Polykristallina kisel tunnfilms-solceller med plasmoniska-enhanced Light-svällning

Summary

Polykristallina kisel tunnfilms-solceller på glas tillverkas genom avsättning av bor och fosfor dopade kisel lager följt av kristallisering, defekt passivering och metallisering. Plasmoniska ljus svällning införs genom att bilda Ag nanopartiklar på kisel cellytan utjämnade med en diffus reflektor resulterar i ~ 45% fotoström tillbehör.

Protocol

1. Tillverkning av solceller polykristallina kisel celler (Animation 3)

1. Kisel filmavsättning
   1. Framställa ett e-stråleförångning verktyget genom gräddning ut vid ~ 100 ° C över natten för att nå den nedre tryck av <3E-8 Torr. Förinställd provet värmaren till 150 ° C standby temperatur.
   2. Använda ett substrat gjort av 5x5 cm ² (eller 10 x 10 cm ²⁾ substrat borsilikatglas (Schott Borofloat33), 1,1 eller 3,3 mm tjocka, dragerade med ~ 80 nm av kiselnitrid (framställd genom PECVD från N ₂ och SiH _{4-blandning).}
   3. Blås ytan av substratet med torrt kväve för att avlägsna damm och placera den i en provhållare. Avlufta lasten låset, ladda provet, pumpa lastslussens ned till trycket <1E5 Torr och överföra provet till huvudkammaren. Starta värmaren till börvärdet på 250 ° C. Pump i ca 20 min när trycket når 8E-8 Torr eller lägre.
   4. Kontrollera att dopämnetkällan och kiselkälla luckorna är stängda. Förinställda dopämne källa temperaturer till standby temperaturer, dvs temperaturen fosfor källan vid 700 ° C och borkällan temperaturen vid 1250 ° C. Starta e-gun och smält kisel i en degel genom att sakta öka e-gun ström.
   5. När önskad strömmen nås (från föregående kalibrering: den nuvarande kan variera beroende på e-gun och Si villkoren källa) avdunstar kiselskikten dopade med erforderliga koncentrationerna av P och B: 35 nm sändaren vid 1E20 cm ^-3 P , 2 ~ 3 m absorbatorn vid 5E15 cm ^-3 B, 100 nm back-ytan fält (BSF) vid 4E19 cm ^-3 av B. De exakta dopmedelskoncentrationer uppnås genom att matcha vissa Si nedfall, mätt som Quartz Crystal skärm (QCM), med vissa dopämne källa temperaturer, med förbindelser som upprättas från SIMS kalibrering.
   6. Efter indunstning görs stänga av värmaren, svalna provet för ~ 10 min. TränsFER provet till lastslussens, stänga grinden-ventilen ventilera belastningen låset och lasta av provet med kisel filmen.
2. Kisel kristallisation
   Om provet är 10x10 cm ^2, kan den skäras i fyra 5x5 cm ² delar cellstorlek före kristallisation. Placera en avsatt kiselfilm på glas (Si-film upp) på en hållare tillverkad av uppruggad och kiselnitrid belagda Schott Robax glas (för att undvika klibbning). Ladda in en renad kvävgas ugn förvärmd till 200-300 ° C. Ramp upp temperaturen till 600 ° C vid 3 ~ 5 ° C / min och anlöpning under 30 timmar. Sätt på ugnen värmaren och låt ugnen svalna naturligt till ~ 200 ° C (2 ~ 3 timmar) före lossning provet. Provet kan ha en konkav form på grund av kisel krympning under kristallisation. Det kommer att plattas under följande snabb termisk behandling.
3. Dopningsmedel aktivering och defekt glödgning (RTA)
   Placera provet med den kristalliserade film på en hållare gjord av pyrolytisk grafit och lOAD till en snabba värmeprocessom spolades med argon. Ramp temperaturen till 600 ° C vid 1 ° C / s och upp till 1000 ° C vid 20 ° C / s, håll kvar under 1 min, sedan svalna naturligt till ~ 100 ° C och lasta av.
4. Ytoxid avlägsnande
   Omedelbart före hydrering ytan oxid som bildas på kiselfilm under kristallisation och RTA måste avlägsnas för att säkerställa att den nakna kiselfilmen ytan exponeras för väte. Sänk ned glödgade provet i 5% HF-lösning tills kiselytan blir hydrofob (30 ~ 100 s). Skölj med avjoniserat vatten och torka med en kväve pistol.
5. Defekt passivering
   Ladda provet i en vakuumkammare utrustad med den avlägsna väte plasmakälla. Pumpa ner till <1E-4 Torr, hetta upp provet upp till ca 620 ° C, slå på argon / väte blandning flöde (50:150 sccm), som tryck 50-100 mTorr, startar plasman källan på 3,5 kW mikrovågseffekten och fortsätta processen under ~ 10 minuter. Stäng av värmaren när maintaAtt granska plasman under ytterligare 10-15 minuter tills temperaturen faller ned under 350 ° C innan strömmen plasman av och stoppa gasflödet. Lasta provet när temperaturen är under 200 ° C.
6. Cell metallisering
   Cell metallisering genomföres i en serie av på varandra följande fotolitografisk mönstring, Al-filmen deponera och etsa steg som beskrivs i detalj i ^11. Den slutliga cellen ser ut som visas i den sista bilden av ANIMATIONEN 3. En närbildsvy av den metalliserade cellen visas i fig 1.
7. Mät EQE av metalliserade cellen.

