Abstract

We report the computational modeling of Ag nanoparticles deposited on the rear of a nanohole-textured silicon thin film to achieve higher absorption for silicon solar cells. The silicon nanoholes and the rear-located Ag nanoparticles can enhance the absorption in the silicon thin film. The short circuit current density for nanohole-textured silicon thin film can be further improved by about 11.6% by Ag nanoparticles. The combination of silicon nanoholes and plasmonic metal nanoparticles provides a promising way to enhance the absorption of silicon thin-film solar cells.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. M. Schaadt, B. Feng, and E. T. Yu, Appl. Phys. Lett. 86, 063106 (2005).
    [CrossRef]
  2. S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
    [CrossRef]
  3. F. J. Beck, A. Polman, and K. R. Catchpole, J. Appl. Phys. 105, 114310 (2009).
    [CrossRef]
  4. S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
    [CrossRef]
  5. J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
    [CrossRef]
  6. C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
    [CrossRef]
  7. E. Garnett and P. D. Yang, Nano Lett. 10, 1082 (2010).
    [CrossRef]
  8. J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
    [CrossRef]
  9. J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).
  10. S. E. Han and G. Chen, Nano Lett. 10, 1012 (2010).
    [CrossRef]
  11. F. Wang, H. Y. Yu, J. S. Li, X. W. Sun, X. C. Wang, and H. Y. Zheng, Opt. Lett. 35, 40 (2010).
    [CrossRef]
  12. K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
    [CrossRef]
  13. H. M. Li, D. Y. Lee, and W. J. Yoo, IEEE Trans. Electron Devices 59, 2368 (2012).
    [CrossRef]
  14. K. Zhou, S. W. Jee, Z. Guo, S. Liu, and J. H. Lee, Appl. Opt. 50, G63 (2011).
    [CrossRef]
  15. R. Ren, Y. Guo, and R. Zhu, Opt. Lett. 37, 4245 (2012).
    [CrossRef]
  16. P. R. Pudasaini and A. A. Ayon, Phys. Status Solidi A 209, 1475 (2012).
    [CrossRef]

2012 (3)

H. M. Li, D. Y. Lee, and W. J. Yoo, IEEE Trans. Electron Devices 59, 2368 (2012).
[CrossRef]

R. Ren, Y. Guo, and R. Zhu, Opt. Lett. 37, 4245 (2012).
[CrossRef]

P. R. Pudasaini and A. A. Ayon, Phys. Status Solidi A 209, 1475 (2012).
[CrossRef]

2011 (2)

K. Zhou, S. W. Jee, Z. Guo, S. Liu, and J. H. Lee, Appl. Opt. 50, G63 (2011).
[CrossRef]

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

2010 (7)

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

E. Garnett and P. D. Yang, Nano Lett. 10, 1082 (2010).
[CrossRef]

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).

S. E. Han and G. Chen, Nano Lett. 10, 1012 (2010).
[CrossRef]

F. Wang, H. Y. Yu, J. S. Li, X. W. Sun, X. C. Wang, and H. Y. Zheng, Opt. Lett. 35, 40 (2010).
[CrossRef]

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

2009 (2)

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

F. J. Beck, A. Polman, and K. R. Catchpole, J. Appl. Phys. 105, 114310 (2009).
[CrossRef]

2007 (1)

S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
[CrossRef]

2005 (1)

D. M. Schaadt, B. Feng, and E. T. Yu, Appl. Phys. Lett. 86, 063106 (2005).
[CrossRef]

Ayon, A. A.

P. R. Pudasaini and A. A. Ayon, Phys. Status Solidi A 209, 1475 (2012).
[CrossRef]

Beck, F. J.

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

F. J. Beck, A. Polman, and K. R. Catchpole, J. Appl. Phys. 105, 114310 (2009).
[CrossRef]

Catchpole, K. R.

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

F. J. Beck, A. Polman, and K. R. Catchpole, J. Appl. Phys. 105, 114310 (2009).
[CrossRef]

S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
[CrossRef]

Chen, C.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Chen, G.

S. E. Han and G. Chen, Nano Lett. 10, 1012 (2010).
[CrossRef]

Chu, J.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Cui, Y.

J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).

Ding, W.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Fan, S. H.

J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).

Feng, B.

D. M. Schaadt, B. Feng, and E. T. Yu, Appl. Phys. Lett. 86, 063106 (2005).
[CrossRef]

Garnett, E.

E. Garnett and P. D. Yang, Nano Lett. 10, 1082 (2010).
[CrossRef]

Green, M. A.

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
[CrossRef]

Guo, Y.

Guo, Z.

Han, S. E.

S. E. Han and G. Chen, Nano Lett. 10, 1012 (2010).
[CrossRef]

Jee, S. W.

Jia, R.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Kasai, S.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Kwong, D. L.

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Lee, D. Y.

H. M. Li, D. Y. Lee, and W. J. Yoo, IEEE Trans. Electron Devices 59, 2368 (2012).
[CrossRef]

Lee, J. H.

Lee, S. T.

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

Li, H.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Li, H. M.

H. M. Li, D. Y. Lee, and W. J. Yoo, IEEE Trans. Electron Devices 59, 2368 (2012).
[CrossRef]

Li, J.

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Li, J. S.

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

F. Wang, H. Y. Yu, J. S. Li, X. W. Sun, X. C. Wang, and H. Y. Zheng, Opt. Lett. 35, 40 (2010).
[CrossRef]

Li, L.

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

Liu, S.

