RU2728247C1 - Photovoltaic device - Google Patents
Photovoltaic device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2728247C1 RU2728247C1 RU2019144310A RU2019144310A RU2728247C1 RU 2728247 C1 RU2728247 C1 RU 2728247C1 RU 2019144310 A RU2019144310 A RU 2019144310A RU 2019144310 A RU2019144310 A RU 2019144310A RU 2728247 C1 RU2728247 C1 RU 2728247C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- type conductivity
- electrode
- metal
- silver
- Prior art date
Links
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 10
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 4
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 9
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 3
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 aluminum ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- KTSFMFGEAAANTF-UHFFFAOYSA-N [Cu].[Se].[Se].[In] Chemical compound [Cu].[Se].[Se].[In] KTSFMFGEAAANTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011358 absorbing material Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 229920013637 polyphenylene oxide polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910001923 silver oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N silver oxide Substances [O-2].[Ag+].[Ag+] NDVLTYZPCACLMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0216—Coatings
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/52—PV systems with concentrators
Abstract
Description
Изобретение относится к фотовольтаики, к составам покрытий полупроводниковых материалов, усиливающим поглощение солнечного излучения в видимом и ближнем ИК диапазонах и приводящее к генерации носителей заряда в солнечных панелях, тем самым к увеличению эффективности преобразования света.The invention relates to photovoltaics, to coating compositions of semiconductor materials that enhance the absorption of solar radiation in the visible and near-infrared ranges and leads to the generation of charge carriers in solar panels, thereby increasing the efficiency of light conversion.
На данный момент известно, что плазмонные эффекты используются для улучшения общей эффективности преобразования энергии, генерации фототока и спектрального отклика в солнечных панелях. Также известно, что прозрачные проводящие оксиды (ППО) играют важную роль в повышении эффективности преобразования излучения в ток в устройствах фотовольтаики. На данный момент, наибольшее распространение среди ППО получил оксид индия-олова (ITO), благодаря своему низкому удельному сопротивлению 1 мкОм⋅м и коэффициенту пропускания выше чем 80%. Однако, данный материал является дорогостоящим, поэтому дешевой альтернативой ITO является оксид цинка, легированный алюминием (AZO). Удельное сопротивления AZO порядка 2 мкОм⋅м. Данное покрытие является прозрачным для солнечного света и просветляющим для кремниевой пластины.It is now known that plasmonic effects are used to improve the overall efficiency of energy conversion, photocurrent generation and spectral response in solar panels. It is also known that transparent conducting oxides (TPOs) play an important role in increasing the efficiency of conversion of radiation into current in photovoltaic devices. At the moment, indium tin oxide (ITO) has received the most widespread among PPOs, due to its low specific resistance of 1 μOhm and a transmittance higher than 80%. However, this material is expensive, so a low cost alternative to ITO is aluminum alloyed zinc oxide (AZO). The specific resistance of AZO is about 2 μOhmОm. This coating is transparent to sunlight and antireflective to the silicon wafer.
Кремний является популярным и хорошо изученным полупроводниковым материалом фотовольтаики. Известно, что непрямозонный характер запрещенной зоны кремния является проблемой в усовершенствовании характеристик устройств на его основе. Непрямозонный характер запрещенной зоны значительно ограничивает поглощение света и генерацию зарядов и, таким образом, приводит к необходимости создания широких пленок порядка сотни микрон для достижения почти полного поглощения света панели. Совершено большое количество попыток включения плазмонных структур в кремневые солнечные панели для улучшения поглощения света и генерации тока путем захватывания большего количества света и образования сильной ближнепольной связи.Silicon is a popular and well-studied photovoltaic semiconductor material. It is known that the indirect-gap nature of the band gap of silicon is a problem in improving the characteristics of devices based on it. The indirect gap nature of the bandgap significantly limits the absorption of light and the generation of charges, and thus leads to the need to create wide films of the order of hundreds of microns to achieve almost complete absorption of panel light. Many attempts have been made to incorporate plasmonic structures into silicon solar panels to improve light absorption and current generation by capturing more light and forming strong near-field coupling.
