Resultaten en bevindingen van project
Light management in thin-film solar cells (LightIn) Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE).
Datum Status
2011 Definitief
Technische Universiteit Delft, e.a. in opdracht van Agentschap NL
Colofon
Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon
Light management in thin-film solar cells (LightIn) Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn EOSLT04029 Technische Universiteit Delft
Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.
Openbaar eindrapport LightIn project Projectnummer EOSLT04029 Contact person: M. Zeman Penvoerder: Technische Universiteit Delft Mede aanvragers: Energieonderzoek Centrum Nederland Nuon Helianthos b.v. Projectperiode: 1 Januari 2007 – 31 Augustus 2011
Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL.
1
Gegevens project Projectnummer: EOSLT04029 Projecttitel: Light management in thin-film solar cells (LightIn) Penvoerder: Technische Universiteit Delft Projectperiode: 1 januari 2007 tot 31 augustus 2011 Samenvatting van de uitgangspunten en de doelstelling van het project en de (eventueel) samenwerkende partijen; Het uitganspunt van het LightIn project was de verhoging van het omzettingsrendement van dunne-film silicium zonnecellen door het ontwikkelen en toepassen van geavanceerde licht management technieken. De ontwikkelde technieken zijn gericht om de optische verliezen in bestaande dunne-film silicium zonnecellen, zoals parasitische absorptie in metallische achter contact, en de lichtopsluiting in de absorberende lagen te verhogen door effectiever licht verstrooiing. In dit project werden twee nieuwe lichtverstrooiingstechnieken onderzocht en ontwikkeld. De eerste techniek is gebaseerd op de manipulatie van golflengte-selectieve reflectie en transmissie van licht op gewenste posities in een zonnecel. De tweede techniek richt zich op de hoek-selectieve manipulatie van het licht dat wordt verstrooid op ruwe overgangen tussen de lagen in de zonnecel. Voor de eerste techniek zijn fotonische kristalachtige structuren ontwikkeld waarmee de hoge reflectie in een gewenst gebied bereikt kan worden. De fotonische kristalachtige structuur is opgebouwd uit dunne lagen van twee materialen met verschillende optische eigenschappen die op elkaar gestapeld zijn. Voor de tweede techniek werden periodische verstrooiingsrasters (“diffraction gratings”) onderzocht. Deze fotonische structuren en rasters werden gefabriceerd en gekarakteriseerd. Nieuwe oppervlak texturen werden gerealiseerd op staal- en aluminiumfolies (de substraten waarop zonnecellen zijn aangebracht) met aanvullende verstrooiende en reflecterende lagen. De verstrooiings eigenschappen van de folies werden gekarakteriseerd. In dit project werkten de volgende groepen samen: de sectie Photovoltaïsche Materialen en Componenten van de Technische Universiteit Delft (TUD-PVMD), Microelektronica instituut DIMES, Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), Helianthos b.v. van Nuon en Optical Media&Technology (OM&T) b.v. van Moser Bear bedrijf. De sectie TUD-PVMD heeft haar fundamentele kennis, modelering faciliteiten en technologische infrastructuur voor dunne-film silicium lagen en zonnecellen in het project ingebracht. ECN heeft haar ervaring met de ontwikkeling en fabricage van silicium gebaseerde zonnecellen en Nuon Helianthos heeft haar ervaring met de ontwikkeling van productie van dunne film silicium zonnecellen in een industriële omgeving ingebracht. De OM&T groep bracht de expertise in het gebied van 1-D en 2-D periodische texturering van een oppervlak van substraten voor zonnecellen. Dit was een ideale combinatie voor het onderzoek en de ontwikkeling van nieuwe licht verstrooiingstechnieken voor dunne-film silicium zonnecellen. •
Beschrijving van de behaalde resultaten, de knelpunten en het perspectief voor toepassing;
Het eerste belangrijke resultaat is het ontwerp en de ontwikkeling van procestechnologie om 1-D dielectrische fotonische kristallen te produceren met de gewenste eigenschappen. Een voorbeeld van de optische eigenschappen fotonische kristallen, die met behulp van simulaties met het ASA programma ontworpen zijn, is in figuur 1 gegeven. In figuur 1 is de reflectie van 1-D diëlektrische fotonische kristallen gebaseerd op vier paren van a-Si:H / SiO2 lagen te zien. De reflectie bereikt 100% in een bepaald golflengte gebied. De simulaties zijn geverifieerd met gefabriceerde 1-D fotonische kristallen en de uitstekende overeenkomst tussen gesimuleerde en gemeten reflectie is in figuur 2 weergegeven. De 1-D fotonische kristallen zijn toegepast in dunne silicium zonnecellen als alternatief voor de metallische reflectors. Het schema om de 1-D fotonische kristallen toe te passen als achter reflector in een amorf silicium zonnecel met ZnO:B (BAZO) achter 2
electrode is in figuur 3 geïllustreerd. De eerste zonnecelresultaten waren vergelijkbaar met de prestatie van een referentie zonnecellen met Al of Ag contacten. Voor zover bekend, zijn soortgelijke zonnecelstructuren niet eerder gemaakt en gepubliceerd. 100% Reflectance
1.0
i-a-Si:H/SiO2 4 periods (8 layers)
0.8
0.6
RTOT
RTOT
0.8
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0.0 400
600
800
1000
100% Reflectance
1.0
1200
Wavelength (nm)
Figuur 1: Gesimuleerde reflectie van vier paren van of a-Si:H / SiO2 lagen.
