2/6/2015 Using nanowires to enhance light trapping in solar cells | SPIE Newsroom: SPIE

http://spie.org/x104744.xml 1/5

HOME CONFERENCES + EXHIBITIONS PUBLICATIONS EDUCATION MEMBERSHIP INDUSTRY RESOURCES CAREER CENTER NEWS + VIDEOS

CREATE AN ACCOUNT  |  SIGN IN ABOUT SPIE  |  CONTACT US  |  HELP  |  SHOPPING CART

Newsroom Home

Astronomy

Biomedical Optics & MedicalImaging

Defense & Security

Electronic Imaging & SignalProcessing

Illumination & Displays

Lasers & Sources

Micro/Nano Lithography

Nanotechnology

Optical Design & Engineering

Optoelectronics &Communications

Remote Sensing

Sensing & Measurement

Solar & Alternative Energy

Sign up for Newsroom EAlerts

Information for:

Advertisers

Nanotechnology

Using nanowires to enhance light trapping insolar cellsMartin Foldyna, Linwei Yu, Soumyadeep Misra and Pere Roca iCabarrocas

Thinfilm solar cells achieve improved efficiency by incorporating radialjunction silicon nanowire devices.26 November 2013, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1201311.005205

The photovoltaic (PV) industry reduced the cost ofsilicon solar panels by 50% between 2006 and 2011,thanks to modifications that improved panelefficiency.  Moreover, the cost per watt of solarpower is now below $0.75, and prices per kilowatthour are fast approaching parity with electricityavailable on the grid.  It is possible to furtherincrease panel efficiency using thinfilm silicon (Si)

that incorporates nanometersized features (nanostructures) to improve lighttrapping, thus achieving greater efficiency without requiring more of theactive material. Random texturing or unevenly distributed pyramidstructures within the silicon can enhance light gathering up to thetheoretical limit described by Yablonovitch.  However, we can overcomethis limit using concepts based on wave optics.

Solar cells featuring nanowires with pn junctions constructed in a radialdirection have high lighttrapping efficiency  and enhanced chargecollection. This is because radial charge separation requires a shortercarrier diffusion length than for planar junction arrangements.  Individualnanowires exhibit high absorption by coupling incoming light into theirlocalized resonances.  By changing the distance between nanowireswithout changing any other parameter, we showed that this coupling doesnot require periodic arrangement.  For the best performance, weneeded to carefully adjust the nanowire diameters and the silicon (thevolume fraction). We confirmed that vertical nanowire arrays have hightolerances to changes in geometry without causing a drastic reduction indevice performance (see Figure 1). This is important for many lowcostfabrication processes, which cannot guarantee exact geometricaldimensions for every nanowire in the array. We also showed that optimalperformance does not depend heavily on whether the arrangements are

SEARCH

1, 2

3

4,56, 7

8

9, 10

11

11, 12

2/6/2015 Using nanowires to enhance light trapping in solar cells | SPIE Newsroom: SPIE

http://spie.org/x104744.xml 2/5

square or hexagonal (see Figure 1), given the same volume fraction, andthat the light absorption improves logarithmically with nanowire heights (seeFigure 2).

 

Figure 1. Ultimate shortcircuit current density (J ) as a function ofnanowire diameter and the distance between nanowire centers. Results fornanowires organized in square periodic arrays (left). Results for hexagonalperiodic arrays (right). The length of the wires was 5μm in both cases. mA:Milliampere.

 

Figure 2. Maximum values of J  as a function of nanowire length. Maximawere determined from all values for diameters between 100 and 700nm andall pitches between 200 and 700nm. The two curves in the plot are forperiodic square and hexagonal vertical crystalline silicon nanowire arrays,respectively.

