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Photovoltaics with Silicon Nanoparticles

Meseth, Martin

Today, the light absorber of almost all installed photovoltaic (PV) modules is made of single or multi crystalline silicon (c-Si or mc-Si). However, due to the reduced costs per installed power, a trend exists towards thin film cells since a few years. Thus, the future's aim of this work's investigations is to realize printable PV cells with a thin film absorber made from Si nanoparticles (NP) solely. Si is chosen, because it is non-toxic and an abundant resource. The particle form is selected, because NP can be dispersed, thus making them printable, resulting in a high material-efficiency for the future application. As a first step, in this work c-Si substrates were coated with highly doped Si NP and via laser annealing, a doped substrate layer was created. For the annealing, a continuous wave, infra red (IR, wave length λ = 808nm) and a pulsed, ultra violet (UV, λ = 248nm) laser were available. For both lasers, electrical (four point conductance) and analytical (SIMS / ECV) measurements proved a successful incorporation of dopants into the substrate. While the IR laser created doping depths of approx. 100µm, for the UV laser they were determined to be approx. 200nm. By applying this method on doped substrates and complementary doped NP, pn-junctions could be realized that exhibit a PV effect. The thin emitter layer (≈doping depth) is one important reason for the higher maximum conversion efficiencies η of the UV laser annealed samples (η ≈ 6%) when compared to the IR laser annealed ones (η ≈ 2%). Chemical and structural defects are supposed to be the major reason for the low conversion efficiencies when compared with c-Si PV. By reducing them, a considerable efficiency increase is expected. Due to the too big doping depth, the IR laser was excluded from further experiments. For the production of PV cells, the UV laser NP doping method may also be interesting to replace the aluminium (Al) from the standard back surface doping process: A reduction of the substrate thickness of future PV generations, would lead to a bending of the substrate due to the different thermal expansion coefficients of Si and Al. Using the presented technique, a back surface doping could be realized on semi-finished mc-Si PV cells; however, so far it is not certain, whether this technique can really create similar or even higher efficiencies as the standard process. Nevertheless, this method can be interesting for the PV industry already today, because a substrate bending should be prevented and an independent handling of the front and the back side is possible. After the feasibility of Si substrates doping, fundamental experiments were conducted to create pn-junctions form Si NP solely, in a second step. Thus, pn-samples were created by spark-plasma sintering (SPS) of p- on n-type NP material on the one hand and by successive spin coating of p- and n-type dispersions and their laser annealing on the other hand. While the SPS experiments primary aimed to get a directer insight of the pn-junction created only from NP, the spin coating method represents a much more application oriented way. In both cases, an electromotive force was measured, whereas it is not finally clarified, whether its origin really is PV. However, the success to realize conductive layers on insulating substrates is interpreted as a first step towards the future's aim of printable Si PV from NP.

Bislang besteht der Lichtabsorber nahezu aller installierter photovoltaischer (PV) Module aus ein- oder multikristallinem Silicium (c-Si oder mc-Si). Wegen ihrer geringeren Kosten pro installierter Leistung existiert jedoch seit einigen Jahren ein Trend hin zu Dünnschichtzellen. Das Fernziel der dieser Arbeit zugrundeliegenden Untersuchungen besteht deswegen darin, druckbare PV Zellen zu realisieren, deren Dünnfilm-Absorberschicht aus Si Nanopartikeln (NP) hergestellt wird. Si bietet sich an, da es ungiftig ist und eine nahezu unbegrenzt verfügbare Ressource darstellt. Die Partikelform wurde gewählt, weil NP dispergiert und somit materialeffizient verdruckt werden können. In einem ersten Schritt wurden in dieser Arbeit c-Si Substrate mit hoch dotierten Si NP beschichtet und mittels Laser-Temperns eine dotierte Substratschicht erzeugt. Für das Tempern standen ein infraroter (IR, Wellenlänge λ = 808nm) Dauerstrahllaser und ein gepulster, ultravioletter (UV, λ = 248nm) Laser zur Verfügung. Für beide Laser konnte durch elektrische (Vierpunkt-Leitfähigkeit) und analytische (SIMS / ECV) Messungen nachgewiesen werden, dass Dopanden in das Substrat eingebracht werden. Während der IR-Laser Dotiertiefen von ca. 100µm erzeugte, betrugen sie für den UV-Laser lediglich ca. 200nm. Durch Anwenden dieser Technik auf dotierte Substrate mit komplementär dotierten NP, konnten pn-Übergange geschaffen werden, die einen PV Effekt zeigen. Die dünnere Emitterschicht (≈Dotiertiefe) ist ein wichtiger Grund dafür, dass die maximalen Konversionseffizienzen η der UV-Laser behandelten Proben (η ≈ 6%) deutlich über denen der IR-Laser behandelten Proben (η ≈ 2%) liegen. Als Hauptgrund für die für c-Si PV vglw. niedrigen Konversionseffizienzen werden chemische und strukturelle Defekte vermutet. Ihre Reduktion lässt eine deutliche Effizienzsteigerung erwarten. Wegen der zu großen Dotiertiefe wurde der IR-Laser für weitere Experimente ausgeschlossen. Für die Produktion von PV Zellen kann die UV-Laser NP Dotiermethode weiterhin interessant sein, um das Aluminium (Al) aus dem Standardrückseitendotierprozess zu verdrängen: Bei einer Reduktion der Substratdicke zukünftiger Generationen von PV Zellen würde das Al wegen des von Si abweichenden, temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten zu einer Substratverbiegung führen. Mit der präsentierten Technik konnte eine Rückseitendotierung von mc-Si Solarzell-Halbzeugen realisiert werden; bislang ist aber nicht klar, ob die Technik wirklich zu einer ähnlichen oder sogar höheren Effizienz als der Standardprozess führen kann. Diese Methode könnte bereits heute für die PV-Industrie interessant sein, weil sie eine Verbiegung verhindern sollte und ein unabhängiges Bearbeiten von Vorder- und Rückseite ermöglicht. Nachdem es möglich war, Si Substrate umzudotieren, wurden in einem zweiten Schritt grundlegende Versuche durchgeführt, um pn-Übergänge nur aus Si NP herzustellen. So wurden pn-Proben einerseits durch Spark-Plasma-Sintern (SPS) von p- auf n-typ NP-Schüttungen und andererseits durch sukzessive Schleuderbeschichtung von p- auf n-typ Dispersionen und deren Lasertemperung hergestellt. Während die SPS-Versuche primär das Ziel verfolgten, einen direkteren Einblick in den nur aus NPn erzeugten pn-Übergang zu ermöglichen, stellt die Schleuderbeschichtungsmethode eine deutlich anwendungsnahere Methode dar. In beiden Fällen wurde eine elektromotorische Kraft gemessen, wobei nicht abschließend geklärt werden konnte, ob deren Ursprung die PV ist. Dass es aber gelang, leitfähige Schichten auf isolierenden Substraten zu realisieren, stellt einen ersten Schritt in Richtung druckbarer Si PV aus NP dar.

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Meseth, Martin: Photovoltaics with Silicon Nanoparticles. 2015.

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