Light trapping with plasmonic back contacts in thin-film silicon solar cells

Paetzold, Ulrich Wilhelm; von Plessen, Gero

doi:999910309470

Light trapping with plasmonic back contacts in thin-film silicon solar cells = Lichteinfang in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen mit plasmonischen Rückkontakten

Paetzold, Ulrich Wilhelm (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ulrich Wilhelm Paetzold

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangX, 175 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
von Plessen, Gero (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-02-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-46025
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229863/files/4602.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Optoelektronik (Genormte SW) ; Photovoltaik (Genormte SW) ; Solarzelle (Genormte SW) ; Nanooptik (Genormte SW) ; Plasmon (Genormte SW) ; Oberflächenplasmon (Genormte SW) ; Lichtwellenleiter (Genormte SW) ; Nanostruktur (Genormte SW) ; Optisches Gitter (Genormte SW) ; Nanoimprint (Genormte SW) ; Optikmodellierung (Genormte SW) ; Photonik (Genormte SW) ; Simulation (Genormte SW) ; Dünne Schicht (Genormte SW) ; Lichtfalle (Genormte SW) ; FEM (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Lichtmanagement (frei) ; Dünnschicht (frei) ; photovoltaics (frei) ; light trapping (frei) ; plasmonics (frei) ; thin-film (frei) ; light management (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 42.25.Fx * 85.60.-q * 84.60.Jt * 73.20.Mf * 88.40.jj

Kurzfassung
Konzepte zur Lichtsammlung, sogenannte Lichtfallen, in Silizium-Solarzellen erlauben es die Absorption des einfallenden Sonnenlichtes in optisch dünnen Siliziumschichten zu erhöhen. Lichtfallen reduzieren die Kosten der Solarzellenproduktion, indem Absorbermaterial eingespart wird und die physikalischen Anforderungen an die Qualität des Materials reduziert werden. In dieser Arbeit werden plasmonische Ag-Rückkontakte in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen im Hinblick auf deren Lichtfalleneigenschaften untersucht. Elektromagnetische Simulationen plasmonischer Ag-Rückkontakte werden einhergehend mit Prototypen der plasmonischen Rückkontakte in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen präsentiert. Zunächst werden die Ergebnisse grundlegender Untersuchungen zur Konzeption der plasmonischen Nanostrukturen auf Ag-Rückkontakten in mikrokristallinen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen dargestellt. Die Untersuchungen basieren auf dreidimensionalen elektromagnetischen Simulationen. Ein Optimierungen der Form, Anordnung und des umgebenden Materials der Ag-Nanostrukturen im Hinblick auf deren Fähigkeit Licht mittels plasmonischer Effekte bei niedrigen Verlusten und hoher Streueffizienz in die mikrokristallinen Absorberschichten einzukoppeln ist beschrieben. Allgemein zeigt sich, dass periodische und auch vereinzelte halbsphärische Ag-Nanostrukturen von Strukturgrößen oberhalb von 200 nm sehr effizient Licht streuen. Allerdings zeigen kleine Ag-Nanostrukturen, von Strukturgrößen unterhalb von 100 nm, starke optische Verluste. An rauen Ag-Rückkontakten konventioneller Dünnschicht-Silizium-Solarzellen treten Ag-Nanostrukturen von Strukturgrößen unterhalb von 100 nm auf. Die damit verbundenen plasmoneninduzierten optischen Verluste am Rückkontakt der Solarzellen werden in dieser Arbeit untersucht und diskutiert. Dabei werden sowohl propagierende Plasmonen als auch lokalisierte Plasmonen in den Ag-Nanostrukturen berücksichtigt. In konventionellen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen wird eine ZnO:Al-Schicht mit niedrigem Brechungsindex eingesetzt, um die plasmonischen Verluste aus dem relevanten Spektralbereich zu verschieben. In dieser Arbeit wird das darüber hinausgehende Potential von dielektrischen Zwischenschichten mit niedrigerem Brechungsindex demonstriert. Zwei Ansätze zu plasmonischen Rückkontakten mit Lichtfallen-Eigenschaften in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen werden in dieser Arbeit verfolgt. Der erste Ansatz basiert auf Ag-Rückkontakten mit ungeordneten Verteilungen von Ag-Nanostrukturen. Die Herstellung, Charakterisierung und dreidimensionale elektromagnetische Simulation dieser Rückkontakte ist dargestellt. Gemessene Reflexionsspektren dieser plasmonischen Rückkontakte wurden erfolgreich mittels der elektromagnetischen Simulationen einzelner Nanostrukturen, die lokalisierte plasmonische Resonanzen besitzen, nachgebildet. Dies zeigt, dass die diffuse Reflexion der Ag-Rückkontakte durch plasmonische Lichtstreuung verursacht wird. Eine mikrokristalline Solarzelle, die auf einem solchen plasmonischen Rückkontakt hergestellt wurde, zeigt eine erhöhte Lichtsammlung im Vergleich zu einer flachen Solarzelle. Der zweite Ansatz dieser Arbeit zu plasmonischen Rückkontakten mit Lichtfallen-Eigenschaften in Dünnschicht-Silizium-Solarzellen verwendet periodisch angeordnete Ag-Nanostrukturen am Rückkontakt, die plasmonische Reflexionsgitter genannt werden. Ein implizierter Vorteil dieser Struktur ist die mögliche Kontrolle der Streuwinkel mittels der Beugungsordnungen des plasmonischen Gitters. Die plasmonischen Gitterstrukturen wurden in einem Nanoimprint-Prozess hergestellt. Prototypen der Dünnschicht-Silizium-Solarzellen, die plasmonische Reflexionsgitter verwenden, zeigen sehr gute Lichtfallen-Eigenschaften. Insbesondere konnte eine Verbesserung der Lichtausbeute im Vergleich zu konventionellen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen mit rauer Lichtfallen-Textur erzielt werden. Basierend auf elektromagnetischen Simulationen wurde der Lichtfallen-Effekt der plasmonischen Gitter am Rückkontakt der Solarzelle untersucht. Sowohl eine intuitive Erklärung auf Basis der geometrischen Optik als auch eine Erklärung auf Basis der Wellenleitertheorie ist dargestellt. Die erzielte sehr gute Übereinstimmung der simulierten und gemessenen spektralen Antwort der Prototypensolarzellen erlaubt es die plasmonischen Gitter mittels Simulationen zu optimieren. Ein hohes Verbesserungspotential ist identifiziert. Der demonstrierte Lichtfallen-Effekt für plasmonische Gitter am Rückkontakt on Dünnschicht-Silizium-Solarzellen ist der erste experimentelle Nachweis, dass plasmonische Strukturen ein hohes Potential zur Verstärkung des Lichtfallen-Effektes in mikrokristallinen Dünnschicht-Silizium-Solarzellen besitzen.

