Summary
Camına Polikristal silikon ince film güneş pilleri kristalizasyon, kusur pasivasyon ve metalizasyon takip bor ve fosfor katkılı silikon tabakalar birikimi ile üretilmektedir. Işık yakalayan Plasmonic ~% 45 Fotoakım geliştirme sonuçlanan dağınık bir reflektör ile kapatılmış silikon hücrenin yüzeyinde Ag nanopartiküller oluşturarak tanıtıldı.
Protocol
1. Polikristalin silikon güneş hücreleri Fabrikasyon (Animasyon 3)
- Silikon film biriktirme
- ~ 100 dışarı pişirme ile e-demeti buharlaştırma aracı hazırlayın ° C <3E-8 Torr taban basıncına ulaşmak için gece boyunca. 150 ° C bekleme sıcaklığı Preset örnek ısıtıcı.
- 5x5 cm 2 (veya 10 x10 cm 2) substrat borosilikat cam (Schott Borofloat33) ile ~ silisyum nitrür 80 nm (N 2 ve SiH 4 karışımından PECVD tarafından hazırlanan) kaplı kalın 1.1 veya 3.3 mm, yapılmış bir yüzey kullanın.
- Tozunu ve bir numune tutucu içine yerleştirmek için kuru azot ile substratın yüzeyine üfleyin. , Yük kilidi havalandırın örnek yük basıncı <1E5 Torr aşağı yük kilitlemek pompalamak ve ana odasına örnek aktarmak. 250 ° C arasında set-noktasına ısıtıcı başlat Basınç 8E-8 Torr ya da daha düşük ulaştığında yaklaşık 20 dakika boyunca Pompa.
- Kontrol edin dopantkaynak ve silikon kaynak kepenkler kapalı. Bekleme sıcaklıklara Preset dopant kaynak sıcaklıkları, 700 fosfor kaynağı sıcaklığı yani ° 1250 C ve bor kaynağı ° C E-gun başlayın ve yavaş yavaş e-gun akımını artırarak bir potada silikon eritebilir.
- Gerekli P konsantrasyonları ve B ile takviye edilmiş silikon tabakalar buharlaşması: P -3 1E20 cm 35 nm verici: gerekli akım (bu akım e-gun ve Si kaynak koşullarına bağlı olarak değişebilir önceki kalibrasyon) ulaşıldığında ; 2 B -3 5E15 cm ~ 3 mikron emici B. tam dopant konsantrasyonlarının -3 4E19 cm 100 nm arka yüzey alanı (BSF) olarak Kuvars Kristal Monitör ile ölçülen, belirli Si çökelme oranlarının eşleştirerek elde edilir (QCM), belirli dopant kaynak sıcaklıkları, SIMS kalibrasyon kurulan ilişkileri kullanarak.
- Buharlaşma ısıtıcı kapatın yapıldıktan sonra ~ 10 dakika örnek soğuması. Transyük kilidi için örnek fer, kapı-vanasını kapatın yük kilit delik ve silikon film ile örnek boşaltın.
- Silikon kristalizasyon
Örnek 10x10 cm 2 ise, kristalizasyon önce dört 5x5 cm 2 hücre boyutu parçalar halinde kesilebilir. Pürüzlü ve silisyum nitrür kaplama Schott ROBAX cam (yapışmasını önlemek için) yapılmış bir tutucu üzerindeki cam (yukarı Si film) üzerinde biriken silikon filmi yerleştirin. Bir azot tasfiye fırına Yük 200-300 ısıtılmış ° C 3 ° C de ~ 5 ° C / dak 600 sıcaklığı kadar rampa ve 30 saat tavlama. Fırın ısıtıcı açın ve ~ 200 doğal aşağı fırın soğumaya bırakın ° C (2 ~ 3 saat) örnek boşaltma önce. Örnek kristalizasyon sırasında silikon büzülmesine bağlı içbükey bir şekle sahip olabilir. Bu, aşağıdaki hızlı bir ısıl işleme sırasında dümdüz olacaktır. - Tavlama dopant aktivasyon ve defekt (RTA)
Pirolitik grafit ve l yapılmış bir tutucu kristalize film ile örnek yerleştirinargon ile temizlenir hızlı bir termal işlemciye OAD. ° C 1 ° C / s, daha sonra 1000 ° C ile 20 ° C / s ~ 100 doğal sonra soğuk 1 dakika basılı ° C ve boşaltma 600 sıcaklığına kadar rampa. - Yüzey oksit giderme
