Células solares ultrafinas de sublimação de curto espaço depositadas em cdSete/cdte para densidade de corrente de curto-circuito aprimorada e fotoluminescência
Summary
Este trabalho descreve o processo completo de fabricação de dispositivos fotovoltaicos de telúrio de cádmio de cádmio fino para maior eficiência. O processo utiliza um sistema de vácuo em linha automatizado para deposição de sublimação de espaço fechado que é escalável, a partir da fabricação de dispositivos de pesquisa de pequena área, bem como módulos de grande escala.
Abstract
Os desenvolvimentos em arquiteturas de dispositivos fotovoltaicos são necessários para tornar a energia solar uma fonte econômica e confiável de energia renovável em meio às crescentes demandas globais de energia e às mudanças climáticas. A tecnologia CdTe de filme fino demonstrou custo-competitividade e eficiência crescente devido parcialmente a tempos de fabricação rápidos, uso mínimo de material e introdução de uma liga CdSeTe em uma camada absorvente de ~3 μm. Este trabalho apresenta a fabricação de sublimação de espaço fechado de dispositivos bicamadas CdSeTe/CdTe de 1,5 μm usando um sistema automatizado de deposição de vácuo em linha. A estrutura de bicamadafina fina e a técnica de fabricação minimizam o tempo de deposição, aumentam a eficiência do dispositivo e facilitam o desenvolvimento futuro da arquitetura de dispositivos baseados em absorventes finos. Três parâmetros de fabricação parecem ser os mais impactantes para otimizar dispositivos absorventes CdSeTe/CdTe finos: temperatura pré-aquecimento do substrato, razão de espessura CdSeTe:CdTe e passivação CdCl2. Para a sublimação adequada do CdSeTe, a temperatura do substrato antes da deposição deve ser de ~540 °C (maior do que a do CdTe) conforme controlado pelo tempo de mora em uma fonte de pré-aquecimento. A variação na relação de espessura CdSeTe:CdTe revela uma forte dependência do desempenho do dispositivo nesta proporção. As espessuras dos absorvedores ideais são cdSeTe/1,0 μm CdTe de 0,5 μm, e as relações de espessura não otimizadas reduzem a eficiência através de efeitos de barreira traseira. Os absorventes finos são sensíveis à variação de passivação CdCl2; um tratamento cdCl2 muito menos agressivo (comparado com absorventes mais espessos) em relação à temperatura e ao tempo produz o desempenho ideal do dispositivo. Com condições de fabricação otimizadas, o CdSeTe/CdTe aumenta a densidade da corrente de curto-circuito do dispositivo e a intensidade da fotoluminescência em comparação com o CdTe de um único absorvente. Além disso, um sistema de deposição de vácuo de sublimação em espaço fechado oferece redução de material e tempo, escalabilidade e capacidade de atingimento de futuras arquiteturas de absorventes ultrafinos.
Introduction
A demanda global de energia está acelerando rapidamente, e o ano de 2018 foi o mais rápido( 2,3%) taxa de crescimento na última década1. Em pares com a crescente consciência dos efeitos das mudanças climáticas e da queima de combustíveis fósseis, tornou-se abundantemente clara a necessidade de energia renovável, econômica e econômica. Das muitas fontes de energia renovável, a energia solar é distinta para seu potencial total, pois a quantidade de energia solar que atinge a Terra excede em muito o consumo global de energia2.
Os dispositivos fotovoltaicos (PV) convertem diretamente a energia solar em energia elétrica e são versáteis em escalabilidade (por exemplo, minimódulos de uso pessoal e matrizes solares integradas à rede) e tecnologias de materiais. Tecnologias como multi-e-single-junction, single-crystal gálio arsenide (GaAs) células solares têm eficiências que alcançam 39,2% e 35,5%, respectivamente3. No entanto, a fabricação dessas células solares de alta eficiência é cara e demorada. O telúrio de cádmio policristalino (CdTe) como um material para PVs de filme fino é vantajoso para seu baixo custo, fabricação de alto preço, variedade de técnicas de deposição e coeficiente de absorção favorável. Esses atributos tornam o CdTe propício para a fabricação em larga escala, e melhorias na eficiência tornaram o CdTe econômico com o silício e os combustíveis fósseis dominantes no mercado de PV4.
Um avanço recente que tem impulsionado o aumento da eficiência do dispositivo CdTe é a incorporação de material de liga de telúrio de selênio de cádmio (CdSeTe) na camada absorvente. A integração do material CdSeTe de banda inferior ~1,4 eV em um absorvedor cdTe de 1,5 eV reduz a abertura da banda frontal do absorvedor bilayer. Isso aumenta a fração de fótons acima do gap da banda e, portanto, melhora a coleção atual. A incorporação bem sucedida do CdSeTe em absorventes de 3 μm ou mais espessos para o aumento da densidade da corrente foi demonstrada com várias técnicas de fabricação (ou seja, sublimação de espaço fechado, deposição de transporte de vapor e eletroplating)5,6,7. O aumento da espectroscopia de emissão de emissão de fotoluminescência da temperatura ambiente (PL), a fotoluminescência por tempo de resolução (TRPL) e os sinais de eletroluminescência dos dispositivos absorventes bicamadas5,8 indicam que, além do aumento da coleta atual, o CdSeTe parece ter melhor eficiência radiativa e vida útil minoritária, e um dispositivo CdSeTe/CdTe tem uma tensão maior em relação ao ideal do que apenas com CdTe. Isso tem sido atribuído em grande parte à passivação de selênio de defeitos a granel9.