Furthermore, we improved the performance of already optimized arrays bycombining two types of nanowires with different diameters in closelypacked hexagonal periodic arrangements. This created a cross section ofwires much larger than the geometric dimensions of a single nanowire, withthe benefit that wires with smaller diameters are more efficient in trappinglight at short wavelengths, while larger wires absorb better at longerwavelengths.  We optimized dualdiameter nanowire arrays for fixeddistances between centers of the neighboring nanowires. The resultsindicate that combining wires of two different diameters is superior to thestandard singlediameter configuration (see Figure 3). The highest shortcircuit currentdensity value obtained from calculations on a 5μmlong dualdiameter array is close to the value for an optimized 7.5μm singlediameterarray, representing a 33% reduction in material used.

SiliconPhotonicsAutomated

production: FiberAttach, Die

Attach, AutoAlign, Assembly

sc

sc

13

2/6/2015 Using nanowires to enhance light trapping in solar cells | SPIE Newsroom: SPIE

http://spie.org/x104744.xml 3/5

 

Figure 3. Dependence of ultimate J  values on two different diameters ofvertical nanowires in a closely packed hexagonal grid periodic array. Thedistance between centers of the closest nanowires is 450nm.

We fabricated radial junction solar cells using hydrogenated amorphoussilicon (aSi:H) as an active material (see Figure 4). First, we prepared pdoped crystalline silicon nanowire cores using a lowtemperature plasmaenhanced vaporliquidsolid process.  Next, we deposited a 100nmthickintrinsic aSi:H coating, followed by a thin coating of ndoped aSi:H, andsputtered a transparent indium tin oxide electrode on top of the nanowires.Figure 5 shows intermediate steps in scanning electron microscopyimages.

 

Figure 4. Schematic structure of radial junction devices prepared usingplasmaenhanced vaporliquidsolid growth followed by deposition of allsubsequent layers of the PIN stack. Cg: Corning glass. ZnO:Al:Aluminumdoped zinc oxide. pSiNW: pdoped crystalline silicon nanowire.iaSi:H: Intrinsic hydrogenated amorphous silicon. naSi:H: ndopedamorphous silicon. ITO: Indium tin oxide.

 

Figure 5. Scanning electron microscopy images of radial junction devicesduring different fabrication stages. VLS: Vaporliquidsolid. cSiNW:Crystalline silicon nanowire.

Strong light scattering, combined with coupling of light into resonancesinside the nanowires, enhances the absorption. Samples prepared withdifferent nanowire densities (from 110 to 370 million per cm ) achievedenergy conversion efficiencies of up to 8.1%, with the highestperformingcell reaching an opencircuit voltage of 0.80V, a shortcircuit current of16.1mA/cm , and a fill factor of 0.628.  Figure 6 shows an example ofdensityvoltage characteristics for a solar cell with energy conversionefficiency of greater than 8%. Relatively high shortcircuit current (J )values measured on radial junctionbased solar cells are mainly due to theefficient light scattering between nanowires (see Figure 7).

sc

14

9

2

2 15

sc

2/6/2015 Using nanowires to enhance light trapping in solar cells | SPIE Newsroom: SPIE

http://spie.org/x104744.xml 4/5

 

Figure 6. Current density as a function of the voltage for a solar cell withmeasured 8% energy conversion efficiency (η). Measured values of opencircuit voltage (V ), J , and fill factor (FF) are 0.794V, 16.23mA/cm , and0.623, respectively.

 

Figure 7. Spectral absorptance inside nanowirebased solar cells withdensities of about 110, 260, and 370 million nanowires per cm , comparedwith thin amorphous silicon films with thicknesses of 100, 250, and 500nm.

Our future work will focus on further improving device performance usingextensive numerical modeling and by optimizing the cell's transparentconductive coating (TCO). We plan to further increase J  density byswitching from amorphous silicon to microcrystalline for the activeabsorber layer. Using atomic layer deposition techniques, we aim toachieve improved uniformity of the TCO layer.