1400
0.0 400
Simulation Experimental
600
800
1000
1200
Walength (nm)
Figuur 2: Gesimuleerde en gemeten reflective van zes paren van a-Si:H / a-SiNx:H lagen.
Figuur 3: Het schema voor de toepassing van 1-D fotonische kristallen als achter reflector in een amorf silicium zonnecel. RIE betekent “Reactive Ion Etching”. 3
Unieke resultaten zijn gegenereerd met de toepassing van 3-D optische simulaties met de FEM (Finite Element Method) op zonnecellen met periodische getextureerde overgangen. Deze simulaties leidden tot optimalisatie van zonnecelstructuur afhankelijk van de geometrische parameters van de periodische texturen. De optimalisatie van geometrische parameters van verstrooiingsrasters, met name de periode en de diepte, is in figuur 4 gepresenteerd, waarin de toename in kortsluitstroom dichtheid (Jsc) van een amorf silicium zonnecel wordt vergeleken met de Jsc van een zonnecel met vlakke overgangen. Voor deze type simulaties is grote belangstelling van onderzoeksgroepen in Europa en Japan. De 3-D optische simulaties werden gekoppeld aan de elektrische simulaties met het ASA programma van TU Delft. Hierdoor kan de complete prestatie van zonnecellen worden gesimuleerd. De groep van TU Delft heeft een internationale leidende positie op dit gebied.
2
JSC [mA/cm ]
16 15
1-D gratings 2-D gratings
+25.53% +19.67%
14
h = 150 nm
13 12 Flat (0%)
11
2
JSC [mA/cm ]
16
+30.65%
+25.46%
15 14
h = 300 nm
13 12 Flat (0%)
11 +32.53%
2
JSC [mA/cm ]
16 15
+19.18%
14
h = 450 nm
13 12 11
Flat (0%) 300
400
500
600
700
800
900
1000
Period [nm] Figuur 4: JSC analyse voor verschillende periodes en dieptes van 1-D en 2-D verstrooiingsrasters. De ingelijste waarden zijn de grootste verbeteringen ten opzichte van zonnecel met vlakke overgangen.
Meetmethodes om de optische parameters van dunne lagen en verstrooiingsparameters van ruwe oppervlakken nauwkeurig te meten in een breed golflengte gebied zijn binnen het project ontwikkeld. Er is belangstelling van internationale partners om hun samples met de ontwikkelde methodes te meten. Het innovatieve concept van “modulated surface texture (MST)”, een concept dat verschillende verstrooiingsmechanismen combineert, was ontwikkeld bij de PVMD groep aan de TU Delft dat. Deze benadering biedt kansen om het licht management in dunne zonnecellen verder te ontwikkelen, te verbeteren en optimaliseren. In figuur 5a is het proces om MST te fabriceren schematisch weergegeven en een voorbeeld van gefabriceerde MST substraat is in figuur 5b te zien. 4
Figuur 5: a) proces stappen om MST te fabriceren en b) voorbeeld van MST gefabriceerd op geëtste glas en geëtste ZnO laag.