Pouca pesquisa tem sido relatada sobre a incorporação de CdSeTe em absorvedores de CdTe mais finos (≤1,5 μm). Por conseguinte, investigamos as características dos finos dispositivos de absorção de bicamadas CdSeTe/1,0 μm CdTe fabricados pela sublimação de espaço próximo (CSS) para determinar se os benefícios vistos em absorvedores bicamadas espessos também são atingíveis com absorvedores finos de bicamadas. Tais absorventes CdSeTe/CdTe, mais do que duas vezes mais finos que seus contrapartes mais grossos, oferecem uma notável diminuição no tempo de deposição e material e menores custos de fabricação. Finalmente, eles têm potencial para futuros desenvolvimentos de arquitetura de dispositivos que requerem espessuras absorventes inferiores a 2 μm.
A deposição css de absorventes em um único sistema de vácuo automatizado em linha oferece muitas vantagens sobre outros métodos de fabricação10,11. Taxas de deposição mais rápidas com a fabricação de CSS aumentam o throughput do dispositivo e promovem conjuntos de dados experimentais maiores. Além disso, o ambiente de vácuo único do sistema CSS neste trabalho limita desafios potenciais com interfaces absorventes. Os dispositivos PV de filme fino possuem muitas interfaces, cada uma das quais pode atuar como um centro de recombinação para elétrons e buracos, reduzindo assim a eficiência geral do dispositivo. O uso de um único sistema de vácuo para os depoimentos de CdSeTe, CdTe e cloreto de cádmio (CdCl2)(necessário para uma boa qualidade de absorvente12,13,14,15,16) pode produzir uma melhor interface e reduzir defeitos interfaciais.
O sistema de vácuo automatizado em linha desenvolvido na Colorado State University10 também é vantajoso em sua escalabilidade e repetibilidade. Por exemplo, os parâmetros de deposição são definidos pelo usuário, e o processo de deposição é automatizado de forma que o usuário não precise fazer ajustes durante a fabricação do absorvedor. Embora dispositivos de pesquisa de pequena área sejam fabricados neste sistema, o projeto do sistema pode ser ampliado para depoimentos de áreas maiores, permitindo um elo entre a experimentação em escala de pesquisa e a implementação em escala de módulos.
Este protocolo apresenta os métodos de fabricação utilizados para fabricar dispositivos PV cdSeTe/1,0 μm CdTe de 1,0 μm. Para comparação, um conjunto de dispositivos CdTe de 1,5 μm são fabricados. As estruturas de absorvedores de camadas simples e bicamadas têm condições de deposição nominalmente idênticas em todas as etapas do processo, excluindo a deposição do CdSeTe. Para caracterizar se os amortecedores finos de CdSeTe/CdTe mantêm os mesmos benefícios demonstrados por suas contrapartes mais grossas, a densidade-tensão atual (J-V), a eficiência quântica (QE) e as medições de PL são realizadas nos dispositivos de absorção de um único e bicamada. Um aumento na densidade de corrente de curto-circuito (JSC) medida por J-V e QE, além de um aumento no sinal PL para o CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indicar que dispositivos CdSeTe/CdTe finos fabricados pela CSS mostram notável melhoria na coleta atual, qualidade do material e eficiência do dispositivo.
Embora este trabalho se concentre nos benefícios associados à incorporação de uma liga CdSeTe em uma estrutura de dispositivo CdTe PV, o processo completo de fabricação para dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe é descrito posteriormente na íntegra. A Figura 1A,B mostra estruturas de dispositivos concluídas para dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe, respectivamente, compostas por um substrato de vidro revestido de óxido de condução transparente (TCO) com tratamento de óxido de magnésio n-tipo magnésio (MgZnO) e conota de retorno do tratamento de cdCl2 e tratamento de doping de cobre, camada fina de Te e conota de retorno. Excluindo a deposição do absorvedor CSS, as condições de fabricação são idênticas entre a estrutura de uma única e bicamada. Assim, salvo observação em contrário, cada etapa é realizada em ambas as estruturas CdTe e CdSeTe/CdTe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os dispositivos fotovoltaicos CdSeTe/CdTe finos de bicamadas demonstram melhorias na eficiência em comparação com seus homólogos cdTe devido à melhor qualidade do material e ao aumento da coleta atual. Tais eficiências aprimoradas têm sido demonstradas em absorventes bicamadas maiores que 3 μm5,7, e agora com condições de fabricação otimizadas, foi demonstrado que o aumento da eficiência também é alcançável para absorvedores bicamadas mais finos …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao Professor W.S. Sampath pelo uso de seus sistemas de deposição, Kevan Cameron pelo apoio ao sistema, Dr. Amit Munshi por seu trabalho com células bicamadas mais grossas e imagens suplementares do sistema de deposição de vácuo automatizado CSS em linha, e Dr. Darius Kuciauskas para assistência com medidas TRPL. Este material é baseado no trabalho apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE) do Departamento de Energia dos EUA o Número de Acordo DEEE007543 do Escritório de Tecnologias de Energia Solar (SETO).
