Silicon based superlattices with spectrum selective absorbers (SELECT)

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project Silicon based superlattices with spectrum selective absorbers (SELECT) 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 2011 Status Definitief Technische Universiteit Delft, e.a. in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon Silicon-based superlattices with spectrum-selective absorbers (SPECTRUM) Energie Onderzoek Subsidie Lange Termijn EOSLT02028 Technische Universiteit Delft Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 Openbaar eindrapport SELECT project Projectnummer EOSLT02028 Contact person: M. Zeman Penvoerder: TU Delft Mede aanvragers: Nuon Helianthos Projectperiode: 1 Januari Februari 2011 Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Lange Termijn uitgevoerd door Agentschap NL. 1

5 Gegevens project Projectnummer: EOSLT02028 Projecttitel: Silicon based superlattices with spectrum selective absorbers (SELECT) Penvoerder: Technische Universiteit Delft Projectperiode: 1 januari 2006 tot 28 februari 2011 Samenvatting van de uitgangspunten en de doelstelling van het project en de (eventueel) samenwerkende partijen; In het SELECT project werd een nieuw concept voor geavanceerde toekomstige dunne-film silicium zonnecellen onderzocht, waarmee mogelijk een doorbraak in de verbetering van het omzettingsrendement bereikt kan worden. Dit concept is gebaseerd op superroosters van amorf silicium gecombineerd met selectieve en sterk absorberende moleculen of nanokristallen en werd in Nederland bedacht. Het concept is geoctrooieerd. De doelstelling van dit project was om fundamentele kennis te genereren over de groei en eigenschappen van op amorf-silicium gebaseerde superroosters en anorganische nanokristallen, en vervolgens de combinatie van deze twee materialen in een hybride zonnecelstructuur toe te passen. In dit project werkten de volgende groepen samen: de sectie Photovoltaïsche Materialen en Componenten van de Technische Universiteit Delft (TUD-PVMD) en van het Microelektronica instituut DIMES, de sectie Opto-elektronische Materialen van de Technische Universiteit Delft (TUD-OM), de afdeling Elektronen Structuur van Materialen aan de Radboud Universiteit (RU-ESM) en de Helianthos onderzoeksgroep van Akzo Nobel Chemical Research die in 2006 overgenomen was door Nuon. De sectie TUD-PVMD bracht de kennis en infrastructuur betreffende dunne-film amorf silicium gebaseerde lagen in, de sectie TUD-OM ervaring met het aanbrengen en bestuderen van dunne lagen van halfgeleider nanokristallen en Nuon Helianthos heeft de ervaring met de ontwikkeling en productie van dunne film silicium zonnecellen in een industriële omgeving. De afdeling RU-ESM bracht de kennis en infrastructuur op het gebied van de berekening van de elektronenstructuur van dunne film materialen en structuren. Dit was een ideale combinatie voor het onderzoek en de ontwikkeling van zonnecellen gebaseerd op dunne film silicium en nanokristallijne lichtabsorberende materialen. Beschrijving van de behaalde resultaten, de knelpunten en het perspectief voor toepassing; Superroosters zijn opgebouwd uit dunne lagen van twee verschillende materialen; in dit project is met amorf silicium en amorf silicium nitride gewerkt. De elektronische structuur van amorf silicium (a-si:h) en amorf silicium nitride (a-sin:h) is bepalend voor de eigenschappen van een superrooster gebaseerd op deze twee materialen. De elektronische structuur werd bepaald met behulp van ab-initio computer simulaties. Het Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) werd gebruikt voor simulaties. Figuur 1 laat de berekende dichtheid van elektronische toestanden (DOS) in a-si:h zien. De DOS in de figuur heeft een goed gedefinieerde verboden zone (band gap). Dit is een belangrijk resultaat, omdat eerder gepubliceerde resultaten van gesimuleerde DOS van a-si:h een hoge dichtheid van defecttoestanden bevatten in de verboden zone. In dit project werd ook een methode ontwikkeld om de energieafstand tussen toestanden waar de ladingsdragers mobiel zijn (de zogenaamde mobility band gap) voor a-si:h gebaseerde materialen te bepalen zoals weergegeven in figuur 2. Het is nog steeds een lopende discussie in het veld van a-si:h over de juiste waarde van deze energieafstand, omdat deze zeer moeilijk experimenteel te bepalen is. De elektronische structuur van a-sin:h werd ook gesimuleerd. Dit was een belangrijke stap om de band offset tussen de a-si:h en a-sin:h in het superrooster te 2

