De silicio policristalino película delgada de células solares con plasmónica mejorada luz que atrapa

Summary

Policristalinos de silicio de película delgada de células solares sobre vidrio se fabrican por la deposición de capas de boro y fósforo de silicio dopadas seguido por pasivación defecto de cristalización, y metalización. Plasmónica luz que atrapa se introduce mediante la formación de nanopartículas de Ag en la superficie celular de silicio tapado con un reflector difuso que resulta en la mejora ~ fotocorriente 45%.

Protocol

1. Fabricación de células solares de silicio policristalino (Animación 3)

1. Silicio deposición de película
   1. Preparar la herramienta evaporación por haz de electrones por hornearlo a cabo a ~ 100 ° C durante la noche para llegar a la presión de base de <3E-8 Torr. Preajuste de la muestra del calentador a la temperatura de 150 ° C en espera.
   2. Utilizar un sustrato hecho de 5x5 cm ² (o 10 x 10 cm ²⁾ substrato de vidrio de borosilicato (Schott Borofloat33), 1,1 o 3,3 mm de espesor, revestidas con ~ 80 nm de nitruro de silicio (preparado por PECVD a partir de N ₂ y la mezcla de SiH _4).
   3. Restos de la superficie del sustrato con nitrógeno seco para quitar el polvo, ponerlo en un soporte de la muestra. Ventile el bloqueo de carga, la carga de la muestra, la bomba de la carga, bloquear a la presión <Torr 1E5, y transferir la muestra a la cámara principal. Inicie el calentador para la puesta a punto de 250 ° C. La bomba durante aproximadamente 20 minutos cuando la presión alcanza 8E-8 Torr o inferior.
   4. Compruebe que el dopantepersianas de origen y la fuente de silicio están cerrados. Prefijados temperaturas fuente dopantes a temperaturas de espera, es decir, la temperatura de la fuente de fósforo a 700 ° C y temperatura de la fuente de boro a 1250 ° C. Empezar electrónico pistola y se funden en un crisol de silicio aumentando lentamente la corriente de e-pistola.
   5. Cuando la corriente requerida se alcanza (a partir de calibración previa: esta corriente puede variar dependiendo de la dirección de la pistola y las condiciones de origen silicio) se evaporan con capas de silicio dopado con las concentraciones requeridas de P y B: 35 nm en el emisor 1E20 cm ^-3 de P ; 2 ~ 3 micras, con absorbedor 5E15 ^-3 cm de B; 100 nm superficie trasera campo (FBS) al 4E19 ^-3 cm de B. Las concentraciones exactas de dopado se logran haciendo coincidir ciertas velocidades de deposición de Si, medida por cristal de cuarzo monitor (QCM), con ciertas temperaturas de origen dopantes, con relaciones que se establecen a partir de calibración SIMS.
   6. Después de la evaporación se hace cambiar el calentador, enfríe la muestra durante ~ 10 minutos. Transfer la muestra a la carga de bloqueo, cierre la puerta de válvula, purgar el bloqueo de carga y descarga de la muestra con la película de silicio.
2. Silicio cristalización
   Si la muestra es de 10x10 cm ^2, se puede cortar en cuatro 5x5 cm ² piezas de tamaño de células antes de la cristalización. Colocar una película de silicio depositadas sobre vidrio (película de Si arriba) sobre un soporte hecho de rugosa y de nitruro de silicio recubierto de vidrio Schott Robax (para evitar la adherencia). Cargar en un horno purgado con nitrógeno precalentado a 200-300 ° C. Rampa hasta la temperatura hasta 600 ° C a 3 ~ 5 ° C / min y recocido durante 30 horas. Gire a la del calentador de horno y deje enfriar el horno de forma natural a ~ 200 ° C (2 ~ 3 horas) antes de descargar la muestra. La muestra puede tener una forma cóncava debido a la contracción de silicio durante la cristalización. Se aplanan durante el siguiente proceso de cocción rápida.
3. Activación del dopante y el defecto de recocido (RTA)
   Colocar la muestra con la película cristalizó en un soporte de grafito pirolítico y load a un procesador térmico rápido se purgó con argón. Rampa la temperatura hasta 600 ° C a 1 ° C / s, a continuación, hasta 1000 ° C a 20 ° C / s, mantener durante 1 min y después enfriar naturalmente a ~ 100 ° C y descarga.
4. Superficie eliminación de óxido
   Inmediatamente antes de la hidrogenación del óxido de la superficie formada en una película de silicio durante la cristalización y RTA debe ser eliminado para garantizar que la superficie de silicio de película queden expuestos al hidrógeno. Sumergir la muestra recocida en 5% de solución de HF hasta que la superficie de silicio se convierte hidrófobo (30 ~ 100 s). Enjuague con agua desionizada y seque con una pistola de nitrógeno.
5. Defecto de pasivación
   Cargar la muestra en una cámara de vacío equipado con la fuente de plasma de hidrógeno a distancia. De la bomba hasta <1E-4 Torr, calentar la muestra hasta ~ 620 ° C, encender el argón / flujo de la mezcla de hidrógeno (50:150 SCCM), ajustar la presión de 50-100 mTorr, inicie la fuente de plasma de 3,5 kW de la potencia de microondas y continuar el proceso de ~ 10 min. Apague el calentador cuando maintanando el plasma para otro 10-15 minutos hasta que la temperatura cae por debajo de 350 ° C antes de encender el plasma fuera y detener el flujo de gas. Descargue la muestra cuando la temperatura está por debajo de 200 ° C.
6. Metalización de la célula
   Metalización de la célula se lleva a cabo en una serie de patrones consecutivo fotolitográfico, la deposición de película de Al y el grabado pasos que se describen en detalle en ^11. El final de células parece se muestra en la última diapositiva de animación en 3. Una vista en primer plano de la celda metalizada se muestra en la figura 1.
7. Medir EQE de la célula metalizado.

