Nahraumsublimations-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar cells für verbesserte Kurzschlussstromdichte und Photolumineszenz
Summary
Diese Arbeit beschreibt den kompletten Herstellungsprozess von dünnabsorbierten Cadmiumselselentellurid/Cadmiumtellurid-Photovoltaikgeräten für eine höhere Effizienz. Das Verfahren nutzt ein automatisiertes Inline-Vakuumsystem zur Nahraumsublimationsablagerung, das skalierbar ist, von der Fertigung von kleinräumigen Forschungsgeräten bis hin zu großflächigen Modulen.
Abstract
Entwicklungen in Photovoltaik-Anlagenarchitekturen sind notwendig, um Solarenergie inmitten des wachsenden globalen Energiebedarfs und des Klimawandels zu einer kostengünstigen und zuverlässigen Quelle erneuerbarer Energie zu machen. Die Dünnschicht-CdTe-Technologie hat kosten-wettbewerbsfähige und steigernde Effizienzen gezeigt, die teilweise auf schnelle Fertigungszeiten, minimalen Materialverbrauch und die Einführung einer CdSeTe-Legierung in eine Absorberschicht von 3 m zurückzuführen sind. Diese Arbeit stellt die Nahraumsublimationsfertigung von dünnen, 1,5 m CdSeTe/CdTe Bilayer-Geräten mit einem automatisierten Inline-Vakuumabscheidungssystem vor. Die dünne Zweischichtstruktur und Fertigungstechnik minimieren die Abscheidungszeit, erhöhen die Geräteeffizienz und erleichtern die zukünftige Entwicklung von Thin Absorber-basierten Gerätearchitekturen. Drei Fertigungsparameter scheinen die wirkungsvollsten für die Optimierung dünner CdSeTe/CdTe-Absorbergeräte zu sein: Substrat-Vorwärmtemperatur, CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnis und CdCl 2-Passivierung. Für eine ordnungsgemäße Sublimation des CdSeTe muss die Substrattemperatur vor der Abscheidung 540 °C (höher als bei CdTe) betragen, wie sie durch die Verweilzeit in einer Vorwärmquelle gesteuert wird. Die Variation des Dickenverhältnisses CdSeTe:CdTe zeigt eine starke Abhängigkeit der Geräteleistung von diesem Verhältnis. Die optimalen Absorberdicken sind 0,5 ‘m CdSeTe/1,0 ‘m CdTe, und nicht optimierte Dickenverhältnisse reduzieren die Effizienz durch Rückbarriereeffekte. Dünne Absorber reagieren empfindlich auf CdCl2 PassivierungVariation; eine viel weniger aggressive CdCl2-Behandlung (im Vergleich zu dickeren Absorbern) in Bezug auf Temperatur und Zeit ergibt eine optimale Geräteleistung. Mit optimierten Fertigungsbedingungen erhöht CdSeTe/CdTe die Kurzschlussstromdichte und Photolumineszenzintensität des Geräts im Vergleich zu CdTe mit Nurabsorber. Darüber hinaus bietet ein Inline-Nahraum-Sublimationsvakuumabscheidungssystem Material- und Zeitreduzierung, Skalierbarkeit und Erreichbarkeit zukünftiger ultradünner Absorberarchitekturen.
Introduction
Der weltweite Energiebedarf beschleunigt sich schnell, und das Jahr 2018 zeigte das schnellste( 2,3%) Wachstumsrate in den letzten zehn Jahren1. Gepaart mit dem zunehmenden Bewusstsein für die Auswirkungen des Klimawandels und der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist die Notwendigkeit kostenwettbewerbsfähiger, sauberer und erneuerbarer Energien überdeutlich geworden. Von den vielen erneuerbaren Energiequellen zeichnet sich die Solarenergie durch ihr Gesamtpotenzial aus, da die Menge an Sonnenenergie, die die Erde erreicht, den globalen Energieverbrauch bei weitem übersteigt2.
Photovoltaik-Geräte (PV) wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um und sind vielseitig in der Skalierbarkeit (z. B. persönliche Minimodule und netzintegrierte Solar-Arrays) und Materialtechnologien. Technologien wie Solarzellen mit mehreren und einem einzigen Knoten, einkristallklares Galliumarsenid (GaAs), haben Effizienzvon-Äh0 von 39,2 % bzw. 35,5 % bzw.3% . Die Herstellung dieser hocheffizienten Solarzellen ist jedoch kostspielig und zeitaufwändig. Polykristallines Cadmiumtellurid (CdTe) als Material für Dünnschicht-PVs ist vorteilhaft für seine kostengünstige, hochdurchsatzige Fertigung, Vielfalt der Abscheidungstechniken und günstigen Absorptionskoeffizienten. Diese Eigenschaften machen CdTe für die Großserienfertigung günstig, und Effizienzsteigerungen haben CdTe mit PV-marktbeherrschenden Silizium und fossilen Brennstoffen kostengünstig gemacht4.
