Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 â 7 ...

More documents

Recommendations

Info

Evaluation <strong>of</strong> surface morphology <strong>of</strong> texturized Si wafers for solar cells applications Sławomir Białas, Politechnika Wrocławska, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Nauką zajmującą się pozyskiwaniem energii elektrycznej z promieniowania słonecznego jest fotowoltaika, a jej głównym kręgiem zainteresowań są ogniwa słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne, ogniwa PV). Sprawność ogniwa słonecznego, a więc jego zdolność do efektywnej konwersji promieniowania świetlnego na prąd elektryczny, zależy od szeregu czynników takich jak: ● rodzaj i grubość materiału użytego do wytworzenia ogniwa, ● technologia wytworzenia, ● zasłonięcie obszaru ogniwa pod elektrodą, ● warunki pracy (widmo promieniowania, temperatura, zacienienie), ● straty wynikające z nieabsorbowania fotonów wysoko- i niskoenergetycznych, ● straty wynikające z rekombinacji nośników prądu i rezystancji pasożytniczych, ● straty wynikające z odbicia promieniowania od powierzchni ogniwa. Ostatni z wymienionych czynników można minimalizować dzięki teksturyzacji, to znaczy rozwinięciu powierzchni w taki sposób, aby promieniowanie nie ulegało odbiciu, lecz pochłonięciu. Im więcej promieniowania zostanie pochłonięte, tym więcej fotonów dotrze w głąb materiału, a więc jest większe prawdopodobieństwo zajścia efektu fotowoltaicznego. Badania nad teksturyzacją powierzchni ogniw krzemowych prowadzone są przez autora niniejszej publikacji w ramach pracy magisterskiej w Zakładzie Mikroelektroniki i Nanotechnologii WEMiF Politechniki Wrocławskiej. Skupiono się nad znalezieniem najbardziej optymalnej geometrii tekstury, która wytworzona na powierzchni podłoża krzemowego zapewniałaby możliwie najmniejszy (a wręcz zerowy) współczynnik odbicia. W tym celu przeanalizowano zaprezentowane w literaturze symulacje komputerowe różnych struktur. Następnie zbadano (przy użyciu mikroskopii SEM) morfologię powierzchni podłoży krzemowych poddanych procesowi teksturyzacji. Celem analiz było skorelowanie geometrii powstającej tekstury ze spektralną charakterystyką współczynnika odbicia. Symulacje komputerowe tekstur ogniwa słonecznego Wpływ tekstury powierzchni na zmianę współczynnika odbicia uzależniony jest od szeregu czynników takich jak [1]: geometria tekstury, gęstość tekstury, kąt wierzchołkowy, wielkość elementów tworzących teksturę, regularność ułożenia elementów. Rys. 1. Zależność współczynnika odbicia od kąta padania promieniowania [2]; α – wielkość powierzchni nie steksturyzowanej, 0%, 10%, 60% – rozrzut wysokości piramid W literaturze można znaleźć wiele propozycji kształtów elementów tworzących teksturę oraz symulacje ich wpływu na zmniejszenie współczynnika odbicia promieniowania od powierzchni ogniwa. W pracy [2] zbadano wpływ regularności ułożenia standardowej, piramidalnej tekstury, powstającej w wyniku anizotropowego trawienia krzemu w roztworach alkalicznych, na współczynnik odbicia światła. Przebadano dwa parametry: stopień pokrycia powierzchni teksturą (α) i rozrzut wielkości piramid. Na rysunku 1 można zaobserwować, że przy określonej wielkości powierzchni podłoża niepokrytego teksturą, charakterystyki odbicia dla struktury o losowym i periodycznym rozkładzie tekstury w funkcji kąta padania promieniowania praktycznie się pokrywają. Można przyjąć, że tekstura o losowym rozmieszczeniu