De ontwikkeling en toepassing van unieke oppervlak bewerking van ECN en Helianthos substraten heefttot betere prestatie van gefabriceerde zonnecellen geleid dankzij efficiëntere licht opsluiting. ECN heeft een “embossing” techniek ontwikkeld om periodische 1-D en 2-D oppervlak-patronen, zoals in figuur 6 weergegeven, op de staal folie aan te brengen. Nuon Helianthos heeft de texturering van aluminium folie gecombineerd met de textuur van aangebrachte TCO (transparante geleidende oxide). De ontwikkeling van de getextureerde TCO met gebruik van roll-to-roll “Atmospheric Chemical Vapour Deposition” (APCVD) richtte zich op de realisatie van de optimale TCO oppervlak textuur voor verhoogd verstrooiing van licht in een amorf silicium zonnecel.
Figuur 6: a) SEM beeld van 2-D periodische master en b) SEM beeld van de replica.
De resultaten verkregen in dit project hebben een aantal nieuwe wetenschappelijke vragen gegenereerd, voornamelijk over wat is de optimale overgang textuur in een dunnefilm zonnecel?. Deze textuur is afhankelijk van het materiaal van de absorberende laag en is anders voor amorf silicium zonnecel in vergelijking met microkristallijn zonnecel. De
5
simulaties laten zien dat de optimale geometrische parameters van de periodische textuur afhangen van onder andere de dikte van de absorberende laag. De ontwikkeling van nieuwe technieken voor het aanbrengen van patronen op het oppervlak van substraten zoals “embossing” of “nano-imprinting” is cruciaal om de geoptimaliseerde textuur te gebruiken in dunne zonnecellen. De toepassing van deze nieuwe licht opsluitingstechnieken is essentieel om het rendement van dunne-film silicium zonnecellen te verhogen. Dit is bevestigd door het recente persbericht van firma Oerlikon, waarin het bedrijf laat zien dat door de textuur op glas te combineren met de textuur van TCO laag, het rendement van micromorf tandem silicium zonnecel stijgt van 11.9% naar 12.5%. De benadering die Oerlikon heeft toegepast, lijkt sterk op de MST concept ontwikkeld in dit project. (http://www.oerlikon.com/ecomaXL/index.php?site=SOLAR_EN_press_releases_detail&udtx_id=9082)
•
Beschrijving van de bijdrage van het project aan de doelstellingen van het Programma (duurzame energiehuishouding, versterking van de kennispositie);
Dit project heeft betrekking op het onderzoeksprogramma ‘Gebouwde Omgeving’ en dan in het bijzonder onderzoeksthema 2.3, ‘Zonconversie PV (Fotovoltaïsche conversie van zonneenergie)’. In dit project werden nieuwe concepten voor geavanceerde toekomstige dunnefilm silicium zonnecellen onderzocht, waarmee mogelijk een verbetering van het omzettingsrendement bereikt kan worden. Deze concepten zijn gebaseerd op nieuwe licht opsluiting technieken welke de propagatie van licht door een zonnecel selectief kunnen manipuleren. Het LightIn project heeft op de volgende manieren bijgedragen aan de versterking van de kennispositie in Nederland: (a) Kennis op het gebied van ontwerp, fabricage en toepassing van 1-D diëlektrische fotonische kristallen in dunne film silicium zonnecellen. (b) 3-D optische simulaties van dunne film silicium zonnecellen met FEM (Finite Element Method). Optimalisatie van geometrische parameters van periodische oppervlakroosters voor de maximale absorptie van licht in de zonnecel. Kombinatie van 3-D optische simulaties met 1-D elektrische simulaties om de prestatie van zonnecellen te bepalen. (c) Fabricageproces van dunne silicium zonnecellen op substraten met periodische oppervlak textuur. (d) Nieuw concept van “modulated surface texture” dat verschillende verstrooiingsmechanismen kan combineren en daardoor een efficiënter verstrooiing van het licht kan bereiken. (e) Meetopstellingen en meetmethodes om optische eigenschappen van dunne lagen en verstrooiingsparameters van ruwe overgangen in een breed golflengte gebied te meten. (f) Methodes voor het aanbrengen van oppervlaktextuur op staal en aluminium folies die dienen als dragers van zonnecellen. Samenvattend het LightIn project heeft de kennispositie van de deelnemende Nederlandse groepen in het gebied van licht management internationaal versterkt. Dit project kan als basis dienen voor vervolgonderzoek naar de nieuwe type van verstrooiingstechnieken. De versterking van de kennispositie in het ontwikkelen van geavanceerde dunne film silicium zonnecellen met hoog rendement is van cruciaal belang voor ECN en Nuon Helianthos •