Hemen önce hidrojenasyon ile kristalizasyon ve RTA sırasında silikon film üzerinde oluşmuş yüzey oksit çıplak silikon filmin yüzeyi hidrojen maruz emin olmak için çıkarılması gerekir. Silikon yüzeye hidrofobik olana kadar% 5 HF çözelti içine daldırın tavlanmış numune (30 ~ 100 s). Deiyonize su ile durulayın ve bir azot tabanca ile kurulayın. - Kusur pasivasyon
Uzaktan hidrojen plazma kaynağı ile donatılmış bir vakum haznesine Örnek yerleştirin. Aşağı Pompa <1E-4 Torr kadar ~ 620 için ısı kadar örnek ° C (50:150 sccm) argon / hidrojen karışımı akışını açmak, basınç 50-100 mTorr set, 3.5 kW plazma kaynağı başlatmak mikrodalga güç ve ~ 10 dakika süreyle işlemi devam eder. Isıtıcı kapatın ederken maintasıcaklık plazma kapatarak ve gaz akışını durdurmadan önce 350 ° C'nin altına düşene kadar başka bir 10-15 dk plazma ining. Sıcaklığının altında 200 ° C olduğunda, örnek boşaltma - Hücre metalizasyon
Hücre metalizasyon ardışık fotolitografik desen, Al film biriktirme ve 11 'de ayrıntılı olarak tarif edilen adımlar aşındırma bir dizi içinde gerçekleştirilmektedir. ANİMASYON 3 son slayt gösterildiği gibi son hücre görünüyor. Metalize bir hücrenin bir yakın görünümü Şekil 1'de gösterilmektedir. - Metalize hücrenin EQE ölçün.
2. Plasmonic Ag Nanopartikül (Animasyon 4) Fabrikasyon
- Toz ve granül Ag (0.3-0.5 g) ile doldurulmuş bir W tekne içeren bir termal evaporatör içine numune yüklemek için kuru azot ile metalize hücre yüzeyinde üfleyin. 2 taban baskısı ~ 3E-5 Torr için buharlaştırma bölmesinin aşağı Pompa. Ag parametrelerle Programı QCM: Yoğunluk 10.50ve Z oranı 0,529.
- Örnek deklanşör kapalı olduğundan, (gibi bir görünümü-port üzerinden gözlenen) W tekne ısıtıcı açmak ve Ag granülleri eriyene kadar 8E-5 Torr yukarıda basınç artışı önlemek için yavaş yavaş yeterli akım artacak emin olun. Basıncı 0.1-0.2 Å / s (kalibrasyon) ve Ag birikimi oranı tekabül set ayarladığınız mevcut ve depolanması işlemini başlatmak için deklanşöre açın. Dengeleyip sonra
- QCM kullanarak büyüyen Ag film kalınlığı Monitör ve 14 nm kalınlığında ulaşıldığında deklanşör kapatın. W tekne yaklaşık 15 dakika soğumasını bekleyin, örnek boşaltın. Filmin Ag oksidasyonu önlemek için mümkün olan en kısa zamanda tevdi edilmesinden sonra nanopartiküller oluşturmak üzere tav edilmelidir.
- Taze tevdi Ag film ile bir hücrenin 230 0.1-0.2 50 dakika süreyle tavlanmış ° C, ısıtılmış bir nitrojen tasfiye fırına yerleştirilir ve daha sonra boşaltılır. Nanopartiküller bağlı yüzey görünüşü değişim not edin. Ag Nanopartiküllerin elektron mikroskobu görüntüsü Tarama sho olduğunuŞekil wn. 2.
- Nanoparçacık dizi ile hücrenin EQE ölçün.
3. Arka Reflektör Fabrikasyon
Arka reflektör MgF 2 (RI 1.38) ticari bir beyaz tavan boyası (Dulux) bir kat yalıtkan kaplama kalınlığı ~ 300 nm oluşur.
- Arka reflektör imalatı önce hücre rehber onlara siyah bir işaretleyici mürekkep uygulanarak korunacak zorunda olan bir asansör-off sürecinde dielektrik altındaki kişileri teşhir sağlar.
- NP dizi ve tozu temizlemek için boyalı kişiler ile örnek esmeye azot silahı kullanın. Uzaklıkta nanopartiküller darbe değil mütevazı azot basıncı ve egzersiz dikkatli olun. MgF 2 parça ile doldurulmuş bir W tekne ihtiva eden ısıl buharlaştırıcı içinde Örnek yerleştirin. 2 ~ 3E-5 Torr basınca evaporatör aşağı pompalayın. Yoğunluk 3.05 ve Z oranı 0,637: MgF 2 QCM parametreleri ayarlayın.