Eine jüngste Weiterentwicklung, die die Steigerung der CdTe-Geräteeffizienz angetrieben hat, ist die Einbindung von Cadmiumseltellurid (CdSeTe) Legierungsmaterial in die Absorberschicht. Durch die Integration des unteren cdSeTe-Bandspalts in einen 1,5 eV-CdTe-Absorber wird der Vorderbandspalt des Bilayer-Absorbers reduziert. Dies erhöht den Photonenanteil über der Bandlücke und verbessert so die aktuelle Sammlung. Die erfolgreiche Einbindung von CdSeTe in Absorber, die 3 m oder dicker für eine erhöhte Stromdichte sind, wurde mit verschiedenen Fertigungstechniken (d.h. Nahraumsublimation, Dampftransportabscheidung und Galvanik)5,6,7demonstriert. Erhöhte Raumtemperatur Photolumineszenz-Emissionsspektroskopie (PL), zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL) und Elektrolumineszenzsignale von Bilayer-Absorber-Geräten5,8 deuten darauf hin, dass neben der erhöhten Stromaufnahme der CdSeTe eine bessere Strahlungseffizienz und Minderheitstragelebensdauer zu haben scheint und ein CdSeTe/CdTe-Gerät eine größere Spannung im Vergleich zum Ideal als nur bei CdTe hat. Dies wurde weitgehend auf die Selenpassivierung von Schüttgutdefekten9zurückgeführt.
Wenig Forschung wurde über die Einbeziehung von CdSeTe in dünnere (ca. 1,5 m) CdTe-Absorber berichtet. Wir haben daher die Eigenschaften dünner, 0,5 ‘m CdSeTe/1,0’m CdTe Bilayer-Absorbergeräte untersucht, die durch Nahraumsublimation (CSS) hergestellt werden, um festzustellen, ob die Vorteile, die in dicken Bilayer-Absorbern zu beobachten sind, auch mit dünnen Doppelschichtabsorbern erreichbar sind. Solche CdSeTe/CdTe Absorber, die mehr als doppelt so dünn sind wie ihre dickeren Pendants, bieten eine deutliche Verringerung der Abscheidungszeit und des Materials und niedrigere Herstellungskosten. Schließlich haben sie Potenzial für zukünftige Entwicklungen in der Gerätearchitektur, die Absorberdicken von weniger als 2 m erfordern.
Die CSS-Abscheidung von Absorbern in einem einzigen automatisierten Inline-Vakuumsystem bietet viele Vorteile gegenüber anderen Fertigungsmethoden10,11. Schnellere Abscheidungsraten mit CSS-Fertigung steigern den Gerätedurchsatz und fördern größere experimentelle Datensätze. Darüber hinaus begrenzt die einzelvakuumumgebung des CSS-Systems in dieser Arbeit potenzielle Herausforderungen mit Absorberschnittstellen. Dünnschicht-PV-Geräte verfügen über viele Schnittstellen, von denen jede als Rekombinationszentrum für Elektronen und Löcher fungieren kann, wodurch die Gesamteffizienz des Geräts reduziert wird. Die Verwendung eines einzigen Vakuumsystems für die CdSeTe-, CdTe-und Cadmiumchlorid-Ablagerungen (notwendig für eine gute Absorberqualität12,13,14,15,16) kann eine bessere Schnittstelle erzeugen und Grenzflächendefekte reduzieren.
Das an der Colorado State University10 entwickelte automatisierte Inline-Vakuumsystem ist auch in seiner Skalierbarkeit und Wiederholbarkeit von Vorteil. Beispielsweise sind Abscheidungsparameter vom Benutzer festgelegt, und der Abscheidungsprozess wird so automatisiert, dass der Benutzer während der Absorberherstellung keine Anpassungen vornehmen muss. Obwohl in diesem System kleine Forschungsgeräte für kleine Flächen hergestellt werden, kann das Systemdesign für größere Flächenablagerungen skaliert werden, was eine Verbindung zwischen Experimenten im Forschungsmaßstab und der Implementierung von Modulen ermöglicht.
Dieses Protokoll stellt die Herstellungsverfahren vor, mit der 0,5-mm-CdSeTe/1,0-m CdTe-Dünnschicht-PV-Geräte hergestellt werden. Zum Vergleich: Es wird ein Satz von 1,5 ‘m CdTe-Geräten hergestellt. Ein- und Zweischichtabsorberstrukturen haben in allen Prozessschritten nominell identische Abscheidungsbedingungen, mit Ausnahme der CdSeTe-Abscheidung. Um zu charakterisieren, ob dünne CdSeTe/CdTe-Absorber die gleichen Vorteile behalten, die durch ihre dickeren Gegenstücke, Stromdichte-Spannung (J-V), Quanteneffizienz (QE) und PL-Messungen gezeigt werden, an den dünnen Einzel- und Zweischichtabsorbergeräten durchgeführt werden. Eine Erhöhung der Kurzschlussstromdichte (JSC), gemessen durch J-V und QE, zusätzlich zu einer Erhöhung des PL-Signals für den CdSeTe/CdTe vs. CdTe-Gerät, zeigen Sie an, dass dünne CdSeTe/CdTe-Geräte, die von CSS hergestellt werden, eine deutliche Verbesserung der aktuellen Sammlung, Materialqualität und Geräteeffizienz aufweisen.