2. La fabricación de la plasmónica nanopartículas de Ag (Animación 4)

1. Blow la superficie celular metalizado con nitrógeno seco para eliminar el polvo y cargar la muestra en un evaporador de cocción que contienen un barco W llena con gránulos de Ag (0.3-0.5 g). La bomba abajo de la cámara del evaporador a la presión de base de 2 ~ 3E-5 Torr. Programa QCM con parámetros para Ag: Densidad 10,50y Z proporción 0,529.
2. Asegúrese de que el obturador de la muestra está cerrada, apague el calentador barco de W y el aumento de la corriente lo suficientemente lento para evitar que suba la presión por encima de 8E-5 Torr hasta que los gránulos Ag fusión (como se observa a través de un punto de vista de un puerto). Después de la presión se estabiliza ajustar la corriente al punto de referencia que corresponde la tasa de deposición de Ag de 0,1-0,2 Å / s (de calibración) y abrir el obturador para iniciar el proceso de deposición.
3. Vigilar la creciente espesor Ag película usando QCM y cerrar el obturador cuando el espesor de 14 nm se alcanza. Deje que el barco de W se enfríe durante unos 15 minutos, descargar la muestra. La película debe ser recocido para formar nanopartículas tan pronto como sea posible después de la deposición para evitar la oxidación de Ag.
4. Una célula con un recién depositado película de Ag se coloca en un horno purgado con nitrógeno precalentado a 230 ° C 0.1 hasta 0.2, recocido durante 50 minutos, y luego descargado. Tenga en cuenta el cambio en la apariencia de la superficie debido a las nanopartículas. Escaneado de imágenes de microscopía electrónica de las nanopartículas de Ag es shown en la figura. 2.
5. Mida EQE de la célula con la matriz de las nanopartículas.

3. La fabricación del reflector trasero

El reflector trasero consta de ~ 300 nm de espesor _MgF2 (IR 1,38) revestimiento con una capa dieléctrica de una pintura del techo blanco comercial (Dulux).

1. Antes de fabricar la parte trasera del reflector los contactos de células tienen que ser protegidos mediante la aplicación de una tinta marcador negro sobre ellos, que permite la exposición de los contactos de bajo el dieléctrico por un proceso de despegue.
2. Use una pistola de nitrógeno para hacer estallar la muestra con la matriz NP y contactos pintadas para quitar el polvo. Use una presión de nitrógeno modesto y tenga cuidado de no soplar las nanopartículas de distancia. Colocar la muestra en el evaporador de cocción que contienen un bote lleno de W _MgF2 piezas. La bomba abajo del evaporador a presión de 2 ~ 3E-5 Torr. Establezca los parámetros de QCM para MgF _2: Densidad de 3,05 y la relación de Z 0,637.
3. Asegúrese de que la muestra de Shutter está cerrado, encender el calefactor del barco y poco a poco aumentar la intensidad para evitar que suba la presión excesiva hasta que se derrita _MgF2 como se ve a través de un puerto de vista. Después de que la presión se estabilice establecer el actual en el punto de consigna correspondiente al _MgF2 tasa de deposición de 0.3 nm / s, y abrir el obturador de la muestra.
4. Controlar el espesor depositado con QCM y cerrar el obturador cuando se llega a 300 nm.
5. Apague el calentador. Deje que el barco de W se enfríe durante unos 15 minutos, descargar la muestra. Nótese el cambio en el aspecto de células con el MgF ₂ revestimiento.
6. Para retirar la máscara de tinta desde los contactos de células sumerja la celda con el dieléctrico revestimientos en acetona. Espere hasta que el dieléctrico por encima de la tinta comienza a agrietarse y levantándola. Mantener la celda en acetona hasta que toda la tinta con el dieléctrico se retira y los contactos metálicos están expuestos completamente. Retire la muestra a partir de acetona, enjuagar con acetona fresca y secar con una pistola de nitrógeno.
7. Aplique una capa de unpintura blanca (Dulux Una Capa de pintura del techo) con un cepillo fino y suave en la superficie de células enteras evitando cuidadosamente los contactos metálicos. La capa de pintura tiene que ser lo suficientemente gruesa como para ser totalmente opaco (~> 0,5 mm), de modo que la luz no puede verse cuando se mira a través del celular pintado en la fuente de luz brillante. Deje secar la pintura por un día.
8. Medir EQE de la celda con el reflector posterior pintura blanca.