- Emin olun örnek shutter kapalı, tekne ısıtıcı açın ve yavaş yavaş MgF 2 gibi bir görünümü-port üzerinden görüldü eriyene kadar aşırı basınç artışı önlemek için akım artacak. Basıncı 0.3 nm / s MgF 2 çökelme hızı tekabül set mevcut ayarlayın ve örnek çekim açın. Dengeleyip sonra
- QCM kullanarak yatırılan kalınlığı izleyin ve 300 nm ulaşıldığında deklanşör kapatın.
- Isıtıcı kapatın. W tekne yaklaşık 15 dakika soğumasını bekleyin, örnek boşaltın. MgF 2 kaplama ile hücre görünümü değişikliği unutmayın.
- Hücre kişilerden mürekkep maskesini kaldırmak için dielektrik aseton içine kaplama ile hücre batırmayın. Mürekkep Yukarıdaki dielektrik çatlama ve kapalı kaldırma başlayana kadar bekleyin. Dielektrik tüm mürekkep kaldırılır ve metal tamamen açık kadar aseton içinde hücre tutmak. Asetondan örnek çıkarın, taze aseton ile yıkayın ve azot tabanca ile kurulayın.
- Bir tabakası uygulatüm hücre yüzeyinde ince bir fırça ile beyaz boya (Dulux Bir-Coat tavan boyası) dikkatle metal temas kaçınarak. Boya tabakasının parlak ışık kaynağına boyalı hücre yoluyla bakarken hiç ışık görülebilir, böylece tamamen opak (~> 0.5 mm) olması yeterli kalınlıkta olmalıdır. Bir gün için kuru boya edelim.
- Beyaz boya arka reflektör ile hücrenin EQE ölçün.
4. Temsilcisi Sonuçlar
Güneş pili kısa devre akımı standart global güneş tayfı EQE eğrisi (hava kütlesi 1,5) entegre ederek hesaplanır. Işık-tutucu bağlı hücre akımı ve onun donanım hem de hücre emici tabakasının kalınlığına bağlıdır: kendisi mevcut kalın hücreleri için yüksek, fakat mevcut donanım ince cihazlar için, EQE için ilgili veriler ve animasyon 5 için bakınız Tablo 1 yüksek olduğu eğrileri. Işık yakalayan, h olmadan orijinal 2 mikron kalınlığında hücreleri,ave Jsc adım 1.7 ölçülür.) ~ 15 mA / cm 2. Bir nanoparçacık dizi fabrikasyon sonra, Jsc% 32 geliştirmesidir yaklaşık 20 mA / cm 2 kadar yükselir. Bu arka diffüz reflektör sadece tarafından% 25-30 oranında arttırılması etkisi biraz daha iyidir. Plasmonic nanoparçacık dizisi ile hücreye kaplama MgF 2 üzerindeki arka yaygın reflektör ilave edildikten sonra, Jsc 22.3 mA / cm 2 daha da artmış bir deyişle yaklaşık% 45 iyileştirme edilir. Göreceli geliştirme biraz daha düşük iken 3 mikron kalınlığında bir hücre için tüm akımları 25,7 mA / cm 2, daha yüksek olduğunu unutmayın,% 42: ışık yakalayan ince cihazlar nispeten daha büyük bir etkiye sahiptir.
| Hücre kalınlığı: | 2 mikron | 3 mikron | ||
| Jsc, mA / cm 2 | Jsc, mA / cm 2 | +% | ||
| orijinal hücre | 15.4 | 18.1 | ||
| Arka diffüz reflektör (R) | 20.1 | 30.5 | 21.5 | 18.8 |
| Nanopartiküller (NP) | 20.3 | 31.8 | 21.9 | 21.0 |
| NP / MgF 2 / R | 22.3 | 45.3 | 25.7 | 42.0 |
Tablo 1. Plasmonic hücre kısa devre akımı ve özgün hücre göre Zenginleştiricisi.
Metalizasyon ızgara ile poli-Si ince film güneş pili Şekil 1. Close-up görünümünde.
/ Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg "/>
Şekil 2. Silikon yüzeye Ag nanopartiküllerin elektron mikroskobu görüntüsü taranıyor.
Şekil 3. Bir plasmonic kristal silisyum ince film güneş pili (ölçeksiz) şematik görünümü.