i wysokości elementów zachowuje się tak samo, jak analogiczna struktura o regularnym rozkładzie. Kolejną obserwacją wynikającą z symulacji przedstawionych w pracy [2] jest silna zależność reflektancji od wielkości powierzchni podłoża niepokrytej teksturą (współczynnik α na rys. 1). W stosunku do powierzchni nieteksturyzowanej, wprowadzenie tekstury na 75% powierzchni skutkuje obniżeniem współczynnika odbicia o blisko połowę (z 0,30 na 0,18). Teksturyzacja na całej powierzchni dodatkowo obniża odbicie do 15%. Parametr ten ma duże znaczenie w przypadku rzeczywistych ogniw, gdyż w procesie produkcji wytwarzana jest losowa tekstura, dla której istnieje duże prawdopodobieństwo występowania pustych obszarów pomiędzy piramidami. Wpływ kształtu wytrawionych na powierzchni krzemu elementów tekstury oraz wpływ rozwartości kąta wierzchołkowego na wartość współczynnika absorbcji światła zbadano w pracy [1]. Autorzy przeprowadzili szereg symulacji, w których przeanalizowano następujące kształty tekstury: stożek (o dwóch różnych gęstościach rozmieszczenia na powierzchni), czworościan, ostrosłup o podstawie kwadratowej (piramida) oraz ostrosłup o podstawie sześciokątnej (rys. 2). Symulowane struktury charakteryzowały się wysokością 5 µm oraz kątem wierzchołkowym zależnym od wielkości podstawy figury. Na podstawie wyników symulacji można zauważyć, że struktury stożkowe charakteryzują się najmniejszą wartością absorbcji. Dla tekstury o mniejszym upakowaniu elementów, maksymalna wartość absorbcji to 0,8 (dla kątów wierzchołkowych o rozwartości do 80° i długości fali 550 nm – 1000 nm). W przypadku tekstury o gęstości upakowania 96,1%, w zakresie 900...1000 nm, na charakterystyce pojawia się obszar o wielkości współczynnika absorbcji na poziomie 0,9. Potwierdza to wniosek z poprzednio cytowanego artykułu, że powierzchnia ogniwa niepokrytego teksturą ma istotny wpływ na reflektancję. Im większa powierzchnia bez tekstury (tzn. im większe odstępy pomiędzy elementami składowymi), tym większy współczynnik odbicia. Współczynnikiem absorbcji na poziomie 0,9 w większym zakresie długości fali cechują się tekstury na bazie ostrosłupów. Maksimum absorbcji dla takich struktur występuje dla długości fali 640…1080 nm. Można także zauważyć, że zakres kąta wierzchołkowego dla obszaru o maksymalnej absorbcji jest największy dla czworościanu – od 0° do około 100°. Skutkuje to większą dowolnością przy projektowaniu procesu technologicznego prowadzącego do otrzymania takiej tekstury oraz zwiększa stabilność współczynnika reflektancji w przypadku rozrzutu wartości kąta. Standardowa tekstura zbudowana z piramid sprawuje się najlepiej dla kątów wierzchołkowych mniejszych niż 80° (rys. 2f ), a struktura ostrosłupów o podstawie sześciokątnej dla kątów mniejszych niż 60°. 94 Elektronika 6/2012
Rys. 2. Analizowane kształty tekstury [1]: a – stożki o upakowaniu 89,1%, b – stożki o upakowaniu 96,1%, c – przylegające do siebie ostrosłupy o podstawie sześciokąta, d – przylegające do siebie piramidy z powiększeniem pojedynczego elementu z zaznaczeniem kąta wierzchołkowego, e – przylegające do siebie czworościany, f – wyniki symulacji dla tekstury d Rys. 3. Symulowane struktury w pracy [3]: a – krzemowa tekstura piramidalna, b – krzemowa tekstura w postaci V-rowków, c – szklana tekstura w postaci V-rowków Autorzy pracy [3] zaproponowali zastąpienie struktur, zbudowanych z regularnej matrycy elementów, V-rowkami wytworzonymi wzdłuż