Известен состав покрытия для кремниевой солнечной панели (патент US 10304976 В2, опубликован 28 мая 2019 года), приводящий к увеличению поглощения света внутри структуры солнечной панели. Усиливающий слой покрытия включает чешуйчатые графеновые листы (графеновые островки, разделенные графеновыми «морщинами») для пропускания излучения в структуру солнечной панели и наночастицы алюминия для рассеяния света внутрь панели. Графеновые чешуйчатые листы обеспечивают усиление поглощения света на длине волны 850 нм. Поверхность покрытия наночастицами алюминия должна составлять не более 30%. Размер наночастиц алюминия от 50 до 150 нм. В данном патенте наночастицы алюминия выбраны для предотвращения эффекта паразитного поглощения металлом, так как алюминий обладает плазмонным резонансом в УФ области спектра, где интенсивность солнечного света незначительна. Недостатком предложенного покрытия является сложная структура, слой «морщинистого» графена является дополнительным элементом в дополнении к просветляющему слою солнечного элемента и его получение требует добавление сложного трехстадийного технологического процесса получения графенового продукта, который можно нанести на поверхность солнечного элемента, из графита, через получение суспензии оксида графена в кислоте и химическом восстановлении оксида графена в течении нескольких часов, к технологии получения солнечных элементов на кристаллическом кремнии. Предложенное покрытие увеличивает эффективность преобразования солнечной энергии в устройстве на 19%, в то же время ведет к существенному удорожанию продукта.The known coating composition for a silicon solar panel (US patent 10304976 B2, published May 28, 2019), leading to an increase in light absorption within the solar panel structure. The reinforcing layer of the coating includes flake graphene sheets (graphene islands separated by graphene "wrinkles") for transmitting radiation into the solar panel structure and aluminum nanoparticles to scatter light into the panel. The graphene flake sheets provide enhanced light absorption at 850 nm. The coating surface with aluminum nanoparticles should be no more than 30%. The size of aluminum nanoparticles is from 50 to 150 nm. In this patent, aluminum nanoparticles are selected to prevent the effect of parasitic absorption by the metal, since aluminum has a plasmon resonance in the UV region of the spectrum, where the intensity of sunlight is negligible. The disadvantage of the proposed coating is a complex structure, the layer of "wrinkled" graphene is an additional element in addition to the antireflection layer of the solar cell and its production requires the addition of a complex three-stage technological process for obtaining a graphene product, which can be applied to the surface of a solar cell, from graphite, through obtaining an oxide suspension graphene in acid and chemical reduction of graphene oxide for several hours, to the technology of obtaining solar cells on crystalline silicon. The proposed coating increases the efficiency of solar energy conversion in the device by 19%, while at the same time leads to a significant increase in the cost of the product.
Известна структура (заявка US 2013/0037104 А1, опубликована 14 февраля 2013 года) в составе р-слоя тонкопленочной солнечной панели на р-n переходе, работающая на принципе плазмонного резонанса. Поглощающий р-слой представляет собой материал группы твердых растворов селенида меди-индия. Наночастицы благородных металлов размером 5-20 нм наносятся между двумя слоями р-типа, толщина зазора между слоями от 25-200 нм. Эффект основан на усиленном поглощении излучения наночастицами благородных металлов и локальным усилении поля вблизи наночастиц, что приводит к усилению поглощения р-слоем. Условие работоспособности схемы в том, чтобы скорость поглощения излучения материалом р-типа должна превышать скорость затухания плазмонов в наночастицах.Known structure (application US 2013/0037104 A1, published on February 14, 2013) in the composition of the p-layer of a thin-film solar panel at the pn junction, operating on the principle of plasmon resonance. The absorbing p-layer is a material of the group of solid solutions of copper-indium selenide. Nanoparticles of noble metals 5-20 nm in size are applied between two p-type layers, the thickness of the gap between the layers is from 25-200 nm. The effect is based on enhanced absorption of radiation by noble metal nanoparticles and local enhancement of the field near the nanoparticles, which leads to enhanced absorption by the p-layer. The condition for the operability of the circuit is that the rate of absorption of radiation by a p-type material should exceed the rate of decay of plasmons in nanoparticles.