Şekil 4 diffüz reflektör ve plasmonic nano partiküller ile polikristalin silikon ince-film hücreler için geçerli Harici kuantum verimliliği ve kısa devre: kesik-siyah - Orijinal 2 mikron kalınlığında hücre ışık yakalayan, Jsc 15.36 mA / cm 2 olmaksızın; mavi - hücre. diffüz boya reflektör, Jsc 20.08 mA / cm 2; kırmızı - plasmonic Ag nanopartiküller ile hücre, Jsc 20.31 mA / cm 2; yeşil - nanopartiküller ile hücre, MgF 2, ve yaygın boya reflektör, Jsc 2. Mor - 3 mikron kalınlığında hücreli (3 mm kalınlığında cam üzerine) nanopartiküller ile MgF 2, ve diffüz reflektör, Jsc 25.7 mA / cm 2 (bağlı AR katmanları ve emiter kalınlığı kasıtsız farklılıklar düşük mavi yanıt unutmayın). Katı siyah - plazma gelişmiş kimyasal buhar biriktirme (3 mm kalınlığında cam üzerine), karşılaştırma için gösterilen Jsc 26,4 mA / cm 2, tarafından hazırlanan 2 mikron kalınlığında doku hücresi.
Animasyon 1. Animasyon görmek için buraya tıklayın .
Animasyon 2. Animasyon görmek için buraya tıklayın .
Animasyon 3. Animasyon görmek için buraya tıklayın.
Animasyon 4. Animasyon görmek için buraya tıklayın .
Animasyon 5. Animasyon görmek için buraya tıklayın .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Evaporated polikristalin silikon güneş pilleri ve saçılım plasmonic nanopartiküller ışık yakalama için ideal ortaktır. Bu tür hücreler düzlemsel vardır, dolayısıyla dokulu yüzeyler saçılım güvenemez, ne plasmonic nanopartiküller kolayca dokulu yüzeyler üzerinde oluşturulabilir. Hücreler de saçılım en etkili plasmonic için en iyi nanoparçacık konumu olması umulur doğrudan maruz silisyum, yalnızca bir, arka yüzeye sahip. Bu kristalin silikon ışık-bindirme için en önemli 700 ve 1000 nm arasında geniş bir rezonans tepe ile rastgele nanoparçacık dizi sonuçlanır çünkü Ayrıca, termal tavlama tarafından nanoparçacık oluşumu için en kolay yöntemi de ışık yakalayan için en uygun ince- film hücreler. Sürece işlevsel hücreler yapılmış gibi, plasmonic reflektör imalatı önceki bölümlerde açıklandığı gibi nispeten basit ve açıktır. Olası bir komplikasyon Aslında ilgili olduğunu nanopartiküllerin silikon hücrenin yüzeyi üzerinde değil, aynı zamanda metalizasyon ızgara deseni üzerinde sadece oluşturulmaktadır. Bu yol açabilir ve nanoparçacık bağıl yüzey kaplama çok büyük ya da özellikle büyük nanopartiküller tesadüfen oluşmuştur olduğunda bazen şant yol yok. Kapsamı içinde% 30-35 sonuçlar,% 50 ve kolay bir şekilde 14 nm prekürsör filmden standart işlemi, yukarıda tarif edilen dikkate elde edilir ~ 20 nm altında tutulması prekürsör film kalınlığı, altında tutulmalıdır şöntleme hücre önlemek için kapsama.
Kendileri tarafından Plasmonic nanoparçacık, ~% 30 Jsc donanımıyla, pigmentli boya diffüz reflektörler daha saçılım sadece biraz daha iyi gibi yaklaşık olarak verimli, ya da, ~ uygulamak için en basit olarak% 25-30,. Diffüz boya reflektör ışık yakalama performansı daha da geliştirilmiş edilemez Bununla birlikte, plasmonic nanopartiküller diffüz reflektörler tarafından iltifat olarak bir seçenek var b yerleştirilir, böylece yalnız nanopartiküller ziyade,% 45, daha yüksek Jsc geliştirme sonuçlanan onları ehind. Bu Fotoakım geliştirme hiç düzlemsel kristal Si ince-film hücreler için gösterdiği en yüksek, en son yüksek RI dielektrik nanoparçacık reflektör 5 ile% 40 iyileştirme bildirdi aştı. Bundan başka, hatta daha yüksek Fotoakım geliştirme,% 50'nin üzerinde, bunun yerine, ticari beyaz bir boya olarak 5 tarif böyle bir yüksek RI nanoparçacık yaygın reflektör ile mümkün olmalıdır.
