Download - Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Transcript
Page 1: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

“Twee halen - een betalen”

Si nano-photovoltaics

Tom Gregorkiewicz

Page 2: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Preferred solutions for energy• Use processes occurring in nature

- do not produce “new” components(nuclear waste, CFC, …)

- CO2, CO, SO2 do occur in nature but in small quantities (e.g. burning of wood)

• The scale needs to be “small” (best negligible) when compared to those occurring naturally

Absorption of solar energy is a natural process

PV “shapes” this natural process in the way useful to men, using only a (very)

small partVan der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 3: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Calibrating the energy needs

Daily food consumption:2000 cal/day 100 W ~ 1 kW

Solar power: 120.000 TW

~0.02% of the total is enough to power our civilization!

2 kW pp 13 TW (2010) 28 TW (2050)

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 4: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

– light low/high temperature heat

– light electricity

Main solar energy conversion options

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 5: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

– light low/high temperature heat

– light electricity

– light chemical energy

(solar fuels, art. photosynthesis)

Main solar energy conversion options

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 6: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Jimmy Carter at SERI (now NREL) May 5, 1978

Oil crisis of the 1970’sDon’t worry Mr.

President, solar will be economical in 5

years!

I can’t believe he said that.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 7: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

“Global warming” crisis

Barack Obama at Nellis AFB May 2009Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 8: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 9: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 10: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Solar electricity solutions

• Indirect conversion: light-high T heat-electricitySolar thermal energy: photons-to-phonons-to-electrons

- without energy storage- with energy storage

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 11: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Solar thermal power

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 12: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Solar thermal power

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 13: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Solar electricity solutions

• Indirect conversion: light-high T heat-electricitySolar thermal energy: photons-to-phonons-to-electrons

- without energy storage- with energy storage

• Direct conversion: light-to-electricityPhotovoltaics: photons-to-electrons

- without light concentration- with light concentration

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 14: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

load

topmetal

contact

bottommetal

contact

activematerial

(with asymmetryfor charges)

mobile negative chargemobile positive charge

Photovoltaic cell

Courtesy W. Sinke, ECN

Page 15: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Researchers at Bell Labs, N.J. (USA)1953, first photovoltaic solar cells based on silicon( 5%)

In 1954, the U.S. News & World Report wrote :…..one day such silicon strips……“may provide more

power than all the world’s coal, oil and uranium”

PV history

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 16: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

17th March 1958: The Vanguard 1 satellite with solar panels - 0.1 watt peak power – is put onto orbit

PV history

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 17: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 18: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Polycrystalline silicon – a cheap & easy-to-make alternative

Page 19: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 20: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

PV application limits?

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 21: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Source: PhotonInternational

March 2010

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 22: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Thin film

1979

2009

wafer Si

silicon feedstockshortage

2007

2009

22% price decrease for everydoubling of cumulative production

Source: EPIA, October 2009

Price development

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 23: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

• Over 90% of today’s PV modules are based on Crystalline Silicon

• Excellent performance modules: ~20% lab: up to ~25%

Current status PV

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 24: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Silicon for PV

Page 25: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

• indirect bandgap• low emission/absorption rates (at low energies)

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Silicon and light

Page 26: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

gap energy

heat generation

recombination

light

X

X

X

PV conversion – basic concept

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 27: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

wavelength [nm]

1.6

1.2

0.8

0.4

400 800 1200 1600 2000 24000.0

available for conversion in crystalline Si

infraredvisibleUV

solar spectrum (Air Mass 1,5; 1000 W/m2)

po

we

r [W

/(m

2 .n

m)]

1100 nm 1.1 eV = Si bandgap

courtesy John Schermer, KUN

X

X

PV conversion loses

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 28: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Shockley-Queisser limit

Conversion efficiency maximum for single junction PV cell with Egap=1.1 eV (≈ 31 %)

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 29: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

• Optimal bandgap energy • Abundant • Mechanically strong • High mobilities possible

Si for photovoltaics

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 30: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

• Manipulate band-structure• Light management:

