Close-Space Sublimation-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar Cells for Enhanced Short-Circuit Current Density and Photoluminescence

La demande mondiale d’énergie s’accélère rapidement, et l’année 2018 a été la plus rapide (2,3 %) taux de croissance au cours de la dernière décennie¹. Associé à une prise de conscience croissante des effets du changement climatique et de la combustion des combustibles fossiles, la nécessité d’une énergie économique, propre et renouvelable est devenue très claire. Parmi les nombreuses sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire est distinctive pour son potentiel total, comme la quantité d’énergie solaire qui atteint la terre dépasse de loin la consommation mondiale d’énergie².

Les appareils photovoltaïques (PV) convertissent directement l’énergie solaire en énergie électrique et sont polyvalents en matière d’évolutivité (p. ex., mini-modules d’utilisation personnelle et panneaux solaires intégrés au réseau) et technologies matérielles. Les technologies telles que les cellules solaires à jonctions multiples et à mono-jonction, à mono-cristal d’arsène de gallium (GaAs), ont des efficacités atteignant 39,2 % et 35,5 %, respectivement³. Cependant, la fabrication de ces cellules solaires à haut rendement est coûteuse et prend beaucoup de temps. La telluride de cadmium de polycrystalline (CdTe) comme matériau pour les téléviseurs à couches minces est avantageuse pour son faible coût, fabrication à haut débit, variété de techniques de dépôt, et coefficient d’absorption favorable. Ces attributs rendent CdTe propice à la fabrication à grande échelle, et l’amélioration de l’efficacité ont rendu CdTe rentable avec le silicium PV-dominant et les combustibles fossiles⁴.

Une avancée récente qui a conduit à l’augmentation de l’efficacité de l’appareil CdTe est l’incorporation de caélénium de cadmium (CdSeTe) matériau en alliage dans la couche absorbante. L’intégration du matériel CdSeTe de bande de bande de 1,4 eV inférieur dans un absorbeur CdTe de 1,5 eV réduit l’écart de bande avant de l’absorbeur de bilayer. Cela augmente la fraction de photon au-dessus de l’écart de bande et améliore ainsi la collection actuelle. L’incorporation réussie de CdSeTe dans des absorbeurs de 3 m ou plus épais pour une densité de courant accrue a été démontrée avec diverses techniques de fabrication (c.-à-d. sublimation à espace rapproché, dépôt de transport de vapeur et électroplacage)^5,6,7. L’augmentation de la spectroscopie d’émission de photoluminescence à température ambiante (PL), la photoluminescence résolue dans le temps (TRPL) et les signaux d’électroluminescence des dispositifs absorbeurs de bilayer^5,8 indiquent qu’en plus de l’augmentation de la collecte actuelle, le CdSeTe semble avoir une meilleure efficacité radiative et une meilleure durée de vie du transporteur minoritaire, et un appareil CdSeTe/CdTe a une tension plus élevée par rapport à l’idéal qu’avec CdTe seulement. Ceci a été largement attribué à la passivation de sélénium des défauts en vrac⁹.

Peu de recherches ont été rapportées sur l’incorporation de CdSeTe dans des absorbeurs CdTe plus minces (1,5 m). Nous avons donc étudié les caractéristiques des minces appareils cdSeTe/1.0 ‘m CdTe bilayer-absorber fabriqués par sublimation de l’espace rapproché (CSS) pour déterminer si les avantages observés dans les absorbeurs bilayer épais sont également réalisables avec des absorbeurs bilayer minces. Ces absorbeurs CdSeTe/CdTe, plus de deux fois plus minces que leurs homologues plus épais, offrent une diminution notable du temps de dépôt et des matériaux et des coûts de fabrication plus faibles. Enfin, ils ont un potentiel pour les développements futurs de l’architecture des périphériques qui nécessitent des épaisseurs absorbant de moins de 2 m.

Le dépôt CSS des absorbeurs dans un seul système automatisé de vide en ligne offre de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de fabrication^10,11. Des taux de dépôt plus rapides avec la fabrication CSS stimulent le débit de l’appareil et favorisent de plus grands ensembles de données expérimentales. De plus, l’environnement sous vide unique du système CSS dans ce travail limite les défis potentiels avec les interfaces absorbante. Les appareils photovoltaïques à couches minces ont de nombreuses interfaces, chacune pouvant servir de centre de recombinaison pour les électrons et les trous, réduisant ainsi l’efficacité globale de l’appareil. L’utilisation d’un seul système de vide pour le CdSeTe, cdTe, et le chlorure de cadmium (CdCl₂) dépositions (nécessaire pour une bonne qualité absorbeur^{12,13,14,15,16}) peut produire une meilleure interface et réduire les défauts interfaciaux.

Le système de vide automatisé en ligne développé à l’Université d’État du Colorado¹⁰ est également avantageux dans son évolutivité et sa répétabilité. Par exemple, les paramètres de dépôt sont définis par l’utilisateur, et le processus de dépôt est automatisé de sorte que l’utilisateur n’a pas besoin d’apporter des ajustements pendant la fabrication de l’absorbeur. Bien que les dispositifs de recherche de petite zone soient fabriqués dans ce système, la conception du système peut être mise à l’échelle pour les dépôts de plus grandes zones, permettant un lien entre l’expérimentation à l’échelle de la recherche et la mise en œuvre à l’échelle du module.

Ce protocole présente les méthodes de fabrication utilisées pour fabriquer des appareils photovoltaïques à couches minces De 0,5 m. À titre de comparaison, un ensemble d’appareils CdTe de 1,5 m sont fabriqués. Les structures d’absorbeur simple et bilayer ont des conditions de dépôt nominalement identiques dans toutes les étapes du processus, à l’exclusion du dépôt de CdSeTe. Pour caractériser si les absorbeurs CdSeTe/CdTe minces conservent les mêmes avantages démontrés par leurs homologues plus épais, la densité-tension actuelle (J-V), l’efficacité quantique (QE) et les mesures PL sont effectuées sur les dispositifs minces absorbeurs simples et bilayer. Une augmentation de la densité de courant court-circuit (J_SC) mesurée par J-V et QE, en plus d’une augmentation du signal PL pour le CdSeTe/CdTe vs. Appareil CdTe, indiquez que les appareils CdSeTe/CdTe minces fabriqués par CSS montrent une amélioration notable de la collecte actuelle, de la qualité des matériaux et de l’efficacité de l’appareil.

Bien que ce travail se concentre sur les avantages associés à l’incorporation d’un alliage CdSeTe dans une structure d’appareil PV CdTe, le processus de fabrication complet pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe est décrit par la suite dans son intégralité. La figure 1A,B montre les structures d’appareils terminées pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe respectivement, composées d’un substrat en verre transparent recouvert d’oxyde (TCO), d’oxyde de zinc de magnésium de type n (MgZnO), d’un cdTe de type p ou d’un absorbeur CdSeTe/CdTe avec traitement de traitement et de dopage au cuivre CdCl_2, d’une mince couche de te et d’un contact de nickel. À l’exclusion du dépôt d’absorbeur CSS, les conditions de fabrication sont identiques entre la structure simple et la structure bilayer. Ainsi, sauf indication contraire, chaque étape est effectuée sur les structures CdTe et CdSeTe/CdTe.