Ancak, hatta% 45 iyileştirme sadece tipik Jsc neden iyi dokulu superstrates üzerinde PECVD tarafından poli-Si ince film hücrelerinin üretiminde elde ne yarısı yaklaşık 29 mA / cm 2 (~% 90 donanıma göre yaklaşık referans düzlemsel hücre) 12. Dokulu superstrates üzerindeki hücrelerin çok daha iyi performans için iki önemli nedeni vardır. Dokulu önünden ilk olarak, yansıtmaHücre yüzeyi böylece daha akımı üreten hücre giren daha fazla ışık sonuçlanan düzlemsel yüzeyinden daha çok daha azdır. Düzlemsel ön yüzeyi ile plasmonic hücrelerin düşüktür özellikleri, geleneksel dokuma ile plasmonic ışık yakalayan daha rekabetçi yapmak için geliştirilmesi gerekmektedir. İkincisi, iki hücre arayüzleri düzlemsel ve paralel kalması halinde, ışığın önemli bir bölümü iç ve Speküler diffüz bir reflektör veya nanopartiküller ya saçılan olmadan hücre (Si / cam veya Si / MgF 2 arayüzü ~% 17) içinde yansıtılmıştır. Bu hücre yansıma spektrumları veya diffüz veya plasmonic reflektörlü düzlemsel hücrelerin EQE virajlarda girişim saçaklarını varlığında kendini gösterir. Daha az saçılma daha az ışık yakalayan, dolayısıyla daha az akım geliştirme anlamına gelir. F bir örnek EQE eğri gösterildiği gibi sigara paralel arabirimler de yansıyan olurken ışığı iyi dağınık dokulu hücreleri girişim saçaklarını yokig. 2.
Plasmonic nanopartiküller yanı sıra diffüz reflektör gibi güneş pilleri, arka tarafına uygulanan diğer yöntemlerle tarafından Fotoakım geliştirme göz önüne alındığında, daha yüksek akımlar mutlak ulaşma ya da daha yüksek akım geliştirme gösteren arasında bir trade-off hatırlamak önemlidir. Tiner cihazları kendisi Tablo 1, 22.3 vs 25.7 mA / cm 2 2 mikron ve 3 mikron kalınlığında hücreler için sonuçlar gösterdiği gibi oldukça düşüktür mevcut iken, yüksek akım geliştirme gösteren, ışık yakalayan daha fazla yarar. Benzer şekilde, bir kötü dalga boyu kısa ("mavi") tepki (5 tarif edilenler gibi) hücreler iyi olan hücreler daha uzun dalga boyu ("kırmızı") yanıtı, önemli olan, ışık yakalayan nispeten daha yüksek donanıma sahip mavi yanıt, ama ikincisi açıkça daha yüksek bir mutlak güncel ve böylece toplamda daha iyi bir performans olabilir. Fotovoltaik önemli bir hedefi daha iyi performi yapıyor gibing güneş hücreleri, tercih daha yüksek akımların mutlak, yüksek olmayan mevcut donanım yol açan ışığı-tutucu yöntemler verilmelidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Bu araştırma projesi CSG Güneş Pty Ltd Jing Rao ile bağlantı hibe yoluyla Avustralya Araştırma Konseyi tarafından destekleniyor NSW Rektör Yardımcısı Doktora Sonrası Araştırma Bursu onu Üniversitesi kabul eder. SEM görüntüleri NSW Üniversitesi Elektron Mikroskobu Birimi tarafından sağlanan ekipman kullanarak Park Jongsung tarafından çekilmiştir.
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
- Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).
- Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass. Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).
- Kunz, O., Ouyang, Z. 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).
- Van Nieuwenhuysen, K., Payo, M. R. Epitaxially grown emitters for thin film silicon solar cells result in 16% efficiency. Thin Solid Films. 518, S80-S82 (2008).
- Lee, B. G., Stradin, P. Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells. Appl. Phys. Lett. 99, 064101 (2011).
- Catchpole, K. R., Polman, A. Plasmonic solar cells. Optics Express. 16, 21793-21800 (2008).
- Ouyang, Z., Zhao, X. Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells. Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).
- Catchpole, K. R., Polman, A. Design principle for particle plasmon enhanced solar cells. Appl. Phys. Lett. 93, 191113 (2008).
- Beck, F. J., Mokkapati, S., Polman, A., Catchpole, K. R. Asymmetry in photocurrent enhancement by plasmonic nanoparticle arrays located on the front or on the rear of solar cells. Appl. Phys. Lett. 96, 033113 (2008).
- Beck, F. J., Verhagen, E. Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates. Optics Express. 19, 146-156 (2010).
- Kunz, O., Ouyang, Z., al, at 5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells. Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).
- 10% Efficient CSG minimodules. Keevers, M. J., Young, T. L. Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy, , 1783-1790 (2007).