Obwohl sich diese Arbeit auf die Vorteile konzentriert, die mit der Integration einer CdSeTe-Legierung in eine CdTe PV-Gerätestruktur verbunden sind, wird der gesamte Herstellungsprozess für CdTe- und CdSeTe/CdTe-Geräte anschließend vollständig beschrieben. Abbildung 1A,B zeigt abgeschlossene Gerätestrukturen für CdTe- bzw. CdSeTe/CdTe-Geräte, bestehend aus einem transparenten leitenden Oxid (TCO)-beschichteten Glassubstrat, einem n-Typ Magnesium Zinkoxid (MgZnO)-Emitterschicht, p-Typ CdTe oder CdSeTe/CdTe Absorber mit CdCl2-Behandlung und Kupfer-Doping-Behandlung, dünner Te-Schicht und Nickel-Rückenkontakt. Mit Ausnahme der CSS-Absorberabscheidung sind die Fertigungsbedingungen zwischen der ein- und der zweischichtigen Struktur identisch. Sofern nicht anders angegeben, wird daher jeder Schritt sowohl auf CdTe- als auch auf CdSeTe/CdTe-Strukturen ausgeführt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dünne Zweischicht-CdSeTe/CdTe-Photovoltaikgeräte weisen aufgrund einer besseren Materialqualität und einer erhöhten Stromsammlung eine Effizienzsteigerung im Vergleich zu ihren CdTe-Pendants auf. Solche verbesserten Effizienzen wurden in Doppelschichtabsorbern von mehr als 3 m5,7, nachgewiesen, und jetzt mit optimierten Fertigungsbedingungen wurde gezeigt, dass erhöhte Effizienzen auch für dünnere, 1,5-m-Bilayer-Absorber erreichbar sind.
<p class="jove…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Professor W.S. Sampath für die Verwendung seiner Abscheidungssysteme, Kevan Cameron für die Systemunterstützung, Dr. Amit Munshi für seine Arbeit mit dickeren Zweischichtzellen und ergänzenden Aufnahmen des inline automatisierten CSS-Vakuumabscheidungssystems und Dr. Darius Kuciauskas für Unterstützung bei TRPL-Messungen. Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) des US-Energieministeriums im Rahmen der VereinbarungSnummer DE-EE0007543 des US-Energieministeriums unterstützt werden.
Materials
| Alpha Step Surface Profilometer | Tencor Instruments | 10-00020 | Instrument for measuring film thickness |
| CdCl2 Material | 5N Plus | N/A | Material for absorber passivation treatment |
| CdSeTe Semiconductor Material | 5N Plus | N/A | P-type semiconductor material for absorber layer |
| CdTe Semiconductor Material | 5N Plus | N/A | P-type semiconductor material for absorber layer |
| CESAR RF Power Generator | Advanced Energy | 61300050 | Power generator for MgZnO sputter deposition |
| CuCl Material | Sigma Aldrich | N/A | Material for absorber doping |
| Delineation Material | Kramer Industries Inc. | Melamine Type 3 60-80 mesh | Plastic beading material for film delineation |
| Glovebox Enclosure | Vaniman Manufacturing Co. | Problast 3 | Glovebox enclosure for film delineation |
| Gold Crystal | Kurt J. Lesker Company | KJLCRYSTAL6-G10 | Crystal for Te evaporation thickness monitor |
| HVLP and Standard Gravity Feed Spray Gun Kit | Husky | HDK00600SG | Applicator spray gun for Ni paint back contact application |
| MgZnO Sputter Target | Plasmaterials, Inc. | PLA285287489 | N-type emitter layer material |
| Micro 90 Glass Cleaning Solution | Cole-Parmer | EW-18100-05 | Solution for initial glass cleaning |
| NSG Tec10 Substrates | Pilkington | N/A | Transparent-conducting oxide glass for front electrical contact |
| Super Shield Ni Conductive Coating | MG Chemicals | 841AR-3.78L | Conductive paint for back contact layer |
| Te Material | Sigma Aldrich | MKBZ5843V | Material for back contact layer |
| Thickness Monitor | R.D. Mathis Company | TM-100 | Instrument for programming and monitoring Te evaporation conditions |
| Thinner 1 | MG Chemicals | 4351-1L | Paint thinner to mix with Ni for back contact layer |
| Ultrasonic Cleaner 1 | L & R Electronics | Q28OH | Ultrasonic cleaner 1 for glass cleaning |
| Ultrasonic Cleaner 2 | Ultrasonic Clean | 100S | Ultrasonic cleaner 2 for glass cleaning |
| UV/VIS Lambda 2 Spectrometer | PerkinElmer | 166351 | Spectrometer used for transmission measurements on CdSeTe films |
References
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