Daha ucuz güneş pillerine yönelik temel yaklaşımlardan biri, üretimde kullanılan yarı iletken malzeme miktarını azaltmak ve pilleri daha ince hale getirmektir. Işık emilimindeki düşüşü telafi etmek için, fiziksel olarak ince olan bu cihazların optik kalınlıklarını artıran ışık hapsetme yöntemlerini içermeleri gerekir. Dokulu yüzeyler aracılığıyla ışık saçılması yaygın bir tekniktir ancak tüm güneş pili teknolojilerine evrensel olarak uygulanamaz. Örneğin, buharlaştırılmış silisyumdan yapılan bazı piller üretim aşamasında düzlemseldir ve düzlemsel cihazlar için uygun alternatif bir ışık hapsetme yöntemi gerektirirler. Düzlemsel silisyum pil yüzeyinde oluşturulan ve yüzey plazmon rezonansı sayesinde ışığı saçabilen metal nanoparçacıklar etkili bir yaklaşımdır.
Bu çalışma, plazmonik ışık hapsetme özelliğine sahip buharlaştırılmış polikristal silikon güneş hücrelerinin bir üretim prosedürünü sunmakta ve metal nanoparçacıkların varlığı nedeniyle hücrenin kuantum verimliliğinin nasıl arttığını göstermektedir.
Hücreleri üretmek için, alternatif bor ve fosfor katkılı silikon katmanlardan oluşan bir film, elektron demeti evaporasyonu ile cam altlığın üzerine biriktirilir. Başlangıçta amorf olan film, tavlama ve hidrojen pasivasyonu ile kristalize edilir ve elektronik kusurlar azaltılır. Hücre tarafından üretilen elektriği çekmek için zıt polaritedeki katmanlara metal ızgara kontaklar uygulanır. Tipik olarak, ~2 μm kalınlığındaki böyle bir hücre 14-16 mA/cm2 kısa devre akım yoğunluğuna (Jsc) sahiptir; bu değer, beyaz boyadan yapılmış basit bir difüz arka yansıtıcının uygulanmasından sonra 17-18 mA/cm2'ye kadar (~%25 daha fazla) artırılabilir.
Plazmonik ışık hapsetmeyi uygulamak için, metalize edilmiş hücre silikon yüzeyi üzerinde bir gümüş nanoparçacık dizisi oluşturulur. Hücre üzerine termal buharlaştırma ile bir öncü gümüş film biriktirilir ve gümüş nanoparçacıklar oluşturmak için 23°C'de tavlanır. Plazmonik ışık saçılımını etkileyen nanoparçacık boyutu ve kaplama oranı, öncü film kalınlığı ve tavlama koşulları değiştirilerek hücre performansını artırmak amacıyla ayarlanabilir. Optimize edilmiş bir nanoparçacık dizisi tek başına, difüz reflektörün etkisine benzer şekilde, hücre Jsc değerinde yaklaşık %28'lik bir artış sağlar. Nanoparçacıkların MgF2 gibi düşük kırılma indeksli bir dielektrikle kaplanması ve difüz reflektörün uygulanmasıyla fotoakım daha da artırılabilir. Tam plazmonik hücre yapısı; polikristal silikon film, bir gümüş nanoparçacık dizisi, bir MgF2 tabakası ve bir difüz reflektörden oluşur. Böyle bir hücre için Jsc değeri 21-23 mA/cm2 olup, bu değer ışık hapsetme uygulanmamış orijinal hücrenin Jsc değerinden %45'e kadar daha yüksek veya sadece difüz reflektörlü hücrenin Jsc değerinden yaklaşık %25 daha yüksektir.
Giriş
Silikon güneş hücrelerinde ışık hapsetme, yaygın olarak dokulu ara yüzeylerdeki ışık saçılması yoluyla gerçekleştirilir. Saçılan ışık, hücre içinde eğik açılarla daha uzun bir mesafe kat eder ve bu açılar hücre ara yüzeylerindeki kritik açıyı aştığında, ışık tam iç yansıma ile hücrede kalıcı olarak hapsedilir (Animasyon 1: Işık hapsetme). Bu yöntem çoğu güneş hücresi için iyi çalışsa da, ultra ince Si katmanlarının düzlemsel olarak üretildiği (örneğin katman transfer teknolojileri ve epitaksiyel c-Si katmanları) 1 veya bu tür katmanların dokulu alt tabakalarla uyumlu olmadığı (örneğin buharlaştırılmış silikon) 2 gelişmekte olan teknolojiler mevcuttur. Başlangıçta düzlemsel olan bu tür Si katmanları için difüz beyaz boya reflektörü 3, silikon plazma dokulandırma 4 veya yüksek kırılma indeksli nanoparçacık reflektörü 5 gibi alternatif ışık hapsetme yaklaşımları önerilmiştir.
