Light trapping micro and nanostructures fabricated by top down approaches for solar cell applications

Abstract

Güneş enerjisinin, çevre kirliliğine sebep olan fosil yakıtlar karşısında nihai zaferi için güneşten üretilen elektriğin maliyetini azaltmamız gerekir. Fotovoltaik güneş hücrelerini temel alan teknoloji, bu enerji dönüşümünde en umut verici alternatifi sunmaktadır. Bununla birlikte, güneş pilinin üretim maliyetini düşürebilir ve/veya güneş hücresinin enerji dönüştürme verimliliğini arttırabilirsek bu mümkün olabilir. Güneş pillerinin performans/maliyet oranını arttırmak için, ışığın emilimi ve yük taşıyıcıların toplanması esnasında, optik ve elektriksel kayıpları azaltacak yeni yaklaşımlar gerekmektedir. Bu çalışmada, hücre yüzeyinde daha iyi bir ışık yönetimi için Si yüzeyinde çeşitli mikro ve nano yapıların üretim teknikleri ve uygulamaları üzerinde duruldu. Bir güneş gözesinin verimliliği, yüzeyin gelen güneş ışıklarıyla etkileşmesine bağlıdır. Yüzeye gelen ışığın emiliminin maksimumda olması alternatif yüzey şekilleriyle mümkündür. Hücrenin ışık emilimini ve verimini en üst düzeye çıkartmak için çeşitli ışık hapsedici yapılar önerilmiştir.Nano delik desenleri de dahil olmak üzere çeşitli mikro ve nano boyutlarda yapılar üretmek için optik litografi, nanodarbe litografisi (NIL), kolloidal delik maske (HCL) gibi çeşitli litografi tekniklerine başvurduk. Bu desen aktarım üretim adımlarından sonra reaktif iyon aşındırma (RIE) ve metal yardımlı kimyasal aşındırma (MAE) teknikleri uygulanmıştır. MAE işleminde yüzeye gümüş, altın, titanyum gibi farklı metaller buharlaştırılmıştır. Metallerin türlerine, yüzeydeki kalınlıklarına, kullanılan pulun maruz kaldığı işlem tipine, pulun atom dizilişlerine göre oluşabilecek farklı sonuçları incelenmiştir. Maskede tanımlanmış olan değişik çap, periyot, ve derinlik değerlerine göre, tanımlanan her parametre için ayrı işlem basamakları optimize edilmiştir. Farklı çap ve periyotlardaki yüzey şekilleri, pek çok farklı kimyasal işlem süreçleriyle, düzenli ve düzenli dizilimin içinde oluşturulmuş rastgele bir dağılımla sonuçlanmıştır. Değişik derinlik ve dağılımlardaki yüzey şekilleriyle başarılı bir şekilde güneş gözeleri üretilmiştir. Üretilen gözelerin verimlilikleri optik ve elektriksel olarak incelenmiştir.

For an ultimate victory of solar energy over polluting fossil fuels, we need to decrease the cost of electricity generated from the sun. The technology based on photovoltaic (PV) solar cell is offering the most promising alternative in this energy conversion. However, this can be possible only if we can reduce the cost of solar cell fabrication and/or increase the conversion efficiency. In order to increase the performance/cost ratio of solar cells, new approaches reducing optical and electrical losses are necessary during the absorption of the light and collection of charge carriers. In this work we focused on the fabrication techniques and the application of various nanostructures on Si surface towards a better light management of the cell surface. The efficiency of a solar cell strongly depends on the properties of the interaction between the incoming light beam and the surface of the device. In order to maximize the absorption and the efficiency of the cell, various light trapping schemes have been proposed. We have applied various lithography techniques such as optical lithography, nanoimprint lithography (NIL), hole mask colloidal lithography (HCL) to generate various nano structures including nano holes patterns. After these pattern transfer process steps, either dry plasma etching or wet chemical etching techniques were applied. For metal assisted chemical etching different metals like silver, gold, titanium were used as the catalyst of the etching. The effect of metal, metal layer thickness, process time and orientation of the wafer were studied. Structural properties of the features like hole diameter, pitch size, depth were varied and optimized. With a variety of texturing and etching process types, at the end of the study, periodic and random-introduced-periodic patterns were successfully implemented to solar cell fabrication step. The performances of the solar cells were investigated both optically and electrically.