверхности подложки с сухим азотом для удаления пыли и поместите его в держатель образца. Вентиляционные нагрузки замок, загрузка образца насоса нагрузки заблокировать под давлением <1E5 Торр, и передать образец основной камере. Запустите нагреватель уставка 250 ° C. Насос в течение 20 мин, когда давление достигает 8E-8 Торр и ниже.
   4. Убедитесь, что примесижалюзи источник и источник кремния закрыты. Предустановленные примеси температура источника в режим ожидания температур, т.е. температура фосфора источник при 700 ° С и температуре бор источник при 1250 ° C. Начать электронной пушки и расплавить кремния в тигель медленно растущих электронной пушкой тока.
   5. Когда требуемый ток достигает (от предыдущей калибровки: этот ток может меняться в зависимости от электронной пушки и условия Si источник) испаряются слоев кремния, легированных необходимой концентрации P и B: 35 нм излучатель на 1E20 см ^-3 Р , 2 ~ 3 мкм поглотителя 5E15 см ^-3 В, 100 нм обратно поверхности поля (ЧФ) в 4E19 см ^-3 Б. точные концентрации примесей достигается путем сопоставления определенных осаждения Si ставки, если судить по Кварцевый монитор (QCM), с определенной примеси температура источника, используя связи, установленные с калибровки SIMS.
   6. После испарения происходит переключение нагреватель, охладить образец для ~ 10 мин. Transфер образца нагрузку замок, закрыть затвор клапана, выход нагрузки замок и разгрузить образец пленки кремния.
2. Кремний кристаллизации
   Если образец 10х10 см ^2, то можно разрезать на четыре 5х5 см ^{2 шт} размер ячейки до кристаллизации. Поместите на хранение пленки кремния на стекле (Si фильм вверх) на держателе из шероховатой и нитрида кремния, покрытой Schott Robax стекла (чтобы избежать прилипания). Нагрузка на азот очищена печь, предварительно нагретую до 200-300 ° С. Нарастить температуру до 600 ° С на 3 ~ 5 ° С / мин и отжига в течение 30 часов. Поворот печь нагреватель и дайте печке остыть естественным ~ 200 ° C (2 ~ 3 часа) перед разгрузкой образца. Образец может иметь вогнутую форму за счет кремния усадки при кристаллизации. Это будет выравниваться в течение следующих быстрой термической обработки.
3. Примесей и дефектов активации отжига (RTA)
   Поместите образец кристаллизовался фильм на держателе из пиролитического графита и лOAD к быстрому процессору тепловой продували аргоном. Рампа температуре до 600 ° С на 1 ° С / с, а затем до 1000 ° C при 20 ° С / с, удерживая в течение 1 мин, затем охладить естественно до ~ 100 ° C и выгрузки.
4. Удаление поверхностных оксидов
   Непосредственно перед гидрирование поверхности окисла кремния на пленку во время кристаллизации и РТС должны быть удалены для того, чтобы голой поверхности пленки кремния подвергается воздействию водорода. Погрузитесь отожженного образца на 5%-ный раствор HF до поверхности кремния получается гидрофобный (30 ~ 100 с). Промойте дистиллированной водой и высушить с азотом пистолет.
5. Дефект пассивации
   Загрузка образца в вакуумной камере, оборудованной с удаленного источника водородной плазмы. Насос до <1E-4 тор, нагрев образцов до ~ 620 ° C, включите аргон / водород потока смеси (50:150 SCCM), установить давление 50-100 мторр, начните источника плазмы на 3,5 кВт СВЧ-мощности и продолжить процесс в течение ~ 10 мин. Включите нагреватель в то время как maintaining плазмы еще 10-15 мин, пока температура не падает ниже 350 ° C до поворота плазмы с и остановки потока газа. Выгрузка образца при температуре ниже 200 ° C.
6. Сотовые металлизации
   Сотовые металлизация проводится в серии последовательных фотолитографии рисунка, Al пленок и травления шагов, которые подробно описаны в ^11. Окончательный клетка выглядит, как показано в последнем слайде анимации 3. Крупным планом из металлизированной ячейки показана на рис 1.
7. Измерьте EQE из металлизированной клетки.