Trapping light in silicon solar cells is essential as it allows an increase in the absorption of incident sunlight in optically thin silicon absorber layers. This way, the costs of the solar cells can be reduced by lowering the material consumption and decreasing the physical constraints on the material quality. In this work, plasmonic light trapping with Ag back contacts in thin-film silicon solar cells is studied. Solar cell prototypes with plasmonic back contacts are presented along with optical simulations of these devices and general design considerations of plasmonic back contacts. Based on three-dimensional electromagnetic simulations, the conceptual design of plasmonic nanostructures on Ag back contacts in thin-film silicon solar cells is studied in this work. Optimizations of the nanostructures regarding their ability to scatter incident light at low optical losses into large angles in the silicon absorber layers of the thin-film silicon solar cells are presented. Geometrical parameters as well as the embedding dielectric layer stack of the nanostructures on Ag layers are varied. Periodic as well as isolated hemispherical Ag nanostructures of dimensions above 200 nm are found to scatter incident light at high efficiencies and low optical losses. Hence, these nanostructures are of interest for light trapping in solar cells. In contrast, small Ag nanostructures of dimension below 100 nm are found to induce optical losses. At the surface of randomly textured Ag back contacts small Ag nanostructures exist which induce optical losses. In this work, the relevance of these localized plasmon induced optical losses as well as optical losses caused by propagating plasmons are investigated with regard to the reflectance of the textured back contacts. In state-of-the-art solar cells, the plasmon-induced optical losses are shifted out of the relevant wavelength range by incorporating a ZnO:Al interlayer of low refractive index at the back contact. The additional but small potential for increasing the reflection at the back contact with dielectric interlayers of even lower refractive index, such as SiO2 and air, is demonstrated. The light-trapping effect of two types of plasmonic back contacts, which make use of large and efficiently scattering Ag nanostructures, is studied in thin-film silicon solar cell prototypes. The first type of plasmonic back contact applies non-ordered Ag nanostructures. The preparation, characterization and three-dimensional electromagnetic simulations of these back contacts with various distributions of non-ordered Ag nanostructures are presented. Measured reflectance spectra of the Ag back contacts with non-ordered nanostructures are correlated with reflectance spectra derived from three-dimensional electromagnetic simulations of isolated nanostructures on Ag back contacts. A microcrystalline silicon solar cell fabricated on one type of plasmonic Ag back contact with non-ordered Ag nanostructures shows a significantly enhanced plasmonic light trapping when compared with a flat solar cell. The second type of plasmonic back contact applies periodic arrangements of plasmonic Ag nanostructures in a square lattice at the surface of the Ag back contact. It is called a plasmonic reflection grating back contact. A particular advantage of this device is the control of the scattering angles via the diffraction orders of the grating while taking advantage of the efficient plasmon-induced light scattering at the Ag nanostructures. The plasmonic reflection grating back contacts are prepared with a nanoimprint process. The prototype microcristalline silicon solar cells exhibit a very good light-trapping effect. Even in comparison with solar cells with a state-of-the-art random texture for light trapping, an enhanced light-trapping effect is demonstrated for a solar sell with a plasmonic reflection grating of optimized period. Based on electromagnetic simulations, the light-trapping effect is explained from the intuitive perspective of geometrical optics as well as from the perspective of leaky waveguides. The obtained excellent agreement between the measured and simulated spectral response of the prototype solar cells allowed a simulation based optimization of the geometric parameters of the plasmonic reflection grating back contact. An additional large improvement potential for thin-film silicon solar cells with plasmonic reflection grating back contacts is shown. It shall be highlighted that the demonstrated light-trapping effect of plasmonic reflection grating back contacts is the first experimental proof that plasmonic nanostructures can induce a light-trapping effect competitive with the state-of-the-art random texture for light trapping in microcrystalline thin-film silicon solar cells. Improved plasmonic reflection grating back contacts are expeted to induce a further improved light-trapping effect which leads to significantly improved energy conversion efficiencies.

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