Martin Foldyna, Linwei Yu, Soumyadeep Misra, Pere Roca iCabarrocasLaboratory of Physics of Interfaces and Thin FilmsCNRS École PolytechniquePalaiseau, France

Martin Foldyna is a tenured CNRS researcher. His work focuses on opticalproperties of periodic and nonperiodic nanostructures for photovoltaic andsemiconductor applications, and optimization of solar cell performance.

References:1. A. McCrone, Solar surge drives record clean energy investment in 2011, Bloomberg NewEnergy Finance, 2012. https://www.bnef.com/PressReleases/view/180

2. M. Hanis, J. Blanton, N. Rinaldi, T. Kimbi, S. Fenn, J. Baca, W. Lent, Solar energy facts:year in review 2011, Solar Energy Industry Assoc., 2012.

3. K. Branker, M. J. M. Pathak, J. M. Pearce, A review of solar photovoltaic levelized cost ofelectricity, Renew. Sust. Energy Rev. 15, p. 44704482, 2011.

4. E. Yablonovitch, Statistical ray optics, J. Opt. Soc. Am. 72, p. 899907, 1982.

oc sc 2

2

sc

2/6/2015 Using nanowires to enhance light trapping in solar cells | SPIE Newsroom: SPIE

http://spie.org/x104744.xml 5/5

Copyright © 2015 SPIE About SPIE  |  Author Information  |  Privacy Policy  |  Sitemap  |  SPIEDigitalLibrary.org

5. Z. Yu, A. Raman, S. Fan, Fundamental limit of nanophotonic light trapping in solar cells,Proc. Nat'l Acad. Sci. USA 107, p. 1749117496, 2010.

6. D. M. Callahan, J. N. Munday, H. A. Atwater, Solar cell light trapping beyond the ray opticlimit, Nano Lett. 12, p. 214218, 2012.

7. S. E. Han, A. Mavrokefalos, M. S. Branham, G. Chen, Efficient lighttrappingnanostructures in thin silicon solar cells, Proc. SPIE 8031, p. 80310T, 2011.doi:10.1117/12.881047

8. M. D. Kelzenberg, S. W. Boettcher, J. A. Petykiewicz, D. B. TurnerEvans, M. C. Putnam,E. L. Warren, J. M. Spurgeon, R. M. Briggs, N. S. Lewis, H. A. Atwater, Enhancedabsorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications, Nat. Mater. 9,p. 239244, 2010.

9. L. Yu, B. O'Donnell, M. Foldyna, P. Roca i Cabarrocas, Radial junction amorphous siliconsolar cells on PECVDgrown silicon nanowires, Nanotechnology 23, p. 194011, 2012.

10. E. C. Garnett, P. Yang, Silicon nanowire radial pn junction solar cells, J. Am. Chem. Soc.130, p. 92249225, 2008.

11. M. Foldyna, L. Yu, B. O'Donnell, P. Roca i Cabarrocas, Optical absorption in verticalsilicon nanowires for solar cell applications, Proc. SPIE 8111, p. 811110, 2010.doi:10.1117/12.892690

12. M. Foldyna, L. Yu, P. Roca i Cabarrocas, Theoretical shortcircuit current density fordifferent geometries and organizations of silicon nanowires in solar cells, Sol. Energy Mater.Sol. Cells 117, p. 645651, 2013.

13. M. Foldyna, L. Yu, S. Misra, P. Roca i Cabarrocas, Light trapping enhancement inordered and disordered silicon nanowire based solar cells, Proc. SPIE 8824, p. 88240K,2013. doi:10.1117/12.2024016

14. S. Misra, L. Yu, W. Chen, P. Roca i Cabarrocas, Wetting layer: the key player in plasmaassisted silicon nanowire growth mediated by tin, J. Phys. Chem. C 117, p. 1778617790,2013.

15. S. Misra, L. Yu, M. Foldyna, P. Roca i Cabarrocas, High efficiency and stablehydrogenated amorphous silicon radial junction solar cells built on VLSgrown siliconnanowires, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 118, p. 9095, 2013.