całej długości ogniwa. Konstrukcję taką można wykonać bezpośrednio w krzemie lub poprzez połączenie krzemu z odpowiednio uformowanym szkłem (rys. 3). Wysokość symulowanych elementów składowych tekstury była stała i wynosiła 50 µm. W przypadku matrycy krzemowych V-rowków otrzymano, dla dwóch wartości kątów: 40°, 60° mniejsze odbicia niż w przypadku standardowej tekstury. Natomiast dla struktury o kącie wierzchołkowym 70…80° wyniki symulacji pokrywają się z wartościami otrzymanymi dla tekstury piramidalnej (rys. 4). Najmniejsza osiągnięta wartość współczynnika odbicia dla krzemowych V-rowków to około 2% (dla kąta wierzchołkowego wynoszącego 40°). Jest to bardzo dobra wartość gwarantująca wysoką sprawność ogniwa. Pozostałe kąty (większe od 80 o ) nie zapewniają dobrych parametrów – wartości reflektancji osiągają nawet 35%. Tekstura szklana nie zapewnia mniejszych strat odbiciowych niż standardowa tekstura piramidalna. Symulacje przybliżają rzeczywiste zachowanie się tekstury na powierzchni ogniwa. Dzięki temu możliwe są prace badawcze nad optymalizacją, które nie wymagają nakładów finansowych na materiały i technologię. Obecnie pracuje się nad minimalizacją odbicia promieniowania w całym zakresie spektrum światła słonecznego, co jest warunkiem zadawalającej sprawności ogniw. Z przedstawionych rozważań wynika, że aby tekstura spełniała powyższy warunek konieczne jest zachowanie następujących założeń: ● całkowite pokrycie powierzchni frontowej teksturą (losowy lub regularny sposób rozmieszczenia elementów oraz rozrzut ich wysokości mają pomijalnie mały wpływ), ● unikanie detali tekstury w kształcie stożka, ● zachowanie następujących kątów wierzchołkowych w przypadku tekstury na bazie ostrosłupów: o podstawie trójkątnej (czworościan):
Page 1 and 2: Proceedings of the European Summer
Page 3 and 4: Spis treści str. 1. Analysis of se
Page 5 and 6: Fig. 4. Spectral reflectance depend
Page 7 and 8: tures in comparison to so far used
Page 9 and 10: Summary The silver nanopowder paste
Page 11 and 12: B A Rys. 5. Modele cząsteczek stos
Page 13 and 14: Laser texturing and microtreatment
Page 15 and 16: Tab. 2. Wyniki średnie, odchylenia
Page 17: Tab. 1. Elementy składowe komercyj
Page 21 and 22: Podsumowanie W wyniku badań doświ
Page 23 and 24: a) b) Fig. 4. ITME image: a) graphe
Page 25 and 26: To obtain the total thickness of th
Page 27 and 28: Optical and electrical parameters o
Page 29 and 30: Antireflection coating with plasmon
Page 31 and 32: Technological issues and optimizati
Page 33 and 34: GaAsN as a photovoltaic material -
Page 35 and 36: AP-MOVPE technology of AIIIBV-N het
Page 37 and 38: optical and structural features wer
Page 39 and 40: chanism, as it provides alternative
Page 41 and 42: The experimental results showed in
Page 43 and 44: de are believed to change the ioniz
Page 45 and 46: pyrrolidone). To 0.04 g of polymer
Page 47 and 48: Fig. 2. Structure of a) Poly(3-hexy
Page 49 and 50: 0,03 0,02 10 Current density (mA/cm
Page 51 and 52: Fig. 1. (A) Schematic representatio
Page 53 and 54: Azaheterocyclic materials for organ
Page 55 and 56: The influence of inclination and az
Page 57 and 58: Fig. 6. Hourly distribution of radi
Page 59 and 60: Fig. 2. CNT layer resistivity chang
Page 62: IV Elektronika 6/2012

Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 â 7 ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?

Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 â 7 ...