Base de silicium polycristallin en couches minces sur des cellules solaires en verre sont fabriqués par dépôt de couches de bore et de silicium dopé phosphore suivies par passivation défaut de cristallisation, et la métallisation. Plasmonique de blocage de lumière est introduit en formant nanoparticules Ag sur la surface cellulaire de silicium coiffé avec un réflecteur diffus résultant dans l'amélioration de ~ 45% photocourant.
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Article de méthode
Base de silicium polycristallin à couche mince des cellules solaires avec plasmonique amélioré par Light-piégeage
Dans cet article
Résumé
Résumé
L'une des principales approches pour réduire le coût des cellules solaires consiste à diminuer la quantité de matériau semi-conducteur utilisée pour leur fabrication, en rendant les cellules plus minces. Pour compenser une absorption lumineuse moindre, ces dispositifs physiquement minces doivent intégrer un piégeage de la lumière qui augmente leur épaisseur optique. La diffusion de la lumière par des surfaces texturées est une technique courante, mais elle ne peut pas être appliquée universellement à toutes les technologies de cellules solaires. Certaines cellules, par exemple celles fabriquées à partir de silicium évaporé, sont planes dès leur fabrication et nécessitent donc un moyen alternatif de piégeage de la lumière adapté aux dispositifs plans. La formation de nanoparticules métalliques sur la surface plane de la cellule en silicium, capables de diffuser la lumière grâce à la résonance des plasmons de surface, constitue une approche efficace.
L'article présente un protocole de fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin évaporé avec piégeage de lumière plasmonique et montre comment l'efficacité quantique de la cellule s'améliore en raison de la présence de nanoparticules métalliques.
Pour fabriquer les cellules, un film composé de couches alternées de silicium dopé au bore et au phosphore est déposé sur un substrat de verre par évaporation sous faisceau d'électrons. Un film initialement amorphe est cristallisé et les défauts électroniques sont atténués par recuit et passivation à l'hydrogène. Des contacts en grille métallique sont appliqués sur les couches de polarité opposée afin d'extraire l'électricité générée par la cellule. Typiquement, une telle cellule d'une épaisseur d'environ 2 μm présente une densité de courant en court-circuit (Jsc) de 14 à 16 mA/cm2, qui peut être augmentée jusqu'à 17 à 18 mA/cm2 (~25 % de plus) après l'application d'un réflecteur arrière diffus simple constitué d'une peinture blanche.
Pour mettre en œuvre le piégeage plasmonique de la lumière, un réseau de nanoparticules d'argent est formé sur la surface de silicium métallisée de la cellule. Un film précurseur d'argent est déposé sur la cellule par évaporation thermique, puis recuit à 23 °C afin de former des nanoparticules d'argent. La taille et la densité des nanoparticules, qui influencent la diffusion plasmonique de la lumière, peuvent être ajustées pour améliorer les performances de la cellule en modifiant l'épaisseur du film précurseur et les conditions de recuit. Un réseau de nanoparticules optimisé permet à lui seul d'augmenter le Jsc de la cellule d'environ 28 %, une valeur comparable à l'effet du réflecteur diffus. Le courant photoélectrique peut être encore accru en recouvrant les nanoparticules d'un diélectrique à faible indice de réfraction, comme le MgF2, et en appliquant le réflecteur diffus. La structure complète de la cellule plasmonique comprend une couche mince de silicium polycristallin, un réseau de nanoparticules d'argent, une couche de MgF2 et un réflecteur diffus. Le Jsc de cette cellule atteint 21 à 23 mA/cm2, soit jusqu'à 45 % de plus que le Jsc de la cellule d'origine sans piégeage de lumière, ou environ 25 % de plus que le Jsc de la cellule munie uniquement du réflecteur diffus.
Introduction
Le piégeage de la lumière dans les cellules solaires en silicium est généralement obtenu par diffusion de la lumière au niveau d'interfaces texturées. La lumière diffusée traverse la cellule selon des angles obliques, parcourant ainsi une distance plus longue, et lorsque ces angles dépassent l'angle critique aux interfaces de la cellule, la lumière est définitivement piégée à l'intérieur par réflexion totale interne (Animation 1 : Piégeage de la lumière). Bien que ce dispositif fonctionne bien pour la plupart des cellules solaires, certaines technologies émergentes utilisent des couches de silicium ultra-minces produites sous forme plane (par exemple, les technologies de transfert de couche et les couches de c-Si épitaxiées) 1 ou des couches incompatibles avec des substrats texturés (par exemple, le silicium évaporé) 2. Pour ces couches de silicium initialement planes, des approches alternatives de piégeage de la lumière ont été proposées, telles que l'utilisation d'un réflecteur blanc diffus 3, la texturation plasma du silicium 4 ou encore un réflecteur à nanoparticules à indice de réfraction élevé 5.