2. Изготовление плазмонных наночастиц Ag (анимация 4)

1. Удар металлизированной поверхности клетки с сухим азотом для удаления пыли и загрузки образца в испарителе теплового содержащие W лодка заполнена гранулами Ag (0,3-0,5 г). Откачки испарителя камеры к базовому давлению 2 ~ 3Е-5 мм рт. Программа QCM с параметрами для Ag: плотность 10,50и Z коэффициент 0,529.
2. Убедитесь, что образец затвор закрыт, включите обогреватель W лодке и увеличить текущие достаточно медленно, чтобы избежать повышения давления выше 8E-5 торр до Ag гранул расплава (как это наблюдается через представление-порт). После того, как давление стабилизируется установить тока уставки, соответствующих скорости осаждения Ag 0,1-0,2 A / S (с калибровкой) и открыть затвор, чтобы начать процесс осаждения.
3. Следить за растущей пленки Ag толщиной использованием QCM и закрыть затвор при толщине 14 нм достигается. Позвольте лодке W остыть в течение примерно 15 мин, выгрузка образца. Пленка должна быть отжигали для формирования наночастиц сразу после нанесения, чтобы избежать окисления серебра.
4. Ячейки с свежеосажденной фильм Ag помещается в азоте очищена печь нагревается до 230 0,1-0,2 ° С, отжиг в течение 50 минут, а затем выгружается. Обратите внимание на изменение внешнего вида за счет наночастиц. Сканирующей электронной микроскопии изображение наночастиц серебра является сеш на рис. 2.
5. Измерьте EQE клетки с наночастицами массива.

3. Изготовление задней отражатель

Задний отражатель состоит из ~ 300 нм MgF ₂ (RI 1.38) диэлектрической оболочки с пальто коммерческой белой краской потолок (Dulux).

1. До изготовления задних отражатель клетки контакты должны быть защищены путем применения черных чернил на них маркер, который позволяет подвергая контакты из-под диэлектрика старт процессу.
2. Использование азота пистолет удар образца с НП массив и окрашенные контакты, чтобы удалить пыль. Используйте скромный давление азота и соблюдайте осторожность, чтобы не взорвать наночастиц далеко. Поместите образец в испарителе теплового содержащие W лодка заполнена MgF _{2 шт.} Откачки испарителя давление 2 ~ 3Е-5 мм рт. Установите параметры QCM MgF _2: Плотность 3.05 и Z соотношение 0,637.
3. Убедитесь, что образец шторкойг закрыты, включите обогреватель и лодка медленно увеличивать ток, чтобы избежать чрезмерного повышения давления до MgF ₂ тает, как видно по тем-порт. После того, как давление стабилизируется установить тока уставки, соответствующих MgF ₂ скорость осаждения 0.3 нм / с и открыть образец выдержки.
4. Следить за хранение толщины, используя QCM и закрыть затвор при 300 нм достигается.
5. Выключите обогреватель. Позвольте лодке W остыть в течение примерно 15 мин, выгрузка образца. Обратите внимание на изменения в клетке с появлением MgF ₂ оболочки.
6. Для удаления чернил маски из клетки контакты погрузиться ячейки с диэлектрической оболочки на ацетон. Подождите, пока диэлектрической выше чернил начинается растрескивание и отрывая. Держите ячейку в ацетоне, пока все чернила с диэлектрической удаляется, а металлические контакты полностью раскрыты. Удаление образца с ацетоном, промойте пресной ацетон и просушите азотом пистолет.
7. Нанесите слойбелой краски (Dulux Одно-Coat потолок краской) с тонкой мягкой кисточкой по всей поверхности клетки тщательно избегая соприкосновения металлических контактов. Красочный слой должен быть достаточно толстым, чтобы быть полностью непрозрачным (~> 0,5 мм), так что без света можно увидеть при просмотре через окрашенные клетки на яркий источник света. Пусть сохнет краска на один день.
8. Измерьте EQE клетки с белым отражателем задней краской.