6 bepalen. De simulaties laten zien dat de toestanden bij de randen van de valentie en geleiding band in a-sin:h zijn gedomineerd door Si-Si bindingen. Als de concentratie van silicium in silicium nitride wordt verminderd, gaat de verboden zone openen. Figuur 1: Berekende DOS van amorf silicium. Figuur 2: De methode om de mobiliteit verboden zone te bepalen. De band offset tussen de valentiebanden van a-si:h en a-sin:h werd een waarde van 0.68 ev gevonden. Van het geconstrueerde bandendiagram van a-si:h/a-sin:h multilagen (figuur 3) kunnen wij concluderen dat er bijna geen barrière is voor het transport van elektronen tussen de individuele lagen. Een belangrijk onderwerp in het gebied van a-si:h gebaseerde superroosters is het optreden van quantum confinement in de superroosters. De simulaties bevestigen de aanwezigheid van het van quantum confinement in de a-si:h/a-sin:h superroosters. De superroosters gebaseerd op a-si:h/a-sin:h multilagen zijn ook daadwerkelijk gemaakt. Een TEM foto van een superrooster structuur is te zien in figuur 4. Deze foto laat duidelijk zien dat wij erin geslaagd zijn om heel uniforme lagen in deze structuur te deponeren. De afhankelijkheid van de optische bandafstand van de dikte van de individuele lagen werd onderzocht voor deze multilagen. Deze multilagen werden gebruikt als 3

7 absorberende lagen in een dunne film zonnecel, waarmee een rendement van 1,8% gehaald werd met deze nieuwe type absorberende laag. Figuur 3: De berekende band off-set tussen a-si:h en a-sin:h lagen. 1.0 Normalized Intensity (a.u.) a a-si:h b Position (nm) Figuur 4. TEM beeld van de a-si:h/a-sin:h super rooster. De licht gekleurde lagen coresponderen tot a-sin:h. (B) Een intensiteits-lijn profile om de periodiciteit van de super rooster te bepalen. Technologie om nanokristallen gebaseerd op CdTe en PbS te maken en te implementeren, is ontwikkeld en de lagen met deze nanokristallen zijn bestudeerd en gekarakteriseerd. De technologie werd in dit project verder ontwikkeld om de oorspronkelijke capping moleculen vervangen met moleculen van andere lengte of chemische samenstelling. Dit biedt nieuwe mogelijkheden om de quantum dot (QD) eigenschappen, zoals oppervlakte passivatie, quantum confinement of afstand tussen de nanokristallen, te manipuleren. Mobiliteiten groter dan 1 cm 2 /Vs zijn bereikt voor lagen met lood en cadmium chalcogenide nanokristallen. Dit resultaat bewijst dat deze lagen geschikt zijn voor toepassing in opto-elektronische componenten. Lagen met nanokristallen werden afgezet op dunne films van a-si:h en de hechting en stabiliteit van deze lagen werden getest. Met behulp van Time-Resolved Microwave Conductivity techniek werd geen transport van geladen deeltjes over de heterojunctie gedetecteerd. Dit werd toegeschreven aan de aanwezigheid van een resterende isolerende SiO x laag op het oppervlak van het a-si:h die een blokkerende werking had op de a-si:h / nanokristallen overgang. 4