Недостатком данного устройства является паразитное поглощение света в металлических структурах в видимом диапазоне спектра, а также необходимость внедрения этапа магнетронного напыления металлической структуры в технологию получения р-n солнечной панели.The disadvantage of this device is the parasitic absorption of light in metal structures in the visible range of the spectrum, as well as the need to introduce the stage of magnetron sputtering of a metal structure into the technology of obtaining pn solar panels.
Известно покрытие (заявка WO 2019200861 А1, опубликована 24 октября 2014 года), состоящие из просветляющего слоя диоксида титана с внедренными наночастицами благородных металлов. Покрытие предполагается наносить на солнечный элемент работающий на переходе Шоттки, представляющий собой графеновую пленку на подложке GaAs. Толщина слоя диоксида титана от 120 до 200 нм. Размер металлических наночастиц от 10 до 80 нм. Благодаря возбуждению локализованных плазмонных мод в наночастицах при освещении их светом с длиной волны резонансной собственным колебаниям свободных электронов в них, сечение рассеяния резонансного излучения частицей увеличивается, таким образом эффективность распространения солнечного света внутрь активной области возрастает.Кроме того, слой оксида титана является просветляющим покрытием для данного устройства, уменьшающим отражение падающего излучения. Фототок в солнечном элементе на переходе Шоттки, представляющем собой графеновую пленку на подложке GaAs возрастал на 27,33% при нанесении на его поверхность слоя диоксида титана с металлическими наночастицами серебра.Known coating (application WO 2019200861 A1, published October 24, 2014), consisting of an antireflection layer of titanium dioxide with embedded nanoparticles of noble metals. The coating is supposed to be applied to a solar cell operating on a Schottky junction, which is a graphene film on a GaAs substrate. The thickness of the titanium dioxide layer is from 120 to 200 nm. The size of metal nanoparticles is from 10 to 80 nm. Due to the excitation of localized plasmon modes in nanoparticles when illuminated with light with a wavelength resonant to the natural oscillations of free electrons in them, the scattering cross section of resonant radiation by the particle increases, thus the efficiency of the propagation of sunlight into the active region increases. In addition, the titanium oxide layer is an antireflection coating for this device to reduce the reflection of incident radiation. The photocurrent in a solar cell based on a Schottky junction, which is a graphene film on a GaAs substrate, increased by 27.33% when a titanium dioxide layer with metallic silver nanoparticles was deposited on its surface.
Недостатком данного патента является то, что в качестве просветляющего слоя диоксид титана не подходит для распространенных солнечных элементов на кремнии.The disadvantage of this patent is that titanium dioxide as an antireflection layer is not suitable for common solar cells based on silicon.
Известно устройство фотовольтаики, взятое в качестве прототипа (заявка WO 2009012397 A2, опубликована 22 января 2009 года), представляющее собой солнечную панель на р-n переходе, где р- слой выполнен в виде кристаллического кремния, а п- слой представляет собой пленку оксида титана, в котором происходит увеличение эффективности преобразования солнечного излучения за счет увеличения количества носителей в n-слое из-за эффекта передачи энергии коллективного колебания электронов при возбуждении поверхностной плазмонной моды в наноструктурированном металлическом слое одному электрону. Таким образом электрон получает энергию, т.н. «горячий» электрон и способен преодолевать барьер Шоттки образующийся между металлом и оксидом титана, составляющий 0,7 эВ.A photovoltaic device is known, taken as a prototype (application WO 2009012397 A2, published on January 22, 2009), which is a solar panel at the pn junction, where the p-layer is made in the form of crystalline silicon, and the p-layer is a titanium oxide film , in which there is an increase in the conversion efficiency of solar radiation due to an increase in the number of carriers in the n-layer due to the transfer of energy of collective vibration of electrons upon excitation of the surface plasmon mode in the nanostructured metal layer to one electron. Thus, the electron receives energy, the so-called. "Hot" electron and is able to overcome the Schottky barrier formed between the metal and titanium oxide, which is 0.7 eV.
