文摘

氧氮化硅的制备(以色列人)/氧化锌纳米管(NT)数组和他们的应用程序在提高能量转换效率(η)晶体Si-based太阳能电池(SCs)报道。锡安/氧化锌NT数组有graded-refractive-index从3.5 (Si)不等(如果₃N₄和氧化锌)(以色列人)到1(空气)。实验结果表明,使用0.4μ米长的氧化锌NT阵列150 nm厚的锡安涂膜处理增加39.2%在1.5 G (100 mW /厘米²)照明比常规SCs Si₃N₄/ micropyramid表面。此增强功能可以归因于锡安/氧化锌NT阵列有效释放表面反射和菲涅耳损失最小化。

1。介绍

通过湿化学腐蚀表面粗化过程(1,2],nanoimprint光刻[3),和纳米结构4,5)已经应用的上表面变粗糙光电设备。表面粗化已经吸引了相当大的兴趣等应用太阳能电池(SCs),发光二极管(led),紫外线光电探测器(UV-PDs)和气体传感器(6- - - - - -9]。一个适当的粗糙面可以显著提高SCs的表面反射率,缓解led的全内反射,增加UV-PDs和气体传感器的响应(6- - - - - -9]。然而,大多数表面粗化方法包括昂贵的光刻图案或繁琐的制作过程,甚至可以电气性能恶化,不适合大规模生产。

氧化锌是一种很有前途的材料表面粗化。它有一个宽的直接带隙(3.37 eV室温),大激子结合能(约60 meV) [10,11),可见地区约85%的透光率(12,13]。一维氧化锌纳米线(西北)阵列得到的重视由于其易于制造、低温处理,和独特的性质,如大长径比、高的表面体积比、载波监禁,可以改善设备性能(6,14- - - - - -16]。然而,氧化锌的透光率NW数组需要改进的光透射可见光光谱。

进一步提高光捕获效率(LTE)和传输SCs的可见区域,一个简单的和具有成本效益的表面粗化方案,采用锡安/氧化锌纳米管(NT)阵列提出了这项工作。该计划预计将减少graded-refractive-index菲涅耳损失效应的结构。常规SCs的光电特性和拟议的锡安/氧化锌NT数组,氧化锌NT数组,和常规氧化锌NW数组,分别进行比较和讨论。

2。实验

图1示意图显示了SC的四种类型,即SC-A, SC-B, SC-C,和常规的SC,准备在这个研究。常规SCs,准备使用标准的制造过程中,有一个KOH-etched micropyramid表面和Si₃N₄防反射涂层(AR)。一些常规的SCs,氧化锌NW数组,氧化锌NT数组,或锡安/氧化锌NT阵列合成的硅₃N₄基于“增大化现实”技术层。合成氧化锌NW阵列表面的常规SCs, 10 nm厚的氧化锌种子层sputter-deposited到Si₃N₄表面,和氧化锌NW数组是通过水热合成表面上的增长(高温凝胶)方法(17,18]。混合解决方案0.07氧化锌(没有₃)₂h·6₂O和0.07 C₆H₁₂N₄在80°C用于高温凝胶过程中120分钟。典型的直径和长度得到氧化锌NW数组的范围是100 - 200和400 - 500 nm,分别。这些被称为SC-C ZnO-NW-based设备。

一个两步高温凝胶法合成氧化锌NT数组定期SCs的表面上。合成氧化锌NT阵列尺寸等于西北的数组,高温凝胶参数上面提到的第一个高温凝胶过程中使用。第二步是在80°C进行了120分钟,然后在室温下24 h管形成,这可能是由于发生溶解过程在较低温度(19,20.]。除了增加表面粗糙度,氧化锌NT数组有望缓解光吸收发生在传统的氧化锌纳米线和克服光反射的问题,提供一个合适的有效折射率。SCs基于氧化锌NT数组被称为SC-B。

最后,一个150纳米厚的锡安层典型的折射率为1.72 ~ 1.75是涂在氧化锌NT数组使用plasma-enhanced化学气相沉积系统。混合气体的N₂NH 350 O (sccm)₃(10 sccm), 5%的硅₄120 (sccm)和N₂(400 sccm)是用于沉积过程。应用等离子体功率为120 W,燃烧室压力是700毫托,衬底温度保持在300°C。这些设备被称为SC-A。所有四种类型的SC的模具大小2.1厘米×3.4厘米。

光的反射和折射指数准备锡安电影和氧化锌纳米结构特征是使用分光光度计和一个椭圆计,分别。当前density-voltage (jv准备SCs)和EQE特点是使用科学技术测量的标准是1.5 g测试条件下150 W (100 mW /厘米²在25°C)。

