Name: Plasmonic geliştirilmiş Işık-tutucu ile Polycrystalline Silikon İnce-film Solar hücreler (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-07-02T08:03:00.000+00:00
Duration: 9 min 32 s
Description: Keşfedin plazmonik nanopartiküller ile ince film güneş hücrelerinde ışık hapsedilmesini artırma yöntemini. Gümüş nanopartikül dizisi ve difüz arka yansıtıcı kullanılarak fotogerilim %45 yükseltilir.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Polikristalin silikon güneş hücreleri Fabrikasyon (Animasyon 3) <ol><li> Silikon film biriktirme <ol class="lalpha"><li> ~ 100 dışarı pişirme ile e-demeti buharlaştırma aracı hazırlayın ° C &lt;3E-8 Torr taban basıncına ulaşmak için gece boyunca. 150 ° C bekleme sıcaklığı Preset örnek ısıtıcı. </li><li> 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. </li><li> Tozunu ve bir numune tutucu içine yerleştirmek için kuru azot ile substratın yüzeyine üfleyin. , Yük kilidi havalandırın örnek yük basıncı &lt;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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Kusur pasivasyon Uzaktan hidrojen plazma kaynağı ile donatılmış bir vakum haznesine Örnek yerleştirin. Aşağı Pompa &lt;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&#39;nin altına düşene kadar başka bir 10-15 dk plazma ining. Sıcaklığının altında 200 ° C olduğunda, örnek boşaltma </li><li> Hücre metalizasyon Hücre metalizasyon ardışık fotolitografik desen, Al film biriktirme ve 11 &#39;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&#39;de gösterilmektedir. </li><li> Metalize hücrenin EQE ölçün. </li></ol> 2. Plasmonic Ag Nanopartikül (Animasyon 4) Fabrikasyon <ol><li> 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. </li><li> 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 </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Nanoparçacık dizi ile hücrenin EQE ölçün. </li></ol> 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. <ol><li> Arka reflektör imalatı önce hücre rehber onlara siyah bir işaretleyici mürekkep uygulanarak korunacak zorunda olan bir asansör-off sürecinde dielektrik altındaki kişileri teşhir sağlar. </li><li> 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. </li><li> 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 </li><li> QCM kullanarak yatırılan kalınlığı izleyin ve 300 nm ulaşıldığında deklanşör kapatın. </li><li> Isıtıcı kapatın. W tekne yaklaşık 15 dakika soğumasını bekleyin, örnek boşaltın. MgF 2 kaplama ile hücre görünümü değişikliği unutmayın. </li><li> 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. </li><li> 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 (~&gt; 0.5 mm) olması yeterli kalınlıkta olmalıdır. Bir gün için kuru boya edelim. </li><li> Beyaz boya arka reflektör ile hücrenin EQE ölçün. </li></ol> 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. <table border="1"><tbody><tr><td> Hücre kalınlığı: </td><td colspan="2"> 2 mikron </td><td colspan="2"> 3 mikron </td></tr><tr><td></td><td> Jsc, mA / cm 2 </td><td><s<html> Trong&gt; +% </td><td> Jsc, mA / cm 2 </td><td> +% </td></tr><tr><td> orijinal hücre </td><td> 15.4 </td><td></td><td> 18.1 </td><td></td></tr><tr><td> Arka diffüz reflektör (R) </td><td> 20.1 </td><td> 30.5 </td><td> 21.5 </td><td> 18.8 </td></tr><tr><td> Nanopartiküller (NP) </td><td> 20.3 </td><td> 31.8 </td><td> 21.9 </td><td> 21.0 </td></tr><tr><td> NP / MgF 2 / R </td><td> 22.3 </td><td> 45.3 </td><td> 25.7 </td><td> 42.0 </td></tr></tbody></table> Tablo 1. Plasmonic hücre kısa devre akımı ve özgün hücre göre Zenginleştiricisi. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig1.jpg" /> Metalizasyon ızgara ile poli-Si ince film güneş pili Şekil 1. Close-up görünümünde. / Ftp_upload/4092/4092fig2.jpg &quot;/&gt; Şekil 2. Silikon yüzeye Ag nanopartiküllerin elektron mikroskobu görüntüsü taranıyor. <img alt="Şekil 3" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig3.jpg" /> Şekil 3. Bir plasmonic kristal silisyum ince film güneş pili (ölçeksiz) şematik görünümü. <img alt="Şekil 4" src="/files/ftp_upload/4092/4092fig4.jpg" /> 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 </em&gt; 22,32 mA / cm 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation1.pptx" target="_blank">Animasyon görmek için buraya tıklayın</a> . Animasyon 2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation2.pptx" target="_blank">Animasyon görmek için buraya tıklayın</a> . Animasyon 3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation3.pptx" target="_blank">Animasyon görmek için buraya tıklayın</a>. Animasyon 4. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation4.pptx" target="_blank">Animasyon görmek için buraya tıklayın</a> . Animasyon 5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/4092/4092animation5.pptx" target="_blank">Animasyon görmek için buraya tıklayın</a> .

