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Theoretische und experimentelle Analyse von metallischen Nanostrukturen als Photonenmanagementstrukturen für den Einsatz in Solarzellen

 
: Jüchter, S.

:
Fulltext ()

Freiburg, 2014, XII, 150 pp., I-XXVIII : Ill.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2014
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-96173
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ISE ()

Abstract
Das Interesse an Photonenmanagementstrukturen ist in den letzten Jahren sehr stark gestiegen, da der Trend in der Photovoltaik zu immer dünneren Zellen mit gleichbleibender Effizienz geht. Je dünner die Solarzelle wird, desto mehr Licht wird transmittiert, weshalb Photonenmanagementstrukturen in indirekten Halbleitern eingesetzt werden, um das Licht in der Zelle zu lenken und so die Absorption zu erhöhen. Eine Möglichkeit für Photonenmanagementstrukturen sind metallische Nanostrukturen auf denen sich Plasmonen ausbilden können. Plasmonen sind Schwingungen des freien Elektronengases auf Metallen und zeigen im Falle lokalisierter Plasmonen auf metallischen Nanopartikelngittern spektral selektive Streu- und Beugungseigenschaften.

Ziel dieser Arbeit war eine Herstellungskette für geordnete Nanopartikelgitter mit definierter Form und Größe für die Anwendung auf großen Flächen zu entwickeln, zu optimieren und erfolgreich Partikel herzustellen. Neben der experimentellen Realisierung sollten mittels optischer Simulationen die Anwendung metallischer Nanopartikel als Photonenmanagementstrukturen auf der Rückseite, zwischen aktiver Schicht und dem Rückseitenspiegel, erforscht werden. Speziell die Auswirkungen der Größe, der Form, des Umgebungs- und Partikelmaterials oder die Gitteranordnung sollten untersucht werden. Sowie auf diese Weise das physikalische Verständnis vertieft werden.

Mit Mie-Theorie konnte gezeigt werden, dass es eine optimierte Größe der Partikel gibt, bei der gewünschte Streueffekte die nachteilige parasitäre Absorption, überwiegen. Durch Nah- und Fernfeldauswertungen konnte mit Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) gezeigt werden, dass eine Absorptionserhöhung im Silizium möglich ist und dass diese neben den Partikelparametern auch stark von der Gitteranordnung beeinflusst wird. Diese Absorptionserhöhung kann auch in einen Stromgewinn umgerechnet werden. Weiterhin konnten mit der entwickelten Prozesskette, bestehend aus Laserinterferenzlithographie (LIL), Nanoimprintlithographie (NIL), reaktivem Ionenätzen (RIE), Metallabscheidung und einem Lift-Off Prozess, erfolgreich verschiedene Silber-Nanopartikelgitter sowohl auf Glas- als auch auf Siliziumsubstraten hergestellt werden. Nach erfolgreichen Tests der Herstellungskette mit einem Kreuzgitter, mit einem Netzebenenabstand von 1 µm und Partikeldurchmessern von 600nm, konnten auch mit Kreuzgittern mit einem Netzebenenabstand von 300nm Nanopartikel hergestellt und untersucht werden. Mit Hilfe einer gezielten Optimierung der Ausgangsstruktur war es dann ferner möglich, runde, scheibenförmige Paritikel mit 200nm Durchmesser im Kreuzgitter und elliptische, scheibenförmige Partikel mit Achsen von 240nm und 140nm in einem hexagonalen Gitter angeordnet zu realisieren und optisch zu vermessen. Die experimentelle Beobachtung, dass es von Vorteil ist die plasmonische Resonanz zu größeren Wellenlängen, außerhalb des Absorptionsbereichs von Silizium, zu verschieben, konnte mit RCWA-Simulationen bestätigt werden. Aus den Simulationen und experimentellen Untersuchungen zeigt sich, dass eine sorgfältige Optimierung der Partikel- und Gitterparameter entscheidend ist, um positive Streu- bzw. Beugungseffekte und keine Nachteile durch parasitäre Absorption zu bekommen.

 

The interest in photon management structures has drawn a lot of attention in recent years, as the trend in photovoltaics moves towards ever thinner cells without reducing the cell efficiency. One approach to circumvent this problem is the use of photon management structures, which can be used to guide the light in the cell and thus increase the absorption. One possibility for photon management are metallic nanostructures supporting plasmons. Plasmons are oscillations of the free electron gas in metals. Localized plasmons on metallic nanoparticle gratings show spectrally selective scattering and diffraction properties which can be advantageous for light harvesting.

The aim of this work was to develop and optimize a production chain for ordered nanoparticle gratings with defined size and shape for use on large areas, as well as the successful fabrication of ordered nanoparticles. In addition to the experimental realization, metallic nanoparticles were investigated for use as photon management structures with optical simulations. The particles were therefore integrated at the back side, between the semiconductor and rear reflector, of the solar cell. In particular the impact of size, shape, surrounding and particle material or lattice arrangement were investigated. Further the physical understanding was deepened by combining experimental and theoretical investigations.

It was shown with Mie theory that there is an optimum size of the particles where the desired scattering effects outweigh the detrimental parasitic absorption. Due to near and far field evaluations with Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) an absorption increase in silicon could be shown. This absorption enhancement can be translated into an increase in photocurrent. Both the absorption and current enhancement are strongly influenced not only by the particle parameters but also by the grating parameters. Furthermore, with the developed process chain, based on laser interference lithography (LIL), nanoimprint lithography (NIL), reactive ion etching (RIE), metal deposition and a lift-off process, successfully various silver nanoparticle gratings were produced on glass as well as on silicon substrates. After successful testing of the production chain with a crossed grating, with lattice spacing of 1 µm and particle diameter of 600nm, also crossed gratings with a lattice plane distance of 300nm were used to prepare and investigate the plasmonic nanoparticles. With the help of an optimized master structure, it was also possible to fabricate round disc-shaped particles with 200nm diameter in a crossed grating and elliptical diskshaped particles with axes of 240nm and 140nm arranged in a hexagonal grating. All samples were optically characterized by reflectance and transmittance measure ments using an integrating sphere setup. The experimental observations demonstrated that it is advantageous to move the plasmonic resonance to longer wavelengths, outside the absorption range of silicon, and this was confirmed with RCWA simulations. From the simulation and experimental results obtained here it is shown that careful optimization of the particle and grating parameters is crucial in order to get positive scattering or diffraction effects and reduce the disadvantages by parasitic absorption in the particles.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-389249.html