2. Tillverkningen av plasmoniska Ag nanopartikel (animering 4)

1. Blås metalliserade cellytan med torr kvävgas för att avlägsna damm och ladda provet i en termisk förångare med en W båt fylld med Ag granulat (0,3-0,5 g). Pumpa ned förångningskammaren till bastryck av 2 ~ 3E-5 Torr. Program QCM med parametrar för Ag: Densitet 10,50och Z-förhållandet 0,529.
2. Se till att provet slutaren är stängd, vrid W båten värmaren på och öka den nuvarande långsamt nog för att undvika tryckökning över 8E-5 Torr tills Ag granulat smälter (som observeras genom en View-port). Efter påtryckningar stabiliserar in strömmen till den inställda punkt som motsvarar Ag avsättningshastigheten av 0,1-0,2 A / S (från kalibrering) och öppna slutaren att starta deponeringen processen.
3. Övervaka växande Ag filmtjocklek med QCM och stäng slutaren när tjockleken på 14 nm har uppnåtts. Låt W båten svalna i ca 15 min, lasta provet. Filmen bör glödgas för att bilda nanopartiklar, så snart efter avsättning som möjligt för att undvika oxidering Ag.
4. En cell med en nyligen avsatt Ag filmen placeras i en renad kvävgas ugn förvärmd till 230 0,1-0,2 ° C, glödgas under 50 minuter, och sedan lossas. Notera att förändring i ytans utseende på grund av nanopartiklar. Svepelektronmikroskopi bild av Ag nanopartiklar är shoWN i figur. 2.
5. Mät EQE av cellen med nanopartiklar matrisen.

3. Tillverkning av den bakre reflektorn

Den bakre reflektorn består av ~ 300 nm tjocka MgF ₂ (RI 1,38) dielektrisk beklädnad med ett lager av ett kommersiellt vitt tak färg (Dulux).

1. Innan tillverka den bakre reflektorn av cellkontakter måste skyddas med hjälp av en svart markering bläck på dem, vilket gör det möjligt att utsätta kontakterna från under dielektriska med en lift-off process.
2. Använd kväve pistol för att blåsa provet med NP utbud och målade kontakter för att avlägsna damm. Använd blygsamma kvävetryck och försiktig att inte blåsa nanopartiklar bort. Placera provet i den termiska förångaren innehåller ett W båt fylld med _MgF2 bitar. Pumpa ned evaporator för att trycket av 2 ~ 3E-5 Torr. Ställa QCM parametrar för MgF _2: Densitet 3,05 och Z-förhållandet 0,637.
3. Se till att provet shutteR är stängd, sätta på båten värmaren och långsamt öka den nuvarande att undvika överdriven tryckökning fram MgF ₂ smälter som betraktas genom ett view-port. Efter det att trycket stabiliseras ställa in strömmen till den inställda punkten som svarar på MgF ₂ avsättningshastigheten av 0,3 nm / s och öppna provet slutare.
4. Övervaka det deponerade tjockleken med QCM och stäng slutaren när 300 nm uppnås.
5. Stäng av värmaren. Låt W båten svalna i ca 15 min, lasta provet. Notera att förändring av cell utseende med MgF ₂ beklädnad.
6. För att ta bort bläcket masken från cellkontakter Sänk cellen med det dielektriska beklädnad i aceton. Vänta tills den dielektriska ovanför bläcket börjar sprickbildning och lyft bort. Hålla cellen i aceton tills allt bläck med den dielektriska avlägsnas och metallkontakterna är helt exponerad. Avlägsna provet från aceton, skölj med färsk aceton och torka med kväve pistol.
7. Applicera ett skikt av ettvit färg (Dulux En Coat tak färg) med en fin mjuk borste på hela cellytan undvika noggrant metallkontakterna. Färgskiktet måste vara tillräckligt tjock för att vara helt ogenomskinlig (~> 0,5 mm), så att inget ljus kan ses när man tittar genom den målade cellen vid stark ljuskälla. Låt färgen torka för en dag.
8. Mät EQE av cellen med den vita färgen bakre reflektor.