4. Представитель Результаты

Солнечных батарей ток короткого замыкания вычисляется путем интегрирования EQE кривой по сравнению со стандартной глобального солнечного спектра (воздушная масса 1.5). Обе клетки тока и его усиление за счет захвата света зависит от толщины слоя поглотителя ячейки текущего себя выше для толстых клеток, но текущее повышение выше для более тонких устройств, см. таблицу 1 для соответствующих данных и анимация 5 EQE кривых. Оригинальный 2 мкм клетки, без света захвата, чПр АО измеряется в шаге 1.7.) ~ 15 мА / см ^2. После изготовления наночастиц массив, ОАО возрастает до 20 мА / см ^2, что на 32% повышение. Это немного лучше, чем усиление эффекта на 25-30% на заднюю диффузный отражатель только. После добавления задней диффузный отражатель на MgF ₂ оболочки в камеру с плазмонных массивов наночастиц, ОАО дальнейшем увеличении до 22,3 мА / см ^2, или около 45% повышения. Обратите внимание, что за 3 мкм клетки все токи выше, вплоть до 25,7 мА / см ^2, а относительное увеличение немного ниже 42%: светло-захвата имеет сравнительно больший эффект в более тонких устройств.

Сотовые толщина:	2 мкм		3 мкм
	ОАО мА / см 2	Чонг> +%	ОАО мА / см 2	+%
оригинальные клетки	15,4		18,1
Задний отражатель диффузного (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Наночастицы (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Таблица 1. Плазмонных клетки токов короткого замыкания и его повышение по сравнению с оригинальной клетки.

Рисунок 1. Крупным планом поли-Si тонкопленочные солнечные элементы с металлизацией сетки.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Сканирующей электронной микроскопии изображение наночастиц серебра на поверхности кремния.

Рисунок 3. Схематический вид плазмонных кристаллического кремния тонкопленочных солнечных элементов (не в масштабе).

Рисунок 4 внешних квантовой эффективности и ток короткого замыкания для поликристаллического кремния тонкопленочных ячеек с диффузным отражателем и плазмонных наночастиц: штрих-черный - оригинал 2 мкм ячейке без света захвата, ОАО 15,36 мА / см ^2, синий - клетки. с диффузным отражателем краски, ОАО 20,08 мА / см ^2, красный - клетки с наночастицами Ag плазмонных, ОАО 20,31 мА / см ^2, зеленый - клетки с наночастицами, MgF ₂ и диффузный отражатель краски, ОАО 2. Фиолетовый - 3 мкм клетки (на 3 мм, стекло) с наночастицами, MgF ₂ и диффузный отражатель, ОАО 25,7 мА / см ² (обратите внимание на нижнюю синий ответ от непреднамеренных различий в слоях АР и эмиттером толщины). Сплошной черный - 2 мкм текстурированной клетки подготовленных плазмы расширения химического осаждения паров (на 3 мм стекла), ОАО 26,4 мА / см ^2, показаны для сравнения.

Анимация 1. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Анимация 2. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Анимация 3. Щелкните здесь для просмотра анимации.

Анимация 4. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Анимация 5. Щелкните здесь для просмотра анимации .

Discussion

Сгущенное поликристаллических кремниевых солнечных элементов и рассеяния света плазмонные наночастицы являются идеальными партнерами для легкого захвата. Такие клетки являются плоскими, поэтому они не могут рассчитывать на рассеяния света от текстурированных поверхностей, не может плазмонных наночастиц легко формируется на текстурированной поверхности. Клетки имеют только один, задней поверхности с прямой контакт кремния, который также, случается, лучшее место для наночастиц наиболее эффективных плазмонных рассеяния света. Более того, самый простой способ для формирования наночастиц путем термического отжига также является наиболее подходящим для легкого захвата, потому что это приводит к случайным массивов наночастиц с широким резонансного пика между 700 и 1000 нм, наиболее важных для захвата света в кристаллическом кремнии тонким Фильм клеток. До тех пор, как функциональные клетки сделаны, изготовление плазмонных отражателя относительно простым и ясным, как описано в предыдущих разделах. Возможные осложнения, связанные с тем, что наночастицы образуются не только на поверхности клетки кремния, но за образец металлизации сетки, а также. Это может привести и иногда не приводят к шунтированию, когда наночастицы относительное покрытие поверхности слишком большой и особо большой наночастицы кстати сформирована. Чтобы избежать клетки маневровых покрытия должна быть ниже 50%, а толщина предшественник фильм быть ниже ~ 20 нм, что легко достигается, учитывая, что стандартный процесс с 14 нм предшественником фильм, описанные выше, приводят к 30-35% покрытие.