<ol><li>Kerf-free wafering. Henley, F. J. Proc. 35th IEEE Photovoltaic Specialist Conference, Honolulu, USA, , 1184-1192 (2010).</li>
<li>Kunz, O., Wong, J., Janssens, J., Bauer, J., Breitenstein, O., Aberle, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shunting+problems+due+to+sub-micron+pinholes+in+evaporated+solid-phase+crystallised+poly-Si+thin-film+solar+cells+on+glass%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovoilt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">Shunting problems due to sub-micron pinholes in evaporated solid-phase crystallised poly-Si thin-film solar cells on glass.</a> Progress Photovoilt.: Res. Appl. 17, 35-46 (2009).</li>
<li>Kunz, O., Ouyang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5%25+Efficient+evaporated+solid-phase+crystallised+polycrystalline+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon solar cells.</a> Progress Photovolt.: Res. Appl. 17, 567-573 (2009).</li>
<li>Van Nieuwenhuysen, K., Payo, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitaxially+grown+emitters+for+thin+film+silicon+solar+cells+result+in+16%25+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Epitaxially grown emitters for thin film silicon solar cells result in 16% efficiency.</a> Thin Solid Films. 518, S80-S82 (2008).</li>
<li>Lee, B. G., Stradin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light-trapping+by+a+dielectric+nanoparticle+back+reflector+in+film+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Light-trapping by a dielectric nanoparticle back reflector in film silicon solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 99, 064101(2011).</li>
<li>Catchpole, K. R., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Plasmonic+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Plasmonic solar cells.</a> Optics Express. 16, 21793-21800 (2008).</li>
<li>Ouyang, Z., Zhao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+enhanced+light-trapping+in+thin-film+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt.%3A+Res.+Appl%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle enhanced light-trapping in thin-film silicon solar cells.</a> Progress Photovolt.: Res. Appl. 19, 917-926 (2011).</li>
<li>Catchpole, K. R., Polman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+principle+for+particle+plasmon+enhanced+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Design principle for particle plasmon enhanced solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 191113(2008).</li>
<li>Beck, F. J., Mokkapati, S., Polman, A., Catchpole, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Asymmetry+in+photocurrent+enhancement+by+plasmonic+nanoparticle+arrays+located+on+the+front+or+on+the+rear+of+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Asymmetry in photocurrent enhancement by plasmonic nanoparticle arrays located on the front or on the rear of solar cells.</a> Appl. Phys. Lett. 96, 033113(2008).</li>
<li>Beck, F. J., Verhagen, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resonant+SPP+modes+supported+bt+discrete+metal+nanoparticles+on+high+index+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Resonant SPP modes supported bt discrete metal nanoparticles on high index substrates.</a> Optics Express. 19, 146-156 (2010).</li>
<li>Kunz, O., Ouyang, Z., al, at <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((5%25+Efficient+evaporated+solid-phase+crystallised+polycrystalline+silicon+thin-film+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+Photovolt%22%5BJournal%5D)">5% Efficient evaporated solid-phase crystallised polycrystalline silicon thin-film solar cells.</a> Progress Photovolt. 17, 567-573 (2009).</li>
<li>10% Efficient CSG minimodules. Keevers, M. J., Young, T. L. Proc. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, Italy, , 1783-1790 (2007).</li>
</ol>

Çıkar çatışması ilan etti.