4. Representativa resultat

Solcellen kortslutningsström beräknas genom integrering av kurvan EQE via standard globala sol-spektrum (luftmassan 1,5). Både cellströmmen och dess förstärkning på grund av ljus-svällning beror på cellen absorbatorn skikttjockleken: Den nuvarande själva är högre för tjockare celler, men den nuvarande förstärkning är högre för tunnare enheter, se tabell 1 för respektive uppgifter och animering 5 för EQE kurvor. De ursprungliga 2 pm tjocka celler, utan ljus-svällning, have JSC mätt vid steg 1.7.) av ~ 15 mA / cm ^2. Efter tillverkning av en nanopartikel matris, ökar JSC upp till ca 20 mA / cm ^2, som är 32% förbättring. Den är något bättre än den förstärkningseffekten av 25-30% av den bakre diffus reflektor endast. Efter tillsats av den bakre diffus reflektor på MgF ₂ beklädnad till cellen med plasmoniska nanopartikel matrisen är JSC ökade ytterligare till 22,3 mA / cm ^2, eller cirka 45% förbättring. Observera att för 3 m tjocka celler alla strömmar är högre, upp till 25,7 mA / cm ^2, medan den relativa förbättringen är något lägre, 42%: ljus-svällning har en relativt större effekt i tunnare enheter.

Cell tjocklek:	2 ^ m		3 | im
	JSC, mA / cm 2	Trong> +%	JSC, mA / cm 2	+%
ursprungliga cellen	15,4		18,1
Bakre diffus reflektor (R)	20,1	30,5	21,5	18,8
Nanopartiklar (NP)	20,3	31,8	21,9	21,0
NP / MgF 2 / R	22,3	45,3	25,7	42,0

Tabell 1. Plasmoniska cellen kortslutningsström och dess förstärkning jämfört med ursprungliga cellen.

Figur 1. Närbild av poly-Si tunn film solar cell med metallisering nätet.

/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Figur 2. Svepelektronmikroskopi bild av Ag nanopartiklar på kiselytan.

Figur 3. En schematisk vy av en plasmoniska kristallint kisel tunnfilms-solcell (ej i skala).

Figur 4 Extern DQE och kortslutningsström för tunna film polykristallina kisel celler med diffus reflektor och plasmoniska nanopartiklar: streckad svart - original 2 m tjockt cell utan ljus-svällning, JSC 15,36 mA / cm ^2, blått - cell. med diffus färg reflektor, JSC 20,08 mA / cm ^2, röd - cell med plasmoniska Ag nanopartiklar, JSC 20,31 mA / cm ^2, grön - cell med nanopartiklar, MgF _2, och diffus färg reflektor, JSC 2. Purple - 3 m tjockt cell (den 3 mm tjocka glas) med nanopartiklar, MgF _2, och diffus reflektor, JSC 25,7 mA / cm ² (observera lägre blått svar på grund av oavsiktliga skillnader i AR lager och sändaren tjocklek). Solid svart - 2 m tjockt texturerat cellen utarbetats av plasma-kemisk ångavsättning (på 3 mm tjockt glas), JSC 26,4 mA / cm ^2, visas för jämförelse.

Animation 1. Klicka här för att se Animation .

Animation 2. Klicka här för att se Animation .

Animation 3. Klicka här för att se Animation.

Animation 4. Klicka här för att se Animation .

Animation 5. Klicka här för att se Animation .