3所示。结果与讨论

测量透光率和折射率(n准备了150 nm厚的锡安电影如图2。这部电影有很好的透光率约95%的可见光光谱和折射率1.72 - -1.75。研究结果表明,一个150纳米厚的锡安膜沉积在氧化锌NT数组不显著吸收阳光。电影创造了一个graded-refractive-index方案与折射率变化从2.0 ~ 2.1(氧化锌/ Si₃N₄)[21)1.72 ~ 1.75(以色列人)到1(空气)SC-A。图3显示前和tilted-view表面的扫描电子显微镜(SEM)图像形态学的四个类型的SC。独特的纳米结构可以清楚地观察到Si的顶部₃N₄/ n-Si表面。micropyramid结构如图3(一个)和3 (b)获得通过各向异性蚀刻的Si表面使用碱性溶液。他们平均高度和直径3和5μm,分别。数据3 (c)和3 (d)的形态学HTG-prepared氧化锌NW数组在Si₃N₄/ KOH-etched n-Si表面。数据3 (e)和3 (f)显示了氧化锌NT数组从高温凝胶过程的第二步。数据3 (g)和3 (h)显示锡安/氧化锌NT数组sphere-like表面获得通过沉积锡安的电影到氧化锌NT数组。

氧化锌的光反射率NW数组,氧化锌NT数组和锡安/氧化锌NT数组在氧化锌种子层(10 nm) /玻璃衬底如图4。可以看出,锡安/氧化锌NT数组有最好的抗反射特性(约10%)在可见光光谱,而氧化锌NWs数组反射率约为14%。图5显示的是测量外部量子效率(EQE)作为波长的函数λSC的四种类型具有不同的表面粗糙度。发现SC-A通常情商最高的可见光光谱,这是符合上面提到的反射率数据。锡安的高增透和EQE /氧化锌NT数组可以归因于sphere-like形态和graded-refractive-index层结构的形成。

的jv装配式SCs如图的特性6检查锡安的有效性/氧化锌NT阵列对提高能量转换效率。与常规的SC作为参考,SC测量参数的细节,即短路电流密度,开路电压、填充因子(FF),能量转换效率(),提高能量转换效率的提高插图中列出。表面粗化机制提供了不同程度的改善短路电流密度和FF,归因于一个直接后果的宽带光捕获和串联电阻的降低,相比与普通SCs。注意降低串联电阻是由电子和空穴浓度的增加由于空气最大化光线照射细胞的活跃区域。类似的实验结果对改进的SCs FF已报告具有不同的表面结构21- - - - - -23]。相比之下,开路电压显示没有明显的变化,这表明并联电阻的三种类型的SC不受表面粗化的影响。如图6、SC-A SC-B, SC-C展示分别增长39.2%、27.6%、和19.2%,比常规的SC在1.5 g (100 mW /厘米²)照明。SC-A (150 nm厚的锡安电影和0.4μ米长的氧化锌NT数组)显示最好的改善电池的性能。这可能是因为这种类型的表面粗化的有效性,促进角入射光的随机化和增强了LTE。此外,锡安/氧化锌NT数组创建一个graded-refractive-index表面结构方案,与折射率从2.0 - -2.1(氧化锌/ Si₃N₄)[24)1.72 - -1.75(以色列人)到1(空气)。锡安的使用可以从空气如果光照射最大化₃N₄,因此细胞的活跃区域,不会造成光反射,因为它提供了一个折射率(1.72 - -1.75),满足优化折射率方程(25],在那里的折射率是氧化锌/ Si吗₃N₄ (24),是伊娃的折射率(26]。

仿真结果如图7展示一个LTE改善趋势中获得类似的实验结果。进一步阐明表面粗化方案的有效性,与micropyramids SCs的光吸收效率,氧化锌NW数组在micropyramids,氧化锌NT数组在micropyramids和锡安/氧化锌NT数组在micropyramids模拟使用Tracepro [7]。结果如图所示7。的总通量SCs锡安/氧化锌NT数组在micropyramids远远大于与micropyramids SCs的,这是在良好的协议与实验结果。菲涅耳损失在空气/锡安/氧化锌/ Si₃N₄/ Si表面最小化通过表面粗化的综合效应和refractive-index-matched (RIM)计划提供的锡安/氧化锌NT数组。理论结果与实验吻合较好。尽管以色列人/氧化锌NT数组的结构参数需要进一步优化,结果为增加SCs的LTE提供指导。

4所示。结论

表面粗化方案的有效性证明对提高SCs的效率与锡安/氧化锌NT数组。RIM锡安(150 nm厚)/氧化锌NT (0.4μ米长)结构显著提高SC-A效率(39.2%)1.5 g (100 mW /厘米²)照明与普通SC。这种增强可以归因于RIM锡安/氧化锌NT数组结构促进入射光的角度随机表面的硅₃N₄/ n-Si层,有效地释放表面反射,和菲涅耳损失最小化。预计RIM提出方案与锡安/氧化锌NT数组可以应用high-energy-conversion-efficiency SCs做准备。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了科技部(大多数)的台湾,在格兰特大多数103 - 2221 - e - 006 - 132和美国国家科学委员会(NSC)的台湾,在格兰特NSC - 006 - 217 - 102 - 2221 e my2。作者要感谢全国纳米设备中心的实验室和微/纳米科技、国立成功大学,台湾,设备访问和资金和技术支持。