Устройство состоит из следующих основных компонентов:The device consists of the following main components:
- подложка из кристаллического кремния Si (100) р-типа проводимости;- substrate of crystalline silicon Si (100) p-type conductivity;
- тонкая пленка SiO2, толщиной 100 нм, нанесенная на подложку из кристаллического кремния Si (100) р-типа проводимости, в качестве гладкого, изолирующего слоя;- a thin film of SiO 2 , 100 nm thick, deposited on a substrate of crystalline silicon Si (100) of p-type conductivity, as a smooth, insulating layer;
- золотого электрода, нанесенного на поверхность слоя SiO2;- a gold electrode deposited on the surface of the SiO 2 layer;
- пленки диоксида титана (TiO2), в качестве n-слоя проводимости толщиной от 50 до 150 нм, нанесенной на золотой электрод;- films of titanium dioxide (TiO 2 ), as an n-conduction layer with a thickness of 50 to 150 nm, deposited on a gold electrode;
- наноструктурированного слоя серебра толщиной от 1 до 50 нм, нанесенного на n-слой диоксида титана (TiO2);- nanostructured silver layer with a thickness of 1 to 50 nm, deposited on the n-layer of titanium dioxide (TiO 2 );
- второго электрода, нанесенного с обратной стороны слоя диоксида титана, на границе образуется омический контакт- the second electrode deposited on the reverse side of the titanium dioxide layer, an ohmic contact is formed at the boundary
- На границе серебра и слоя диоксида титана образуется барьер Шоттки, 0,7эВ;- At the interface between the silver and the titanium dioxide layer, a Schottky barrier is formed, 0.7 eV;
- Второй электрод нанесен с обратной стороны слоя диоксида титана, на границе образуется омический контакт.- The second electrode is applied on the reverse side of the titanium dioxide layer, an ohmic contact is formed at the boundary.
Устройство работает следующим образом. При освещении солнечным светом наноструктурированной пленки серебра, возбуждаются поверхностные плазмоны. Возбужденные плазмонные моды в наноструктурированном серебре при затухании передают всю энергию возбуждения электрону, который обладает энергией коллективной моды вплоть до 7 эВ. Большинство горячих электронов достигает границы раздела серебро/диоксид титана. Электроны, обладающие энергией, превышающей барьер Шоттки в 0,7 эВ, образующийся на границе серебра и слоя диоксида титана переходят в зону проводимости TiO2, увеличивая концентрацию носителей в n-слое, тем самым увеличивая значение тока, протекающего через гетеропереход, таким образом эффективность преобразования солнечного света в электричество увеличивается. Для возбуждения плазмонных мод толщина наноструктурированной пленки серебра должна составлять от 1 до 50 нм. Для варьирования длины волны возбуждения плазмонных мод, в качестве наноструктурированного металла можно выбрать: серебро, золото, медь, сплавы этих металлов друг с другом.The device works as follows. When a nanostructured silver film is illuminated by sunlight, surface plasmons are excited. Excited plasmon modes in nanostructured silver, when damped, transfer all the excitation energy to an electron, which has a collective mode energy up to 7 eV. Most of the hot electrons reach the silver / titanium dioxide interface. The electrons having energy greater than the Schottky barrier of 0.7 eV, which is formed on the border and the silver layer is titanium dioxide into the conduction band TiO 2, increasing the carrier concentration in the n-layer, thereby increasing the current flowing through the heterojunction thus efficiency conversion of sunlight into electricity is increasing. For the excitation of plasmon modes, the thickness of the nanostructured silver film must be from 1 to 50 nm. To vary the wavelength of excitation of plasmon modes, you can choose as a nanostructured metal: silver, gold, copper, alloys of these metals with each other.
Теоретически эффективность такого устройства может достигать 50%Theoretically, the efficiency of such a device can reach 50%.
Недостатком прототипа является наличие эффекта генерации свободных носителей только в одной области спектра, соответствующей плазмонной моде наноструктурированного слоя.The disadvantage of the prototype is the presence of the effect of generation of free carriers in only one spectral region corresponding to the plasmon mode of the nanostructured layer.