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 ...

<table border="1"><tbody><tr><td> Reaktif Adı </td><td> Şirket </td><td> Katalog numarası </td><td> Yorumlar </td></tr><tr><td> Gümüş granüler </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 303372 </td><td> % 99.99 </td></tr><tr><td> MgF 2, rastgele kristaller, optik notu </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 378836 </td><td> &gt; =% 99.99 </td></tr><tr><td> Dulux tek kat tavan boyası </td><td> Dulux </td><td></td><td> R&gt;% 90 (500-1100 nm) </td></tr></tbody></table>

plasmonic geliştirilmiş işık-tutucu ile polycrystalline silikon İnce-film solar hücreler

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

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.

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.

Plasmonic geliştirilmiş Işık-tutucu ile Polycrystalline Silikon İnce-film Solar hücreler

Daha ucuz güneş pilleri için temel yaklaşımlardan biri, üretimde kullanılan yarı iletken malzeme miktarını azaltmak ve pilleri daha ince hale getirmektir. ...

Aşağıdaki deneyin genel amacı, plazmonik nanoparçacıkların neden olduğu ışık saçılmasının, ince film güneş pillerinde ışık hapsetmeyi nasıl artırdığını ve performanslarını nasıl iyileştirdiğini göstermektir. Bu, ince film güneş pilinin arka yüzeyine öncü bir gümüş film kaplanması ve ardından ışığı saçan rastgele bir gümüş nanoparçacık dizisi oluşturmak için tavlanmasıyla gerçekleştirilir. İkinci adım olarak, nanoparçacık dizisine sahip güneş pili, nanoparçacık dizisinden geçen ışığı yakalamak amacıyla önce bir magnezyum florür dielektrik tabakası ve ardından difüz bir arka yansıtıcı eklemek için beyaz bir boya ile kaplanır. Hücre fotokimyasal akımını daha da artırmak için, güneş piline giren ve ilk geçişte emilmeyen ışık, hem nanoparçacık dizisi hem de arka difüz yansıtıcı tarafından eğik açılarla hücreye geri saçılır; bu durum optik hücre kalınlığını artırarak ışık absorbsiyonunu iyileştirir. Elde edilen sonuçlar, plazmonik ışık saçan yansıtıcının varlığında güneş pili kısa devre akımının %45 oranında arttığını göstermektedir.Bu tekniğin, dokulandırmaya dayalı geleneksel ışık hapsetme yaklaşımlarına göre temel avantajı; düzlemsel ve tamamen üretilmiş cihazlara uygulanabilmesi, böylece doku kaynaklı kusurlar veya cihaz üretim süreçleriyle uyumsuzluktan kaynaklanan imkansız karmaşıklıkların önlenmesidir. Bu yöntem kristal silikon güneş hücrelerine uygulanmış olsa da, performanslarını artırmak amacıyla amorf silikon ve mikrokristal film hücreler, organik güneş hücreleri ve hatta ışık yayan diyotlar gibi diğer güneş hücresi türlerine ve optoelektronik cihazlara da uygulanabilir. Bu protokole, bu videoya eşlik eden yazılı protokolde açıklandığı şekilde polikristal silikon güneş hücrelerinin üretimi ile başlayın.İki hafta süren fabrikasyon işlemi sonucunda elde edilen hücrenin bu yakın çekim görüntüsü, silikon nanoparçacıkların oluşturulacağı metalizasyon deseni arasındaki hücre silikon yüzeyini göstermektedir. Tozları temizlemek için metalize edilmiş hücre yüzeyini kuru nitrojen ile üfleyin ve örneği, 0,3 ile 0,5 gram gümüş granülü ile doldurulmuş bir tungsten tekne içeren termal evaporatöre yerleştirin. Evaporatör odasını 2 ila 3 x 10⁻⁵ tor temel basınca kadar vakumlayın. Sonraki program.Gümüş parametreleri yüklü, kısaca QCM olarak adlandırılan kuvars kristal monitörü kullanın. Numune kapağının kapalı olduğundan emin olun ve tungsten tekne ısıtıcısını açın. Bir gözlem penceresinden izleyerek gümüş granülleri eriyene kadar, basıncın 8 × 10⁻⁵ tor değerinin üzerine çıkmasını önleyecek şekilde akımı yavaşça artırın. Basınç stabilize olduktan sonra, akımı saniyede 0,1 ila 0,2 angstromluk gümüş biriktirme hızına karşılık gelen set noktasına ayarlayın.Biriktirme işlemini başlatmak için kapağı açın. Artı mono reflektör üretimindeki kritik bir husus, en yüksek performansa sahip nanoparçacık dizilerini oluşturmak için gümüş film kalınlığını ve diz koşullarını hassas bir şekilde kontrol etmektir.Büyüyen gümüş film kalınlığını QCM kullanarak izleyin ve 14 nanometre kalınlığa ulaşıldığında panjuru kapatın, tungsten teknenin yaklaşık 15 dakika boyunca soğumasını bekleyin ve ardından örneği boşaltın; taze kaplanmış gümüş film içeren hücre, 230 °C'ye ön ısıtılmış, azotla