Плазмонных наночастицы сами по себе, с ~ 30% АО повышение, примерно так эффективно, как, или чуть лучше рассеяния света, чем пигментированные отражатели диффузный краски, ~ 25-30%, которые являются наиболее простыми в применении. Однако, в то время как свет захвата производительность диффузного отражателя краски не могут быть улучшены, плазмонные наночастицы имеют возможность быть дополнены диффузными отражателями размещены бehind их, в результате чего значительно выше, АО повышение до 45%, чем наночастицы в одиночку. Этот фототок повышение является самым высоким когда-либо продемонстрировала для плоских кристаллических Si тонкопленочных ячеек, превышающих наиболее недавно сообщили 40% повышения высокой диэлектрической RI наночастиц отражатель ^5. Более того, даже выше фототок повышения, более 50%, должна быть возможность с такой высокой RI наночастиц диффузным отражателем, как это описано в ^5, а не коммерческий белой краской.

Тем не менее, даже 45% увеличение составляет лишь около половины того, что обычно достигается в поли-Si тонкопленочные изготовления клеток PECVD на хорошо текстурированной superstrates, в результате чего АО около 29 мА / см ² (~ 90% увеличение по сравнению с ссылка плоских клеток) ^12. Есть две основные причины гораздо более высокую производительность клеток на текстурированной superstrates. Во-первых, отражение от передней текстурированныеповерхности клетки намного ниже, чем от плоской поверхности в результате чего более света, поступающего в клетки таким образом производя больше тока. Просветляющее свойства плазмонных клеток с плоской передней поверхности должны быть улучшены, чтобы плазмонных свет захвата более конкурентоспособными с обычными текстурами. Во-вторых, когда два интерфейса клетки остаются плоскими и параллельными, значительная часть света внутри, так и зеркально отраженной в клетке (~ 17% Si / стекла или Si / MgF ₂ интерфейса) без рассеяния либо диффузным отражателем или наночастиц. Это проявляется в наличии интерференционных полос в спектрах отражения клетке или в EQE кривых плоских клеток с диффузным или плазмонных отражателей. Менее рассеяния, тем меньше света захвата, поэтому меньший ток аксессуара. Текстурированные клетки, где свет и рассеянных в то время как отражается на не-параллельных интерфейсов нет интерференционных полос, как показано на примере кривой EQE в Fрис. 2.

При рассмотрении фототока повышение по плазмонных наночастиц, а также другие средства, применяемые в задней части солнечных батарей, как диффузные отражатели, важно помнить, компромисс между достижением выше абсолютного тока или демонстрируют более высокий ток аксессуара. Растворитель устройств больше пользы от светло-захвата, показывая больший ток повышение, а сам ток значительно ниже, о чем свидетельствуют результаты 2 мкм и толщиной 3 мкм клеток в 1 таблице, 22,3 против 25,7 мА / см ^2. Кроме того, клетки с плохой короткой длиной волны ("синий"), ответ (как описано в ^5), имеют относительно высокие повышение от светло-захвата, что очень важно для большей длиной волны («красный») ответ, чем клетки с хорошей синий ответ, но последний, очевидно, имеют более высокий абсолютный ток и, следовательно, лучше общую производительность. В одной из основных целей фотоэлектрические делает лучше performiнг солнечных батарей, предпочтение должно быть отдано на свет захвата методы, ведущие к увеличению абсолютных токов, не выше текущих аксессуара.

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)