Предлагаемое изобретение решает задачу усиления поглощения солнечного света солнечной батареи в видимом и ближнем ИК диапазонах. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в увеличении количества носителей заряда, участвующих в переносе электрического тока через р-n переход. Данный технический результат достигается тем, устройство фотовольтаики, содержащее кремниевый слой р-типа проводимости с подключенным первым электродом, слой n-типа проводимости, представляющий собой оксид металла, к которому подключен второй электрод и частицы наноструктурированного серебра, отличается тем, что слой р-типа проводимости выполнен из аморфного кремния, между слоем оксида металла, к которому подключен второй электрод и слоем р-типа проводимости расположен слой аморфного кремния n-типа проводимости, частицы наноструктурированного серебра размером 30-40 нм внедрены на расстоянии 45-50 нм друг от друга с максимальной концентрацией не более 2⋅1015 на см3 в оксидный слой металла толщиной от 80 до 200 нм, в качестве которого использован оксид цинка легированный алюминием в процентном соотношении 0,5-1,5 молярных процента.The proposed invention solves the problem of enhancing the absorption of sunlight by a solar battery in the visible and near-IR ranges. The problem is solved by achieving a technical result, which consists in increasing the number of charge carriers involved in the transfer of electric current through the pn junction. This technical result is achieved by the fact that a photovoltaic device containing a silicon layer of p-type conductivity with a connected first electrode, a layer of n-type conductivity, which is a metal oxide, to which the second electrode and particles of nanostructured silver are connected, differs in that the layer of p-type conductivity is made of amorphous silicon, between the layer of metal oxide to which the second electrode is connected and the layer of p-type conductivity there is a layer of amorphous silicon of n-type conductivity, particles of nanostructured silver 30-40 nm in size are introduced at a distance of 45-50 nm from each other with with a maximum concentration of no more than 2 на10 15 per cm 3 in an oxide layer of a metal with a thickness of 80 to 200 nm, which is zinc oxide doped with aluminum in a percentage of 0.5-1.5 mol%.
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим.The essence of the claimed invention is illustrated as follows.
Устройство фотовольтаики (Фиг. 1), состоит из:Photovoltaic device (Fig. 1), consists of:
- диэлектрической подложки (не указана на рисунке);- dielectric substrate (not shown in the figure);
- слоя аморфного кремния (a-Si:H) р-типа проводимости 1 толщиной от 50 до 150 нм;- layer of amorphous silicon (a-Si: H) p-
- электрода 2, к слою аморфного кремния (a-Si:H) р-типа;-
- слоя оксида цинка, легированный ионами алюминия (AZO) 3, в процентном соотношении 0,5-1,5 молярных процента 3 толщиной от 80 до 200 нм;- a layer of zinc oxide, doped with aluminum ions (AZO) 3, in a percentage of 0.5-1.5
- электрод 4 к слою оксида цинка легированный ионами алюминия (AZO) 3;-
- наночастиц серебра 5 размером от 30 до 40 нм, встроенных в слой оксида цинка (1) на расстоянии 45-50 нм друг от друга с максимальной концентрацией наночастиц серебра в слое AZO 2⋅1015 на см3 -
- слоя аморфного кремния (a-Si:H) n-типа проводимости 6 толщиной от 150 до 250 нм.- a layer of amorphous silicon (a-Si: H) n-
Устройство работает следующим образом: при освещении слоя оксида цинка, легированного алюминием с внедренными наночастицами серебра, происходит возбуждение локализованных плазмонных мод как в наночастицах серебра в видимом диапазоне спектра, так и в AZO в ближней ИК области спектра. Возбужденные плазмонные моды в наночастицах серебра при затухании передают всю энергию возбуждения электрону, который обладает энергией коллективной моды. Большинство горячих электронов достигает границы раздела серебро/AZO. Барьер Шоттки на границе серебряной наночастицы и AZO составляет 2 эВ. Электроны, обладающие энергией, превышающей барьер Шоттки, переходят в зону проводимости AZO. При возбуждении плазмонной моды в AZO в ближнем ИК диапазоне происходит локальное усиление поля, приводящее к