4. Los resultados representativos

La célula solar corriente de cortocircuito se calcula mediante la integración de la curva EQE sobre el estándar espectro solar global (masa de aire 1,5). Tanto la célula actual y su mejora debido a la luz que atrapa dependen del espesor de la celda capa absorbente: la propia corriente es mayor para las más gruesas células, pero la mejora actual es mayor para las más delgadas dispositivos, véase la Tabla 1 para los datos respectivos y Animación 5 para EQE curvas. Los originales de 2 m de espesor células, sin la luz que atrapa, hAve Jsc medido en el paso 1.7.) de ~ 15 mA / cm ^2. Después de la fabricación de una matriz de nanopartículas, JSC aumenta hasta aproximadamente 20 mA / cm ^2, que es 32% de mejora. Es ligeramente mejor que el efecto de la mejora del 25-30% por el reflector trasero difusa solamente. Después de añadir el reflector trasero difusa en el _MgF2 revestimiento a la célula con la matriz de nanopartículas plasmónica, la Comisión Mixta se incrementó a 22,3 mA / cm ^2, o aproximadamente el 45% de mejora. Tenga en cuenta que para la celda de 3 m de espesor de todas las corrientes son más altos, hasta 25,7 mA / cm ^2, mientras que el aumento relativo es ligeramente inferior, 42%: la luz que atrapa tiene un efecto relativamente grande en dispositivos más delgados.

Grosor:	2 micras		3 micras
	JSC, mA / cm 2	trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
célula original	15,4		18,1
Reflector difuso trasero (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Las nanopartículas (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabla 1. Célula plasmónica corriente de cortocircuito y su mejora en comparación con célula original.

Figura 1. Vista cercana de poli-silicio de células solares de película delgada con rejilla de metalización.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figura 2. Escaneo de imágenes de microscopía electrónica de las nanopartículas de Ag en la superficie de silicio.

Figura 3. Una vista esquemática de un plasmónica silicio cristalino de película delgada de células solares (no a escala).

Figura 4 y la eficiencia cuántica externa de corto circuito de corriente para los de silicio policristalino de película delgada de células con reflector difuso y nanopartículas plasmónica: trazos de color negro - originales 2 m de espesor celda sin luz que atrapa, JSC 15,36 mA / cm ^2; azul - celular. con reflector de pintura difusa, JSC 20,08 mA / cm ^2; roja - celular con plasmónica nanopartículas de Ag, JSC 20,31 mA / cm ^2; verde - celular con nanopartículas, _MgF2, la pintura y el reflector difuso, Jsc 2. Púrpura - 3 m de espesor de células (el 3 de vidrio mm de espesor) con nanopartículas, _MgF2, y el reflector difuso, Jsc 25,7 mA / cm ² (tenga en cuenta la menor respuesta azul debido a las diferencias no intencionales en las capas de AR y el espesor emisor). Sólido negro - 2 m de espesor celular texturizado preparado por el plasma de deposición de vapor químico mejorada (en el vidrio de 3 mm de espesor), JSC 26,4 mA / cm ^2, que se muestra para comparación.

Animación 1. Haga clic aquí para ver la animación .

Animación 2. Haga clic aquí para ver la animación .

Animación 3. Haga clic aquí para ver la animación.

4 Animación. Haga clic aquí para ver la animación .

Animación 5. Haga clic aquí para ver la animación .