Overzicht van openbare publicaties over het project en waar deze te vinden of te verkrijgen zijn;
De verdere details over de resultaten van dit project zijn te vinden in de volgende publicaties:
6
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
O. Isabella, F. Moll, J. KrR, and M. Zeman, Modulated surface textures using zinc-oxide films for solar cells applications, Phys. stat. sol. (a), vol. 207, issue 3, doi 10.1002/pssa.200982828, 642 – 646. M. Zeman, O. Isabella, F. D. Tichelaar, and S. L. Luxembourg, Amorphous silicon-based multilayers for photovoltaic applications, Phys. Status Solidi (c), vol. 7, issue 3-4, doi 10.1002/pssc.200982881, 1057-1060. K. Jäger, O. Isabella, L. Zhao, and M. Zeman, Light scattering properties of surface-textured substrates, Phys. Status Solidi (c), vol. 7, issue 3-4, doi 10.1002/pssc.200982695, 945-948. B. Lipovšek, J. KrR, O. Isabella, M. Zeman, and M. TopiR, Analysis of thin-film silicon solar cells with white paint back reflectors, Phys. Status Solidi (c), vol. 7, issue 3-4, doi 10.1002/pssc.200982701, 1041-1044. A. Vampa, O. Isabella, R. van Erven, P. Peeters, H. Borg, J. KrR, M. TopiR, and M. Zeman, Optimal design of periodic surface texture for thin-film a-Si:H solar cells, Prog. Photovolt: Res. Appl., vol 18, issue 3, doi 10.1002/pip.940, 160-167. O. Isabella, J, KrR, and M. Zeman, Modulated surface textures for enhanced light trapping in thinfilm silicon solar cells, Appl. Phys. Lett., vol. 97, issue 10, doi 10.1063/1.3488023. B. Lipovšek, Janez KrR, O. Isabella, M. Zeman, and M. TopiR, Modeling and optimization of white paint back reflectors for thin-film silicon solar cells, J. Appl. Phys., vol. 108, issue 10, doi 10.1063/1.3512907. K Jäger, O Isabella, R. A. C. M. M. van Swaaij, and M Zeman, Angular resolved scattering measurements of nano-textured substrates in a broad wavelength range, Meas. Sci. Technol., vol. 22, issue 10, doi 10.1088/0957-0233/22/10/105601. J. A. Sap, O. Isabella, K. Jäger, and M. Zeman, Extraction of optical properties of flat and surface-textured transparent conductive oxide films in a broad wavelength range, Thin Solid Films, doi 10.1016/j.tsf.2011.08.023. J. KrR, M. Zeman, S. L. Luxembourg, and M. TopiR, Modulated photonic-crystal structures as broadband back reflectors in thin-film solar cells, Appl. Phys. Lett., vol. 94, issue 15, doi 10.1063/1.3109781. O. Isabella, S. Solntsev, D. Caratelli, and M. Zeman, 3-D optical modeling of thin-film silicon solar cells on diffraction gratings, accepted in Progress in. Photovoltaics: Res. Appl. DOI: 10.1002/pip.1257 O. Isabella, S. Dobrovolskiy, G. Kroon, and M. Zeman, Design and application of dielectric distributed Bragg back reflector in thin-film silicon solar cells, accepted in Journal of NonCrystalline Solids, ISSN 0022-3093, 10.1016/j.jnoncrysol.2011.11.025. W. J. Soppe, H. Borg, B. B. Van Aken, C. Devilee, M. Dörenkämper, M. Goris, M. C. R. Heijna,J. Löffler, and P. Peeters, Roll to Roll Fabrication of Thin Film Silicon Solar Cells on Nano-Textured Substrates, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 11, 1–6, 2011. B.B. Van Aken, M.C.R. Heijna, J. Löffl er, W.J. Soppe, Dynamically Deposited Thin-Film Silicon Solar Cells on Imprinted Foil, Energy Procedia 10 (2011) 88. Haihua Li, Qingkang Wang, Jian Chen, Janez Krc and Wim J. Soppe, Light trapping in amorphous silicon solar cells with periodic grating structures, Optics Communications, in press.
Dit rapport is gratis te verkrijgen door contact op te nemen met de projectleider voor dit project, Miro Zeman. Het contactadres is: Prof. Dr. Miro Zeman Technische Universiteit Delft Faculteit EWI Photovoltaic Materials and Devices group Postbus 5031 2600 GA Delft Tel.: +31 15 2782409 Fax: +31 15 2782968 Email:
[email protected]
7