понижению барьера Шоттки до 1,2 эВ. Переход электронов в AZO под действием света наблюдается в спектрах фотопроводимости слоя AZO с внедренными наночастицами серебра в качестве двух спектральных пиков (Фиг. 2). Основным поглощающим материалом и источником электрон-дырочных пар является слой аморфного кремния (a-Si:H) n-типа проводимости. Селективно под действием излучения происходит увеличения концентрации носителей в слое оксида цинка с наночастицами серебра. Под действием приложенного напряжения происходит переход носителей из оксидного слоя в слой n-слой a-Si:H, таким образом увеличивается число носителей в активном слое.The device operates as follows: when illuminating a layer of zinc oxide doped with aluminum with embedded silver nanoparticles, localized plasmon modes are excited both in silver nanoparticles in the visible spectral range and in AZO in the near-IR spectral range. Excited plasmon modes in silver nanoparticles, upon decay, transfer all the excitation energy to an electron that has the energy of a collective mode. Most of the hot electrons reach the silver / AZO interface. The Schottky barrier at the interface between a silver nanoparticle and AZO is 2 eV. Electrons with energies exceeding the Schottky barrier pass into the AZO conduction band. Upon excitation of the plasmon mode in AZO in the near-IR range, a local enhancement of the field occurs, leading to a decrease in the Schottky barrier to 1.2 eV. The transition of electrons to AZO under the action of light is observed in the photoconductivity spectra of the AZO layer with embedded silver nanoparticles as two spectral peaks (Fig. 2). The main absorbing material and the source of electron-hole pairs is a layer of n-type amorphous silicon (a-Si: H). Selectively under the action of radiation, the concentration of carriers in the zinc oxide layer with silver nanoparticles increases. Under the action of the applied voltage, the carriers are transferred from the oxide layer to the n-layer a-Si: H, thus increasing the number of carriers in the active layer.
В основе изобретения лежит эффект существования двух механизмов генерации носителей в композитной структуре из оксида цинка, легированного алюминием с металлическими наночастицами серебра: первый связан с генерацией горячих электронов при затухании плазмонных колебаний в наночастицах серебра и их переходе в зону проводимости окружающего полупроводника, второй с локальным усилением поля при возбуждении локализованного плазмонного резонанса непосредственно в самом AZO. Известно, что при легировании оксида цинка алюминием в процентном соотношении, обеспечивающем концентрацию свободных носителей не менее чем 1020 см-3, AZO обнаруживает металлические свойства в ближней ИК, тем самым собственная частота колебаний электронов (плазменная частота) в AZO сдвигается в видимую и ближнюю ИК область спектра. Теоретическим обоснованием экспериментальных данных, а также моделированием, показано, что в такой композитной структуре имеет место возбуждение локализованных плазмонных резонансов в видимой области в наночастицах серебра и в ближней ИК области в AZO.The invention is based on the effect of the existence of two mechanisms of carrier generation in a composite structure of zinc oxide doped with aluminum with metal silver nanoparticles: the first is associated with the generation of hot electrons during decay of plasmon oscillations in silver nanoparticles and their transition to the conduction band of the surrounding semiconductor, the second with local amplification field upon excitation of a localized plasmon resonance directly in the AZO itself. It is known that when zinc oxide is doped with aluminum in a percentage that provides a concentration of free carriers of at least 10 20 cm -3 , AZO exhibits metallic properties in the near IR, thereby the natural frequency of electron oscillations (plasma frequency) in AZO shifts to the visible and near IR region of the spectrum. It is shown by theoretical substantiation of experimental data, as well as by modeling, that in such a composite structure there is excitation of localized plasmon resonances in the visible region in silver nanoparticles and in the near-IR region in AZO.