temizlenmiş bir fırına yerleştirilir ve 50 dakika boyunca tavlanır. Tavlama işlemini takiben, nanoparçacıkların varlığı nedeniyle yüzey görünümünde belirgin bir değişiklik meydana gelir. Arka reflektör, yaklaşık 300 nanometre kalınlığında magnezyum florür dielektrik kaplama ve üzerinde ticari beyaz tavan boyası katmanından oluşur.Arka reflektörü oluşturmadan önce, hücre kontaklarının üzerine siyah markör mürekkebi uygulayarak onları koruyun. Bu işlem, kontakların dielektrik tabakanın altından bir liftoff işlemi ile açığa çıkarılmasını sağlar. Tozu temizlemek için nanoparçacık dizisini ve boyanmış kontakları bir azot tabancasıyla üfleyin.Haftalık olarak yapışan nanoparçacıkların uzaklaştırılmasını önlemek için orta düzeyde bir azot basıncı kullanın. Numuneyi, magnezyum florür parçalarıyla doldurulmuş bir tungsten tekne içeren termal buharlaştırıcıya yerleştirin.Evaporatörü 2 ila 3 x 10⁻⁵ torr basınç değerine kadar vakumlayın. Magnezyum florür için QCM parametrelerini ayarlayın, numune panjurunun kapalı olduğundan emin olun ve kayık ısıtıcısını açın. Magnezyum florür, gözetleme deliğinden görüldüğü üzere eriyene kadar, aşırı basınç artışını önlemek için akımı yavaşça artırın.Basınç stabilize olduktan sonra, akımı saniyede 0.3 nanometre magnezyum florür biriktirme hızına karşılık gelen set değerine ayarlayın ve numune kepenklerini açın. Biriken kalınlığı QCM kullanarak izleyin ve 300 nanometreye ulaşıldığında kepenkleri kapatın; tungsten tekne yaklaşık 15 dakika boyunca soğuduktan sonra ısıtıcıyı kapatın ve numuneyi boşaltın. Magnezyum florür kaplama ile hücre görünümündeki değişikliği not edin.Hücre kontaklarındaki mürekkep maskesini çıkarmak için, dielektrik kaplamalı hücreyi asetona daldırın. Mürekkebin üzerindeki dielektrik çatlamaya ve kalkmaya başlayana kadar bekleyin. Dielektrikle birlikte tüm mürekkep temizlenene ve metal kontaklar tamamen açığa çıkana kadar hücreyi asetonun içinde tutun.Numuneyi asetondan çıkarın. Azot tabancası ile deneyin. Tüm hücre yüzeyine ince yumuşak bir fırça ile bir kat beyaz boya uygulayın.Metal kontaklara dikkatlice değdirmeden, boya tabakasının tamamen opak olacak kadar kalın olması gerekir; böylece boyanmış hücreden parlak bir ışık kaynağına bakıldığında hiçbir ışık görülmemelidir; boyayı bir gün boyunca kurumaya bırakın. Güneş hücresi kısa devre akımı, dış kuantum verimliliği veya EQE eğrisinin standart küresel güneş spektrumu üzerinden entegre edilmesiyle hesaplanır. Hem hücre akımı hem de ışık hapsetme nedeniyle meydana gelen artış, hücre absorbe katman kalınlığına bağlıdır.Akımın kendisi daha kalın hücreler için daha yüksektir, ancak akım artışı daha ince cihazlar için daha fazladır. Işık hapsetme özelliği olmayan orijinal iki mikron kalınlığındaki hücrelerin kısa devre akım yoğunluğu, difüz arka reflektör ile yaklaşık olarak santimetrekare başına 15 miliamper olarak ölçülmüştür. Hücrenin arka yüzeyinde bir nanoparçacık dizisi oluşturulduktan sonra akım, santimetrekare başına yaklaşık 20 miliamper olabilir veya %25 ila %31 oranında artış gösterebilir.Kısa devre akım yoğunluğu, %32'lik bir artışla santimetrekare başına yaklaşık 20 miliampere kadar yükselmektedir ki bu, difüz arka reflektörün artırma etkisinden biraz daha iyidir. Kısa devre akım yoğunluğu, ancak plazmonik nanoparçacık dizisine sahip hücrenin magnezyum florür kaplamasına arka difüz reflektör eklendikten sonra santimetrekare başına 22,3 miliampere veya yaklaşık %45 artışa kadar daha da yükselir. Üç mikron kalınlığındaki hücre için tüm akımların santimetrekare başına 25,7 miliampere kadar daha yüksek olduğu, ancak göreceli artışın %42 ile biraz daha düşük olduğu not edilmelidir. Işık hapsetme, bir kez optimize edildiğinde, daha ince cihazlarda nispeten daha büyük bir etkiye sahiptir.Bu prosedür, uygun şekilde gerçekleştirildiğinde dört ila beş saat içinde tamamlanabilir. Oda sıcaklığında yaklaşık 12 saat sürecek olan yansıtıcı boyanın kuruması bu süreye dahil değildir. Bu videoyu izledikten sonra, güneş pilleri için plazmonik kil hapsetme yönteminin nasıl çalıştığına dair iyi bir fikre sahip olmalısınız.Ayrıca, hücre fotoakımındaki ışık hapsetmeyi iyileştirmek için güneş pilleri üzerinde plazmonik benzeri bir saçıcı yansıtıcının nasıl üretileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.