8 Hybride structuren bestaande uit a-si:h lagen en lagen met QD nanokristallen werden gefabriceerd. Zonnecellen werden geproduceerd met de volgende structuur: glas / TCO / QDs / a-si: H / Al en glas / TCO / QDs / a-si: H / p-type a-si: H / Al. Het rendement van zonnecellen was 1.26% voor CdSe nanokristallen en 0.73% voor PbSe nanokristallen; deze waarden zijn hoger dan eerder gerapporteerde waarden in de literatuur. De resultaten verkregen in dit project hebben een aantal nieuwe wetenschappelijke vragen gegenereerd, voornamelijk over de optimale zonnecelstructuur die de QD nanokristallen herbergt. In de toekomst zal een zonnecelstructuur waarin worden onderzocht waarin de selectieve absorberende laag met nanokristallen wordt geplaatst tussen p-type en n-type gedoteerde a-si:h lagen. 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 werd een nieuw concept voor geavanceerde toekomstige dunne-film silicium zonnecellen onderzocht, waarmee mogelijk een doorbraak in de verbetering van het omzettingsrendement bereikt kan worden. Dit concept is gebaseerd op amorf silicium superroosters gecombineerd met sterk absorberende moleculen of nanokristallen en werd in Nederland bedacht. Het concept is geoctrooieerd. Met dit project is fundamentele kennis gegenereerd over de groei en eigenschappen van op amorf silicium gebaseerde superroosters gecombineerd met sterk absorberende anorganische nanokristallen. Dit concept werd gedemonstreerd om zonnecelstructuren te fabriceren met superroosters en lagen van anorganische nanokristallen als absorberende materialen. De resultaten bieden perspectief voor verdere verbetering van het generiek tandem-zonnecelconcept met sterke selectieve absorberende materialen. Tandemzonnecellen van dunne film silicium gebaseerd op het ontwikkelde concept kunnen op termijn een hoog omzettingsrendement (>20%) halen. Daarmee draagt dit project bij aan een substantiële verlaging van de kostprijs van elektrische energie die opgewekt wordt met zonnecellen. Het project SELECT heeft op de volgende manieren bijgedragen aan de versterking van de kennispositie in Nederland: (a) Kennis op het gebied van de relatie tussen de atomaire structuur van a-si:h en elektronische eigenschappen. Deze kennis leidt tot een versterking van het door de TU Delft ontwikkelde structuurmodel van a-si:h, die wereldbreed erkenning begint te krijgen en vervangt een 20 jaar oud model gebaseerd op het continuous random network model. (b) Nieuwe kennis over de atomaire structuur van a-si:h legeringen, zoals a-sin:h en de elektronische eigenschappen van dit materiaal. Deze kennis wordt gebruikt om nieuwe superrooster materialen te maken. (c) Technologie om lagen met anorganische nanokristallen in zonnecelstructuren in te bouwen. (d) Expertise om hybride zonnecellen te maken gebaseerd op superrooster materialen en anorganische nanokristallen als absorberende lagen en kennis over de werking van deze zonnecellen. 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: [1] K. Jarolimek, R. A. de Groot, G. A. de Wijs, M. Zeman, Structure and electronic properties of hydrogenated amorphous silicon nitride from first principles, Proceedings of the Annual Workshop on semiconductor Advances for Future Electronics and Sensors, Veldhoven, the Netherlands 11, 552 (2008). 5

9 [2] K. Jarolimek, R. A. de Groot, G. A. de Wijs, M. Zeman, First-principles study of hydrogenated amorphous silicon, Phys. Rev. B 79, (2009). [3] K. Jarolimek, R. A. de Groot, G. A. de Wijs, M. Zeman, Amorphous semiconductors studied by first-principles simulations: structure and electronic properties, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1153, A04-03 (2009). [4] K. Jarolimek, R. A. de Groot, G. A. de Wijs, M. Zeman, Atomistic models of hydrogenated amorphous silicon nitride from first-principles, Phys. Rev. B 82, (2010). [5] K. Jarolimek, R. A. de Groot, G. A. de Wijs, M. Zeman, Structural models of a-si:h with a low defect concentration: A first-principles molecular dynamics study, Phys. Status Solidi A 207, 605 (2010). [6] R. Loef, A. J. Houtepen, E. Talgorn, J. Schoonman, A. Goossens, Temperature dependence of electron transport in CdSe quantum dot films, J. Phys. Chem. 113, (2009). [7] R. Loef, A. J. Houtepen, E. Talgorn, J. Schoonman, A. Goossens, Study of Electronic Defects in CdSe Quantum Dots and Their Involvement in Quantum Dot Solar Cells, Nano Lett. 9, 856 (2009). [8] E. Talgorn, R. D. Abellon, P. J. Kooyman, J. Piris, T. J. Savenije, A. Goossens, A. J. Houtepen, L. D. A. Siebbeles, Supercrystals of CdSe Quantum Dots with High Charge Mobility and Efficient Electron Transfer to TiO 2, ACS Nano 4, 1723 (2010). [9] E. Talgorn, E. Moysidou, R. D. Abellon, T. J. Savenije, A. Goossens, A. J. Houtepen, L. D. A. Siebbeles, Highly Photoconductive CdSe Quantum-Dot Films: Influence of Capping Molecules and Film Preparation Procedure, J. Phys. Chem. C 114, 3441 (2010). [10] S.L. Luxembourg, F. D. Tichelaar, P. Kus, M. Zeman, Structural and Opto-Electronic Properties of a-si:h/a-sin x :H Superlattices, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1066, A07-04 (2008). [11] J. Krc, A. Campa, S. L. Luxembourg, M. Zeman, M. Topic, Periodic structures for improved light management in thin-film silicon solar cells, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1101, KK08-01 (2008). [12] M. Zeman, O. Isabella, F. D. Tichelaar, S. L. Luxembourg, Amorphous silicon based multilayers for photovoltaic applications, Phys. Status Solidi C 7, 1057 (2010). [13] E. Talgorn: Photoconductivity of quantum dot films, Ph.D. thesis Delft University of Technology (2010). [14] K. Jarolimek: Atomistic models of amorphous semiconductors, Ph.D. thesis Delft University of Technology (2011), submitted for defence in October 10, 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 Postbus GA Delft Tel.: Fax: M.Zeman@TUDelft.nl 6