Liu, X.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Lo, G. Q.

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

Lo, P. G. Q.

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Ouyang, Z.

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

Peng, K. Q.

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

Pillai, S.

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
[CrossRef]

Polman, A.

F. J. Beck, A. Polman, and K. R. Catchpole, J. Appl. Phys. 105, 114310 (2009).
[CrossRef]

Pudasaini, P. R.

P. R. Pudasaini and A. A. Ayon, Phys. Status Solidi A 209, 1475 (2012).
[CrossRef]

Ren, R.

Schaadt, D. M.

D. M. Schaadt, B. Feng, and E. T. Yu, Appl. Phys. Lett. 86, 063106 (2005).
[CrossRef]

Sun, X.

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Sun, X. W.

Tamotsu, H.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Trupke, T.

S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
[CrossRef]

Wang, F.

Wang, S.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Wang, X.

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

Wang, X. C.

Wong, S. M.

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Wu, D.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Wu, X. L.

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

Yang, P. D.

E. Garnett and P. D. Yang, Nano Lett. 10, 1082 (2010).
[CrossRef]

Ye, T.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Yoo, W. J.

H. M. Li, D. Y. Lee, and W. J. Yoo, IEEE Trans. Electron Devices 59, 2368 (2012).
[CrossRef]

Yu, E. T.

D. M. Schaadt, B. Feng, and E. T. Yu, Appl. Phys. Lett. 86, 063106 (2005).
[CrossRef]

Yu, H.

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Yu, H. Y.

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

F. Wang, H. Y. Yu, J. S. Li, X. W. Sun, X. C. Wang, and H. Y. Zheng, Opt. Lett. 35, 40 (2010).
[CrossRef]

Yu, Z. F.

J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).

Yue, H.

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

Zhang, G.

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

Zheng, H. Y.

Zhou, K.

Zhu, J.

J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).

Zhu, R.

Appl. Opt. (1)

Appl. Phys. Lett. (2)

J. Li, H. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, X. Sun, P. G. Q. Lo, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett. 95, 033102 (2009).
[CrossRef]

D. M. Schaadt, B. Feng, and E. T. Yu, Appl. Phys. Lett. 86, 063106 (2005).
[CrossRef]

IEEE Trans. Electron Devices (1)

H. M. Li, D. Y. Lee, and W. J. Yoo, IEEE Trans. Electron Devices 59, 2368 (2012).
[CrossRef]

J. Am. Chem. Soc. (1)

K. Q. Peng, X. Wang, L. Li, X. L. Wu, and S. T. Lee, J. Am. Chem. Soc. 132, 6872 (2010).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (4)

C. Chen, R. Jia, H. Yue, H. Li, X. Liu, D. Wu, W. Ding, T. Ye, S. Kasai, H. Tamotsu, J. Chu, and S. Wang, J. Appl. Phys. 108, 094318 (2010).
[CrossRef]

S. Pillai, K. R. Catchpole, T. Trupke, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 101, 093105 (2007).
[CrossRef]

F. J. Beck, A. Polman, and K. R. Catchpole, J. Appl. Phys. 105, 114310 (2009).
[CrossRef]

S. Pillai, F. J. Beck, K. R. Catchpole, Z. Ouyang, and M. A. Green, J. Appl. Phys. 109, 073105 (2011).
[CrossRef]

J. Phys. D (1)

J. S. Li, H. Y. Yu, S. M. Wong, G. Zhang, G. Q. Lo, and D. L. Kwong, J. Phys. D 43, 255101 (2010).
[CrossRef]

Mater. Sci. Eng. R (1)

J. Zhu, Z. F. Yu, S. H. Fan, and Y. Cui, Mater. Sci. Eng. R 70, 330 (2010).

Nano Lett. (2)

S. E. Han and G. Chen, Nano Lett. 10, 1012 (2010).
[CrossRef]

E. Garnett and P. D. Yang, Nano Lett. 10, 1082 (2010).
[CrossRef]

Opt. Lett. (2)

Phys. Status Solidi A (1)

P. R. Pudasaini and A. A. Ayon, Phys. Status Solidi A 209, 1475 (2012).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (6)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Schematic of the NH-textured Si thin film with rear-located Ag nanoparticles for computational simulations and (b) cross-sectional view of the proposed structure. Structural parameters of the solar cells are nanohole periodicity (P1), radius (r), height (H), Ag nanoparticle diameter (d), and periodicity (P2).

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Absorption spectrum and (b) the short circuit current density for the Si thin film textured with Si NHs.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Absorption spectrum and (b) the short circuit current density for the Si thin film with rear Ag NPs.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Absorption ratio and (b) the short circuit current density for the Si NH-textured thin film with different rear Ag NPs. The Si NHs have a periodicity of 500 nm and fill factor of 0.5. The periodicity of Ag NPs is focused on 1000 nm.

Fig. 5.
Fig. 5.

Electric intensity distributions at the cross section for silicon thin film with (a) Si NHs, (b) Ag NPs, and (c) Si NHs and Ag NPs at a photon energy of 1.2 eV. The structural parameters are P1=500nm, d=800nm, and f1=f2=0.5.

Fig. 6.
Fig. 6.

Passivation layer thickness dependence of short circuit current density for the optimized hybrid nanostructure. The Si NH-textured thin film with and without Ag NPs is plotted for reference, corresponding to the upper and lower dotted lines, respectively.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Jsc=ehc4001100λA(λ)Φ(λ)dλ,

Metrics