polycrystalline-silicon-thin-film-solar-cells-with-plasmonic-enhanced

Research

JoVE Journal

Engineering

Mühendislik

Plasmonic cımbız ve fotonik kristal nanoyapıların optik yakalama mikro ve nano-parçacıklar verimlilik ve yönlendirme kontrolü yararlı geliştirmeler üretmek için gösterilmiştir.

Gelişmiş mikro ve Nanopartikül Manipülasyon Plasmonic ve Fotonik Kristal Nanoyapıların Kullanımı

Güneş enerjisi üretimi için konuşlandırılabilir nanokristal kompozit yarı iletken yük-ayırma geliştirilmesi için genel bir strateji sunulmuştur. Verici-alıcı nanokristal film yığın-heterokavşaklar fotovoltaik enerji dönüşüm için kullanılabilir ederken, bir tek nanoparçacık geometri verici-alıcı nanokristal etki bu montaj bir fotokatalitik işlev yol açmaktadır göstermektedir.

Şarj-Ayırma Nanokristaller ve Bunların Katılar Yoluyla Güneş Enerjisi Hasat

Konsantre bir fotovoltaik sistemde paralel spektrum bölücü dağıtıcı eleman olarak yüksek kontrastlı ızgaraların imalatı gösterilmiştir. Nanoimprint litografi, TiO2 püskürtme ve reaktif iyon aşındırma dahil olmak üzere üretim süreçleri açıklanmaktadır. Yansıma ölçüm sonuçları, optik performansı karakterize etmek için kullanılır.

Bir Konsantre Fotovoltaik Sistemde Spectrum Yarma Dağılım Eleman Yüksek Kontrast Gratings imalatı

Güneş pillerinde plazmonik metal nanoyapıları tanıtmak için uygun bir transfer baskı tabanlı metodoloji açıklanmaktadır.  Nanopillar poli (dimetilsiloksan) damgaları kullanılarak, Ag bazlı sıralı bir nanodisk dizisi, standart hidrojene mikrokristalin Si güneş pilleri ile entegre edildi ve bu da plazmonik ışık yakalama nedeniyle cihaz performanslarının iyileştirilmesine yol açtı.