Изобретение обеспечивает решение задачи по усилению светопоглощения солнечной панели в видимой области 440±10 нм и в ближней ИК области от 900 до 1700 нм.The invention provides a solution to the problem of enhancing the light absorption of a solar panel in the visible region of 440 ± 10 nm and in the near-IR region from 900 to 1700 nm.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019144310A RU2728247C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Photovoltaic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019144310A RU2728247C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Photovoltaic device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2728247C1 true RU2728247C1 (en) | 2020-07-28 |
Family
ID=72085374
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019144310A RU2728247C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Photovoltaic device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2728247C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009012397A2 (en) * | 2007-07-18 | 2009-01-22 | The Regents Of The University Of Californina | Surface plasmon-enhanced photovoltaic device |
| CN101373795A (en) * | 2007-08-20 | 2009-02-25 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | Solar battery |
| RU2415495C2 (en) * | 2005-12-02 | 2011-03-27 | Хелиантос Б.В. | Photoelectric element |
| RU116689U1 (en) * | 2011-12-30 | 2012-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | SUN ELEMENT |
| RU2541698C2 (en) * | 2009-05-15 | 2015-02-20 | Тоталь Маркетинг Сервисиз | Photovoltaic device and method of its manufacture |
| WO2019200861A1 (en) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 华南理工大学 | Plasmon composite anti-reflection film enhanced solar cell and preparation method therefor |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019144310A patent/RU2728247C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2415495C2 (en) * | 2005-12-02 | 2011-03-27 | Хелиантос Б.В. | Photoelectric element |
| WO2009012397A2 (en) * | 2007-07-18 | 2009-01-22 | The Regents Of The University Of Californina | Surface plasmon-enhanced photovoltaic device |
| CN101373795A (en) * | 2007-08-20 | 2009-02-25 | 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 | Solar battery |
| RU2541698C2 (en) * | 2009-05-15 | 2015-02-20 | Тоталь Маркетинг Сервисиз | Photovoltaic device and method of its manufacture |
| RU116689U1 (en) * | 2011-12-30 | 2012-05-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)" | SUN ELEMENT |
| WO2019200861A1 (en) * | 2018-04-20 | 2019-10-24 | 华南理工大学 | Plasmon composite anti-reflection film enhanced solar cell and preparation method therefor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2423755C2 (en) | Front contact with adjacent intermediate layer(s) for use in photoelectric devices and method of making said contact | |
| Kim et al. | Remarkable progress in thin-film silicon solar cells using high-efficiency triple-junction technology | |
| US8216872B1 (en) | Method of integrating light-trapping layer to thin-film solar cell | |
| US7846750B2 (en) | Textured rear electrode structure for use in photovoltaic device such as CIGS/CIS solar cell | |
| JP6689456B2 (en) | Photovoltaic device with transparent tunnel junction | |
| US20080105298A1 (en) | Front electrode for use in photovoltaic device and method of making same | |
| US20090165845A1 (en) | Back contact module for solar cell | |
| US20080105293A1 (en) | Front electrode for use in photovoltaic device and method of making same | |
| US20080236661A1 (en) | Solar cell | |
| US20090283138A1 (en) | High performance optoelectronic device | |
| WO2005011002A1 (en) | Silicon based thin film solar cell | |
| US11810993B2 (en) | Solar cell, multi-junction solar cell, solar cell module, and photovoltaic power generation system | |
| WO2011081829A1 (en) | Photovoltaic window layer | |
| Wu et al. | 13· 9%‐efficient CdTe polycrystalline thin‐film solar cells with an infrared transmission of∼ 50% | |
| TW201030994A (en) | Two sided light absorbing type solar cell | |
| Mohamed | Optimized conditions for the improvement of thin film CdS/CdTe solar cells | |
| Chowdhury et al. | Enhanced performance of thin-film amorphous silicon solar cells with a top film of 2.85 nm silicon nanoparticles | |
| CN111640815B (en) | Preparation method of high-efficiency double-sided light-receiving flexible silicon heterojunction solar cell | |
| RU2728247C1 (en) | Photovoltaic device | |
| US20110155229A1 (en) | Solar cell and method for manufacturing the same | |
| TW201414001A (en) | Intentionally-doped cadmium oxide layer for solar cells | |
| Mostefaoui et al. | Optical study of a solar cell | |
| RU2390881C1 (en) | Photocell | |
| JP2011014635A (en) | Photoelectric conversion device, and method of manufacturing the same | |
| GB2468526A (en) | A thin film photovoltaic device with alkali metal active region |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20201026 Effective date: 20201026 |