Les nanoparticules métalliques peuvent diffuser efficacement la lumière incidente vers un matériau d'indice de réfraction plus élevé, comme le silicium, grâce à l'effet de résonance des plasmons de surface 6. Elles peuvent également être facilement formées sur la surface plane d'une cellule en silicium, offrant ainsi une approche de piégeage de la lumière alternative au texturage. Pour une nanoparticule située à l'interface air-silicium, la fraction de lumière diffusée couplée dans le silicium dépasse 95 %, et une grande partie de cette lumière est diffusée sous des angles supérieurs à l'angle critique, créant ainsi des conditions de piégeage de la lumière quasi idéales (Animation 2 : Plasmons sur NP). La résonance peut être ajustée dans la région de longueur d'onde la plus importante pour un matériau et une conception de cellule donnés, en modifiant la taille moyenne des nanoparticules, leur taux de recouvrement et leur environnement diélectrique local 6,7. Des principes théoriques de conception de cellules solaires à base de nanoparticules plasmoniques ont été proposés 8. En pratique, un réseau de nanoparticules d'argent (Ag) constitue un partenaire idéal de piégeage de la lumière pour les cellules solaires en couche mince de silicium polycristallin, car la plupart de ces principes de conception sont naturellement satisfaits. La méthode la plus simple pour former des nanoparticules, à savoir le recuit thermique d'un fin film précurseur d'argent, conduit à un réseau aléatoire présentant une distribution relativement large en taille et en forme, ce qui est particulièrement adapté au piégeage de la lumière, puisque ce type de réseau possède un pic de résonance large, couvrant la plage de longueurs d'onde de 700 à 900 nm, cruciale pour les performances des cellules solaires en silicium polycristallin. Le réseau de nanoparticules peut uniquement être placé sur la face arrière de la cellule en silicium polycristallin, évitant ainsi les interférences destructives entre la lumière incidente et la lumière diffusée, qui se produisent avec des nanoparticules situées à l'avant 9. De plus, les cellules en couche mince de silicium polycristallin ne nécessitent pas de couche de passivation, et les nanoparticules de forme plate et basique (qui résultent naturellement du recuit thermique d'un film métallique) peuvent être directement déposées sur le silicium, ce qui augmente encore l'efficacité de la diffusion plasmonique grâce à la résonance plasmon-polariton de surface 10.
La cellule munie du réseau de nanoparticules plasmoniques tel que décrit ci-dessus peut présenter un courant photoélectrique environ 28 % plus élevé que celui de la cellule d'origine. Toutefois, le réseau transmet encore une quantité importante de lumière qui s'échappe par l'arrière de la cellule et ne contribue pas au courant. Cette perte peut être atténuée en ajoutant un réflecteur arrière permettant de capturer la lumière transmise et de la renvoyer vers la cellule. En assurant une distance suffisante entre le réflecteur et les nanoparticules (quelques centaines de nanomètres), la lumière réfléchie subit alors un événement supplémentaire de diffusion plasmonique en traversant à nouveau le réseau de nanoparticules lors de sa réentrée dans la cellule, et le réflecteur lui-même peut être rendu diffusant — ces deux effets favorisant davantage la diffusion de la lumière et donc son piégeage. Il est important que les nanoparticules d'argent soient encapsulées par un diélectrique inerte à indice de réfraction faible, tel que MgF2 ou SiO2, depuis le réflecteur arrière afin d'éviter tout dommage mécanique ou chimique 7. Un indice de réfraction faible pour cette couche d'isolation est nécessaire afin de maintenir une forte fraction de couplage dans le silicium et des angles de diffusion plus grands, ce qui est assuré par le fort contraste optique entre les milieux situés de part et d'autre de la nanoparticule, à savoir le silicium et le diélectrique 6. Le courant photoélectrique de la cellule plasmonique munie d'un réflecteur arrière diffusant peut être jusqu'à 45 % plus élevé que celui de la cellule d'origine, ou jusqu'à 25 % plus élevé que celui d'une cellule équivalente dotée uniquement d'un réflecteur diffusant.
Protocole
1. Fabrication de cellules solaires en silicium polycristallin (Animation 3)
- De dépôt de film de silicium
- Préparer l'outil d'évaporation par faisceau d'électrons par l'étuvage à ~ 100 ° C pendant la nuit pour atteindre la pression de base de <3E-8 Torr. Pré-régler le chauffe-échantillon à la température 150 ° C ° en mode veille.
- Utilisation d'un substrat fait de 5x5 cm 2 (10 x 10 cm ou 2) de substrat de verre de borosilicate (Schott Borofloat33), 1,1 ou 3,3 mm d'épaisseur, revêtues avec ~ 80 nm de nitrure de silicium (préparée par PECVD à partir de N 2 et SiH 4<....
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Discussion
Évaporés cellules de silicium polycristallines et les nanoparticules diffusion de la lumière plasmonique sont des partenaires idéaux pour la lumière-piégeage. Ces cellules sont planes, ils ne peuvent donc pas compter sur une diffusion de lumière à partir de surfaces texturées, ni nanoparticules plasmoniques être facilement formé sur les surfaces texturées. Les cellules ont un seul, face arrière avec le silicium directement exposés, qui se trouve être également le meilleur emplacement pour la plupart des nanoparticules p.......
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Déclarations de divulgation
Pas de conflits d'intérêt déclarés.
Remerciements
Ce projet de recherche est soutenue par le Conseil australien de la recherche par l'octroi de liaison avec CSG Solar Pty Ltd Rao Jing reconnaît son Université de NSW vice-chancelier de bourses postdoctorales. Images MEB ont été prises par Jongsung parc en utilisant le matériel fourni par l'Unité de microscopie électronique de l'Université de NSW.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Nom du réactif | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
| Granulaire Argent | Sigma-Aldrich | 303372 | 99,99% |
| MgF 2, cristaux aléatoires, de qualité optique | Sigma-Aldrich | 378836 | > = 99,99% |
| Peinture Dulux plafond en une seule couche | Dulux | R> 90% (500-1100 nm) |
Références
- 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).
- K....
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Réimpressions et autorisations
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