Metal nanoparçacıklar, yüzey plazmon rezonans etkisi nedeniyle gelen ışığı silikon gibi daha yüksek kırılma indeksine sahip bir malzemeye etkili bir şekilde saçabilir 6. Ayrıca, düzlemsel silikon hücre yüzeyinde kolayca oluşturulabildikleri için tekstüre işlemine alternatif bir ışık hapsetme yaklaşımı sunarlar. Hava-silikon arayüzünde yer alan bir nanoparçacık için silikona kenetlenen saçılan ışık oranı %95'i aşar ve bu ışığın büyük bir kısmı kritik açıların üzerinde saçılır, bu da neredeyse ideal bir ışık hapsetme koşulu sağlar (Animasyon 2: NP üzerindeki plazmonlar). Rezonans; nanoparçacık ortalama boyutu, yüzey kaplaması ve yerel dielektrik ortamı değiştirilerek, belirli bir hücre malzemesi ve tasarımı için en önemli olan dalga boyu bölgesine göre ayarlanabilir 6,7. Plazmonik nanoparçacıklı güneş hücrelerinin teorik tasarım ilkeleri önerilmiştir 8. Pratikte, Ag nanoparçacık dizisi poly-Si ince film güneş hücreleri için ideal bir ışık hapsetme ortağıdır çünkü bu tasarım ilkelerinin çoğu doğal olarak karşılanır. İnce bir öncül Ag filminin termal tavlanmasıyla nanoparçacıklar oluşturmanın en basit yolu, nispeten geniş bir boyut ve şekil dağılımına sahip rastgele bir dizi ile sonuçlanır; bu durum, söz konusu dizinin poly-Si güneş hücresi performansı için önemli olan 700-900 nm dalga boyu aralığını kapsayan geniş bir rezonans tepesine sahip olması nedeniyle ışık hapsetme için özellikle uygundur. Nanoparçacık dizisi sadece arka poly-Si hücre yüzeyine yerleştirilebilir, böylece ön tarafa yerleştirilen nanoparçacıklarda meydana gelen gelen ve saçılan ışık arasındaki yıkıcı girişimden kaçınılmış olur 9. Ayrıca, poly-Si ince film hücreler bir pasivasyon tabakası gerektirmez ve (bir metal filminin termal tavlanması sonucunda doğal olarak oluşan) düz tabanlı nanoparçacıkların doğrudan silikon üzerine yerleştirilebilmesi, yüzey plazmon-polariton rezonansı nedeniyle plazmonik saçılma verimliliğini daha da artırır 10.
Yukarıda açıklanan plazmonik nanoparçacık dizisine sahip hücre, orijinal hücreden yaklaşık %28 daha yüksek bir fotoakım değerine sahip olabilir. Ancak, dizi hala hücrenin arkasından kaçan ve akıma katkıda bulunmayan önemli miktarda ışık iletmektedir. Bu kayıp, iletilen ışığın yakalanmasını ve tekrar hücreye yönlendirilmesini sağlamak için arka bir reflektör eklenerek azaltılabilir. Reflektör ile nanoparçacıklar arasında yeterli mesafe (birkaç yüz nanometre) sağlandığında, yansıyan ışık hücreye yeniden girerken nanoparçacık dizisinden geçerken bir plazmonik saçılma olayına daha maruz kalacaktır ve reflektörün kendisi difüz hale getirilebilir; her iki etki de ışık saçılımını ve dolayısıyla ışık hapsetmeyi daha da kolaylaştırır. Önemli bir nokta olarak, mekanik ve kimyasal hasarları önlemek amacıyla Ag nanoparçacıkların, arka reflektörden itibaren MgF2 veya SiO2 gibi inert ve düşük kırılma indeksli bir dielektrik ile kapsüllenmesi gerekir 7. Silisyuma yüksek bir kuplaj oranı ve daha geniş saçılma açılarını korumak için bu kaplama tabakasında düşük kırılma indeksine ihtiyaç duyulur; bu durum, nanoparçacığın her iki yanındaki ortamlar olan silisyum ve dielektrik arasındaki yüksek optik kontrast ile sağlanır 6. Difüz arka reflektörlü plazmonik hücrenin fotoakımı, orijinal hücrenin akımından %45'e kadar daha yüksek veya sadece difüz reflektöre sahip eşdeğer bir hücrenin akımından %25'e kadar daha yüksek olabilir.