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Light Management in Crystalline Silicon Solar Cells with Photonic Nanocoatings
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Resumo(s)
Light management via photonic nanostructured coatings sustains a broad set of possible solar energy conversion enhancements, alternatively to conventional texturing processes that deteriorate solar cells (SCs) electrical transport through charge carrier recombination losses. These coatings, composed of high-refractive index materials structured at the sunlight wavelengths scale, can improve SCs efficiency, avoiding surface texturing processes while still allowing high-performance light trapping (LT).
Here, through a highly scalable colloidal lithography methodology, proposed titanium dioxide (TiO2) nanovoid coatings were patterned on conventional (250 μm) and thin (90 μm) flat crystalline silicon (c-Si) wafers. These nanostructured coatings were also applied on textured (130 μm c-Si absorber), etched (140 μm) and flat (740 μm) c-Si interdigitated back contact solar cells (IBCSCs).
The subsequent broadband absorption amplification was owing to the combined effects of (1) light scattering in near-infrared (NIR) wavelengths and (2) broad anti-reflection. With coated 250 μm c-Si wafers, a photocurrent density (𝐽𝑝ℎ) of 36.6 mA/cm2 was determined by absorption spectrum integration between 350 and 1200 nm. Approximately 84 % of the maximum theoretical 𝐽𝑝ℎ Lambertian LT limit is here attained with 669 and 693 nm of TiO2 thin photonic nanostructured coatings, respectively with the considered conventional and thin c-Si wafers.
When integrated into test devices, outstanding optical improvements are attained without diminishing the original electrical performance by applying coatings with TiO2 thicknesses ≥ 545 nm. Unprecedent ~30 % of efficiency enhancement and 31.9 mA/cm2 of short-circuit current density (𝐽𝑠𝑐) are demonstrated with etched IBCSCs coated with 885 nm of TiO2 nanostructured coating. Additionally, unmatched optical angular acceptance is shown: 63 % of efficiency and 68 % of 𝐽𝑠𝑐 enhancements are respectively exhibited with 545 and 885 nm of TiO2 coatings for 80° of light incidence angle. Hence, with straightforward near-future integration in the established industry, a highly promising path for c-Si photovoltaic improvement is entailed.
A gestão de luz mediante o uso de revestimentos nanoestruturados fotónicos sustenta um vasto leque de possíveis melhorias de conversão de energia solar, alternativamente a processos convencionais de texturização que deterioram o transporte eléctrico de células solares (CSs). Estes, compostos por materiais de elevado índice de refracção, podem elevar a eficiência de CSs, evitando texturizações enquanto possibilitam a captura de luz de elevado desempenho. Matrizes de nanocavidades de dióxido de titânio (TiO2) foram padronizadas por uma metodologia altamente escalável de litografia coloidal em bolachas de silício cristalino (c-Si) plano convencionais (250 μm) e finas (90 μm) e em CSs de contactos posteriores interdigitados (IBCSCs) texturizadas (130 μm c-Si), erodidas (140 μm) e planas (740 μm). A subsequente amplificação extensa da absorção deve-se à combinação dos seguintes efeitos: (1) dispersão de luz para comprimentos de onda do infravermelho próximo e (2) antirreflexão ampla. Com bolachas de c-Si convencionais, uma densidade de fotocorrente (𝐽𝑝ℎ) de 36.6 mA/cm2 determinada pela integração da absortância (350-1200 nm) foi conseguida. Aproximadamente 84 % do limite máximo teórico Lambertiano foi atingido com bolachas convencionais e finas revestidas com 792 e 693 nm de TiO2 nanoestruturado, respetivamente. Quando integrados em dispositivos de teste, a aplicação desses revestimentos com espessuras de TiO2 ≥ 545 nm conduziu a uma melhoria ótica substancial sem diminuir o desempenho elétrico original. Um aumento de ~30 % de eficiência e 31,9 mA/cm2 de densidade de corrente de curto-circuito (𝐽𝑠𝑐) são apresentados com IBCSCs revestidas com 885 nm de TiO2 nanoestruturado. É ainda demonstrada uma aceitação angular ótica incomparável: ganhos de 63 % de eficiência e 68 % de 𝐽𝑠𝑐, respetivamente com revestimentos de 545 e 885 nm de TiO2 nanoestruturado para um ângulo de luz incidente de 80°. Assim, com uma integração num futuro próximo na indústria, um caminho promissor para a evolução fotovoltaica em c-Si é implicado.
A gestão de luz mediante o uso de revestimentos nanoestruturados fotónicos sustenta um vasto leque de possíveis melhorias de conversão de energia solar, alternativamente a processos convencionais de texturização que deterioram o transporte eléctrico de células solares (CSs). Estes, compostos por materiais de elevado índice de refracção, podem elevar a eficiência de CSs, evitando texturizações enquanto possibilitam a captura de luz de elevado desempenho. Matrizes de nanocavidades de dióxido de titânio (TiO2) foram padronizadas por uma metodologia altamente escalável de litografia coloidal em bolachas de silício cristalino (c-Si) plano convencionais (250 μm) e finas (90 μm) e em CSs de contactos posteriores interdigitados (IBCSCs) texturizadas (130 μm c-Si), erodidas (140 μm) e planas (740 μm). A subsequente amplificação extensa da absorção deve-se à combinação dos seguintes efeitos: (1) dispersão de luz para comprimentos de onda do infravermelho próximo e (2) antirreflexão ampla. Com bolachas de c-Si convencionais, uma densidade de fotocorrente (𝐽𝑝ℎ) de 36.6 mA/cm2 determinada pela integração da absortância (350-1200 nm) foi conseguida. Aproximadamente 84 % do limite máximo teórico Lambertiano foi atingido com bolachas convencionais e finas revestidas com 792 e 693 nm de TiO2 nanoestruturado, respetivamente. Quando integrados em dispositivos de teste, a aplicação desses revestimentos com espessuras de TiO2 ≥ 545 nm conduziu a uma melhoria ótica substancial sem diminuir o desempenho elétrico original. Um aumento de ~30 % de eficiência e 31,9 mA/cm2 de densidade de corrente de curto-circuito (𝐽𝑠𝑐) são apresentados com IBCSCs revestidas com 885 nm de TiO2 nanoestruturado. É ainda demonstrada uma aceitação angular ótica incomparável: ganhos de 63 % de eficiência e 68 % de 𝐽𝑠𝑐, respetivamente com revestimentos de 545 e 885 nm de TiO2 nanoestruturado para um ângulo de luz incidente de 80°. Assim, com uma integração num futuro próximo na indústria, um caminho promissor para a evolução fotovoltaica em c-Si é implicado.
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Palavras-chave
Photovoltaics Light Management Colloidal Lithography Crystalline Silicon Solar Cells Photonic Nanostructured Coatings