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
- . Global energy demand rose by 2.3% in 2018, its fastest pace in the last decade Available from: https://www.iea.org/newsroom/news/2019/march/global-energy-demand-rose-by-23-in-2018-its-fastest-pace-in-the-last-decade.html (2019)
- Morton, O. Solar energy: A new day dawning?: Silicon valley sunrise. Nature. 443 (7107), 19-22 (2006).
- . Best research-cell efficiency chart Available from: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2019)
- Munshi, A., et al. Polycrystalline CdSeTe/CdTe absorber cells with 28 mA/cm2 short-circuit current. IEEE Journal of Photovoltaics. 8 (1), 310-314 (2018).
- Metzger, W. K., et al. Exceeding 20% efficiency with in situ group V doping in polycrystalline CdTe solar cells. Nature Energy. 4, 837-845 (2019).
- Hsiao, K. J. Electroplated CdTe solar technology at Reel Solar. Proceedings of 46thIEEE PVSC. , (2019).
- Bothwell, A. M., Drayton, J. A., Jundt, P. M., Sites, J. R. Characterization of thin CdTe solar cells with a CdSeTe front layer. MRS Advances. 4 (37), 2053-2062 (2019).
- Fiducia, T. A. M., et al. Understanding the role of selenium in defect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluride solar cells. Nature Energy. 4, 504-511 (2019).
- Swanson, D. E., et al. Single vacuum chamber with multiple close space sublimation sources to fabricate CdTe solar cells. Journal of Vacuum Science and Technology A. 34, 021202 (2016).
- McCandless, B. E., Sites, J. R., Luque, A., Hegedus, S. Cadmium telluride solar cells. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , 617-662 (2003).
- Abbas, A., et al. Cadmium chloride assisted re-crystallization of CdTe: the effect of annealing over-treatment. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , (2014).
- Munshi, A., et al. Effect of varying process parameters on CdTe thin film device performance and its relationship to film microstructure. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , (2014).
- Metzger, W. K., et al. Time-resolved photoluminescence studies of CdTe solar cells. Journal of Applied Physics. 94 (5), 3549-3555 (2003).
- Moseley, J., et al. Luminescence methodology to determine grain-boundary, grain-interior, and surface recombination in thin film solar cells. Journal of Applied Physics. 124, 113104 (2018).
- Amarasinghe, M., et al. Obtaining large columnar CdTe grains and long lifetime on nanocrystalline CdSe, MgZnO, or CdS layers. Advanced Energy Materials. 8, 1702666 (2018).
- Tencor Instruments. . Alpha-Step 100 User’s Manual. , (1984).
- Wojtowicz, A., Huss, A. M., Drayton, J. A., Sites, J. R. Effects of CdCl2 passivation on thin CdTe absorbers fabricated by close-space sublimation. Proceedings of 44th IEEE PVSC. , (2017).
- Kirchartz, T., Ding, K., Rau, U., Abou-Ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. Fundamental electrical characterization of thin film solar cells. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. , 47 (2011).
- Swanson, D. E., Sites, J. R., Sampath, W. S. Co-sublimation of CdSexTe1-x layers for CdTe solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 159, 389-394 (2017).
- McCandless, B. E., et al. Overcoming Carrier Concentration Limits in Polycrystalline CdTe Thin Films with In Situ Doping. Scientific Reports. 8, 14519 (2018).
- Romeo, N., Bossio, A., Rosa, G. The back contact in CdTe/CdS thin film solar cells. Proceedings ISES Solar World Congress 2017. , (2017).
- Munshi, A. H., et al. Doping CdSexTe1-x/CdTe graded absorber films with arsenic for thin film photovoltaics. Proceedings of 46th IEEE PVSC. , (2019).
- Danielson, A. Doping CdTe Absorber Cells using Group V Elements. Proceedings of WCPEC-7. , (2018).
- Hsiao, K. J. . Electron Reflector Strategy for CdTe Thin film Solar Cells. , (2010).
- Swanson, D. E., et al. Incorporation of Cd1-xMgxTe as an electron reflector for cadmium telluride photovoltaic cells. Proceedings of MRS Spring Meeting and Exhibit. , (2015).
- Wendt, R., Fischer, A., Grecu, D., Compaan, A. D. Improvement of CdTe solar cell performance with discharge control during film deposition by magnetron sputtering. Journal of Applied Physics. 84 (5), 2920-2925 (1998).
- Sudharsanan, R., Rohatgi, A. Investigation of metalorganic chemical vapor deposition grown CdTe/CdS solar cells. Solar Cells. 31 (2), 143-150 (1991).