Discussion

Mezclas en las células de silicio policristalino de solares y las nanopartículas plasmónica dispersión de la luz son los socios ideales para la luz que atrapa. Estas células son planas, por lo que no puede confiar en la luz de dispersión de las superficies con textura, ni las nanopartículas plasmónica formarse fácilmente en las superficies texturadas. Las células tienen sólo uno, con la superficie posterior de silicio expuesto directamente, que también pasa a ser la mejor ubicación para la mayoría de las nanopartículas plasmónica efectiva de dispersión de luz. Además, el método más sencillo para la formación de nanopartículas por recocido térmico es también el más adecuado para la luz que atrapa porque da lugar a una matriz de nanopartículas al azar con un pico de resonancia amplia entre 700 y 1000 nm, lo más importante para la luz que atrapa en silicio cristalino delgada células de la película. Mientras las células funcionales están hechos, la fabricación del reflector plasmónica es relativamente simple y directo como se describe en las secciones anteriores. Una posible complicación se relaciona al hecho de que el nanopartículas se forman no sólo en la superficie celular de silicio pero en el patrón de rejilla metalización también. Puede conducir y que a veces conducen a la derivación cuando la cobertura de las nanopartículas de superficie relativa es demasiado grande o especial las nanopartículas se forman grandes por cierto. Para evitar maniobras de células de la cobertura debe mantenerse por debajo del 50% y el espesor de la película precursora que se mantiene por debajo de ~ 20 nm, que se consigue fácilmente considerando que el proceso estándar de la película 14 nm precursor, se ha descrito anteriormente, los resultados en 30-35% cobertura.

Nanopartículas plasmónica por sí mismos, con la mejora de ~ 30% JSC, son casi tan eficientes como, o sólo un poco mejor en la dispersión de la luz de los reflectores de pintura pigmentada difusa, ~ 25-30%, que son los más sencillos de aplicar. Sin embargo, mientras que el rendimiento de la luz que atrapa de los reflectores difusos de pintura no puede ser mejorado aún más, las nanopartículas plasmónica tiene la opción de ser felicitado por los reflectores difusos colocado behind ellos, lo que resulta en la mejora significativamente mayor JSC, hasta un 45%, que por sí solos las nanopartículas. Esta mejora de fotocorriente es el más alto jamás demostrada por planos cristalinos de Si de película delgada de células, superando la más reciente, 40% de mejora por un reflector de alta dieléctrica de nanopartículas de RI ^5. Además, mejora aún mayor fotocorriente, superior a 50%, debería ser posible con tal de un reflector difuso RI alta nanopartículas, como se describe en ^5, en lugar de la pintura blanca comercial.

Sin embargo, incluso 45% de mejora es sólo la mitad de lo que normalmente se logra en el poli-Si de película fina de fabricación de las células por PECVD el bien de textura superstrates, lo que resulta en Jsc de alrededor de 29 mA / cm ² (~ 90% de mejora en comparación con la celda de referencia plana) ^12. Hay dos razones principales para un rendimiento mucho mejor de las células en superstrates textura. En primer lugar, la reflexión desde la parte frontal texturadasuperficie de la célula es mucho menor que la de la superficie plana que resulta en más luz que entra en la célula generando así más actual. Propiedades antirreflectantes de las células plasmónica con la superficie frontal plana es necesario mejorar para hacer plasmónica la luz que atrapa más competitivos con los convencionales de texturas. En segundo lugar, cuando dos interfaces de células permanecen planas y paralelas, una fracción significativa de la luz es reflejada especularmente internamente y dentro de la célula (~ 17% en relación Si / vidrio o de Si / MgF ₂ interfaz) sin ser dispersados ​​por cualquiera de un reflector difuso o nanopartículas. Esto se manifiesta en la presencia de franjas de interferencia en los espectros de reflexión de la célula o en curvas EQE de células planas con reflectores difusos o plasmónica. Menos de dispersión significa menos luz que atrapa, mejora por lo tanto menos actual. Células texturizadas en el que se la luz bien dispersos, mientras que se refleja en la no-paralelas interfaces no tienen franjas de interferencia, como se muestra en una curva EQE ejemplo, en FIG. 2.

Al considerar la mejora fotocorriente por las nanopartículas plasmónica, así como por otros medios aplicados a la parte posterior de las células solares, como reflectores difusos, es importante recordar un equilibrio entre la consecución de mayores corrientes absolutos o demostrar la mejora de corriente más alta. Dispositivos más delgados se benefician más de la luz que atrapa, que muestran una mayor mejora en curso, mientras que la corriente en sí es significativamente menor, como lo demuestra los resultados de 2 micras y 3 micras de espesor células en la Tabla 1, el 22,3 vs 25,7 ² mA / cm. Del mismo modo, las células con una longitud de onda corta los pobres ("azul") respuesta (como los descritos en ⁵⁾ que mejora relativamente más alta de la luz que atrapa, lo cual es importante a la mayor longitud de onda ("rojo") la respuesta, que las células con una buena la respuesta azul, pero éste, obviamente, puede tener un mayor rendimiento absoluto de corriente total y por lo tanto mejor. Como un objetivo importante de la energía fotovoltaica está haciendo un mejor performing células solares, la debe dar preferencia a los métodos de captura de luz provoca un aumento de las corrientes absolutas, no de mejora de corriente más alta.

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)