– waveguiding, cloaking, multiple reflection, dispersing

• Si nanowires• Si nanocrystals• Quantum cutting and pasting

“Smart” solutions for Si PV

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

TGG

TGG

TGG

Page 31: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Si nanocrystals

Page 32: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Nanocrystals (NCs)

• Bandstructure modification induced by quantum confinement

• Bands → quantized energy levels• Relaxation of k-vector conservation for indirect

bandgap• Tuning optical properties

Silicon

4.3 nm

SiNC

Page 33: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Paillard et al., Tolouse

Si Nanocrystals in SiO2

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 34: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

VB

CB

PL

SiNC

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Si NC photoluminescence

Page 35: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

VB

CB

PL

SiNC

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Si NC photoluminescence

Page 36: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

SiNC

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Si NC photoluminescence

Page 37: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

VB

CB

PL

SiNC

Auger

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Si NC photoluminescence

Page 38: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Si NC PL saturation

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 39: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

• photon convertors:size-tunable energy

• photon limitersonly one photon out

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Si nanocrystals

Hot electrons are not used!

Page 40: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Using “hot electrons”: Cutting

and emitting photons with Si-NCs

Page 41: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

PL from SiNCs in SiO2

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 42: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

λexc = 323 nmf = 3.8 MHz

MCMPMT

• 370 ≤ λdet ≤ 700 nm• τresolution ~25 ps

~2 psPL

O-related PL

Hot PL

Excitonic recombination

~μs~nsτ1 ≈ 25 psτ2 ≈ 100 ps

PL from SiNCs d=4.5 nm

Page 43: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Hot PL for all the samples

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 44: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

3.32 eV 1.17 eV

Direct

Indirect

Si Nanocrystal

Theoretical model

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 45: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Pulsed vs. semi-cw excitation

1 – 10 ps

~μsNIR

~ns420 nm

Pulsed~2 ps

~5 ns

10 – 100 ps

Semi-cw

~μsNIR

~ns420 nm

Auger

cooling

<Nexc><1

<Nexc>>1

Page 46: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

“hot” PL in Si NC 1000 stronger than in bulk Si

hot PL

s-PL≈ 5 hot PL

s-PL≈ 1

W.D.A.M. de Boer et al. Nature Nanotechnology 2010

Relative efficiency

enhanced emission and absorption in the visible

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 47: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Cutting photonswith Si NCs

Page 48: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Solid state sample: SiO2:Si-NCs

Colloidal sample: SiNCs in ethanol

• HF chemical etching: po-Si • suspended in ethanol

Experimental setup

Absolute QE of Si-NCs PL

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 49: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Q.E. for different wavelengths in visible and near UV

η is constant up to a photon energy

threshold of Ethreshold ≈ 2Egap

For larger photon energies a second excitation mechanism takes place

Definition relative quantum efficiency:

η =Nem

Nabs

Relative quantum efficiency

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 50: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Multi-excitongeneration

(MEG)

Space-separated quantum cutting

(SSQC)

Eexc ≥ 2Egap

Quantum cutting with Si-NCs

D. Timmerman et al., Nature Photonics (2008)

Page 51: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

SSQC with SiNCs in SiO2

Eexc >2Egap

1 in → 2 out

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 52: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Quantum cutting with Si-NCs

QE is constant up to photon energy threshold of hν ≈ 2Eg

~100 % increase of initial value

Step-like behavior

Two types of Si-NC samples: Si-NCs in SiO2

po-Si in EtOh

In two different calibrated QE setups

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 53: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

Shockley-Queisser limit

Conversion efficiency up to 44%!!!

Page 54: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

D. Timmerman et al., under review Nature Materials

PV impact

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 55: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

• XXIst century will begin“(Si) Solar Energy Age”

• Reaching ultimate PV cost and performance levels at sufficient sustainability critically depends on (Si) materials development

Conclusion

“you have seen nothing yet”

Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam

Page 56: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.

TGG at WZI, UvA

Van der Waals-Zeeman Institute - UvA

Page 57: Van der Waals-Zeeman Institute, University of Amsterdam “Twee halen - een betalen” Si nano-photovoltaics Tom Gregorkiewicz.