Discussion

Förångade polykristallina kisel solceller och ljusspridande plasmoniska nanopartiklar är idealiska partners för lätt svällning. Sådana celler är plana, varför de inte kan förlita sig på ljusspridande från texturerade ytor, inte heller kan plasmoniska nanopartiklar lätt formas på texturerade ytor. Cellerna har bara en, bakre yta med direkt exponerade kisel, som också råkar vara det bästa nanopartiklar platsen för mest effektiva plasmoniska ljus-spridning. Dessutom är den enklaste metoden för nanopartiklar bildas genom termisk glödgning också den mest lämpade för lätt fånga eftersom det resulterar i en slumpmässig nanopartiklar array med en bred resonans topp mellan 700 och 1000 nm, viktigast för ljus-fångstmetoder i kristallin kisel tunn- film celler. Så länge som funktionella celler görs, är tillverkningen av plasmoniska reflektorn relativt enkel och okomplicerad, såsom beskrivs i tidigare avsnitt. En möjlig komplikation är relaterad till att nanopartiklar bildas inte bara på kisel cellytan men över metalliseringen rutnätsmönstret också. Det kan leda och inte ibland leda till växling när nanopartiklar relativa yttäckning är för stor eller särskilt stora nanopartiklar övrigt bildas. För att undvika cell växling täckningen bör hållas under 50% och föregångaren filmtjockleken hållas under cirka 20 nm, vilket lätt uppnås med tanke på att standarden processen från 14 nm prekursorfilmen, som beskrivs ovan, i 30-35% resultat täckning.

Plasmoniska nanopartiklar av sig själva, med ~ 30% JSC tillbehör, är ungefär lika effektiva som eller endast något bättre på ljus-spridning än pigmenterade reflektorer färg diffusa, ~ 25-30%, vilket är den enklaste att använda. Men medan den lätt fånga utförandet av de diffusa färgen reflektorerna inte kan förbättras ytterligare, de plasmoniska nanopartiklar har en möjlighet att bli kompletterad med diffusa reflektorer placeras Behind dem, vilket således resulterar i signifikant högre JSC förbättring, upp till 45%, än av nanopartiklar enbart. Detta fotoströmmen förbättring är den högsta någonsin visats för plana kristallina Si tunnfilmsceller mer än senast rapporterade 40% förbättring av en hög RI dielektrisk nanopartiklar reflektor ^5. Även högre fotoström förbättring, som överstiger 50%, bör vara möjligt med en så hög Rl nanopartikel diffus reflektor, såsom beskrivs i ⁵ stället för den kommersiella vit färg.

Men även 45% ökning bara ungefär hälften av vad som normalt uppnås i poly-Si tunnfilmsceller tillverkning av PECVD på väl strukturerade superstrat, vilket resulterar i JSC ca 29 mA / cm ² (~ 90% förbättring jämfört med referensen plana cellen) ^12. Det finns två viktiga skäl till mycket bättre prestanda i cellerna på texturerade superstrat. För det första reflektion från den strukturerade frontencellytan är mycket lägre än den plana ytan vilket resulterar i mer ljus som kommer in i cellen på så sätt åstadkomma mer ström. Antireflekterande egenskaper plasmoniska celler med den plana framsidan måste förbättras för att göra plasmoniska lätt svällning mer konkurrenskraftigt med konventionell texturering. För det andra, när två cell-gränssnitt förbli plana och parallella, är en signifikant bråkdel av ljus internt och speglande reflekterat inom cellen (~ 17% vid Si / glas eller Si / MgF _{2-gränssnitt)} utan att spridas genom antingen en diffus reflektor eller nanopartiklar. Detta visar sig i närvaro av interferensfransar i cellen reflektionsspektra eller EQE kurvor, plana celler med diffusa eller plasmoniska reflektorer. Mindre spridning innebär mindre ljus-svällning, därför mindre ström tillbehör. Texturerade celler där ljuset är väl utspridda samtidigt som reflekteras vid icke-parallella gränssnitt har inte interferensfransar som visas i ett exempel EQE kurva i Fig. 2.

När man överväger fotoström förstärkning av plasmoniska nanopartiklar, såväl som av andra medel som appliceras på baksidan av solceller, som diffusa reflektorer, är det viktigt att komma ihåg en avvägning mellan att uppnå högre absoluta strömmar eller förevisa högre ström tillbehör. Tunnare enheter större nytta ljus-svällning, visar högre ström förbättring, medan den aktuella själv är betydligt lägre vilket framgår av resultaten för 2 m och 3 nm tjocka celler i tabell 1, 22,3 jämfört med 25,7 mA / cm ^2. Likaså cellerna med en dålig kort våglängd ("blå") svaret (såsom de som beskrivs i ⁵⁾ har relativt högre förstärkning från ljus-infångning, vilket är viktigt för längre våglängd ("rött") responsen, än cellerna med en god blått svar, men den senare kan givetvis ha en högre absolut ström och därmed bättre totalt resultat. Som ett viktigt mål för solceller gör bättre performing solceller, bör företräde ges till ljus-fångstmetoder som leder till högre absoluta strömmar, inte högre ström förbättring.

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)