Transfer Baskı ile Hidrojene Mikrokristal Silikon Güneş Pilleri Işık Yakalama Gümüş Nanoyapıların Entegrasyonu

CdS veya ZnS'nin yarı iletken kabukları ile kaplanmış tek tip altın nanoparçacıkların sentezi gerçekleştirilir. Yarı iletken kaplama, önce bir gümüş sülfür kabuğunun biriktirilmesi ve gümüş katyonlarının çinko veya kadmiyum katyonları ile değiştirilmesiyle gerçekleştirilir.

Sentezi, Karakterizasyonu ve Hibrid Au / CdS ve Au / ZnS Çekirdek / Shell Nanopartiküller işlevselleştirilmesi

Bu protokol, iletken olmayan yüzeyler üzerinde ince film elektronik üretmek için tabaka inorganik nano-kristalin tabakasının sentezi ve çözelti depozisyonunu tarif etmektedir. Solvent stabilize mürekkepler sonrası birikimi ligand değişimi ve sinterleme aşağıdaki spin ve sprey kaplama yoluyla cam yüzeylerde tam fotovoltaik cihazlarını üretebilir.

Tam Çözüm İşlenmiş İnorganik nanokristal Fotovoltaik Cihazlarının İmalatı

elektron alıcısı ve elektron veren polimer fabrikasyonu olarak Ti alkoksitler dayalı tamamen yazdırılabilir, fulleren içermeyen, yüksek hava kararlı, toplu heteroeklem güneş hücreleri için bir yöntem burada tarif edilmektedir. Ayrıca, Ti-alkoksit ünitelerinin moleküler şişkinliğini yoluyla fotoaktif tabakasının morfolojisinin kontrol edilmesi için bir yöntem olup bildirilmektedir.

Ti-alkoksit ve Yarıiletken Polimer dayanarak Tamamen Yazdırılabilir Organik-İnorganik Toplu heteroeklem Güneş Pilleri için Morfoloji Kontrolü

plasmonik cımbız katılan bir mikroçip üretim süreci burada sunulmuştur. Mikroçip maksimum sıkıştırma kuvvetinin ölçülmesi için bir tuzak parçacığın görüntülenmesine olanak sağlar.

Bir İzleme Ortamında plasmonik Yakalama ve Nanopartiküller Yayın

Burada, biz mevcut detaylı iletişim kuralları için çözüm işlenen gümüş-bizmut-iyot (Ag-Bi-ı) Üçlü Yarıiletken ince filmler TiO2üzerinde fabrikasyon-kaplı şeffaf elektrotlar ve onların hava-kararlı olarak potansiyel uygulama ve kurşun içermez Opto-elektronik cihazlar.

Çözüm işlenen "Gümüş-bizmut-iyot" Üçlü ince filmler için kurşunsuz fotovoltaik emiciler

Burada, yüksek performanslı GaP/Si heterojunction güneş hücreleri bir yüksek Si azınlık taşıyıcı ömür boyu ile geliştirmek için bir protokol mevcut.

Yüksek performanslı GaP/Si Heterojunction güneş hücreleri gelişmekte

Bu çalışma, gelişmiş verimlilik için ince emici kadmiyum selenyum tellürit/kadmiyum telluride fotovoltaik cihazların tam üretim sürecini açıklar. Süreç, küçük alan araştırma cihazlarının ve büyük ölçekli modüllerin imalatından ölçeklenebilir yakın alan süblimasyon birikimi için otomatik bir sıra içi vakum sistemi kullanır.

Yakın Alan Süblimasyon-Gelişmiş Kısa Devre Akım Yoğunluğu ve Fotolüminesans için Ultra İnce CdSeTe/CdTe Güneş Pilleri

Keşfedin plazmonik nanopartiküller ile ince film güneş hücrelerinde ışık hapsedilmesini artırma yöntemini. Gümüş nanopartikül dizisi ve difüz arka yansıtıcı kullanılarak fotogerilim %45 yükseltilir.

Plasmonic geliştirilmiş Işık-tutucu ile Polycrystalline Silikon İnce-film Solar hücreler

Daha fazla video keşfet