Células solares Ultra-Thin CdSeTe/CdTe depositadas en el espacio cercano para mejorar la densidad de corriente de cortocircuito y la fotoluminiscencia
Summary
Este trabajo describe el proceso completo de fabricación de dispositivos fotovoltaicos de temidio de selenio de cadmio delgado para una mayor eficiencia. El proceso utiliza un sistema de vacío en línea automatizado para la deposición de sublimación de espacio cercano que es escalable, desde la fabricación de dispositivos de investigación de área pequeña, así como módulos a gran escala.
Abstract
Los avances en las arquitecturas de dispositivos fotovoltaicos son necesarios para hacer de la energía solar una fuente rentable y fiable de energía renovable en medio de las crecientes demandas energéticas mundiales y el cambio climático. La tecnología CdTe de película delgada ha demostrado la competitividad de los costos y el aumento de la eficiencia debido en parte a los tiempos de fabricación rápidos, el uso mínimo de material es decir, la introducción de una aleación CdSeTe en una capa absorbente de 3 m. Este trabajo presenta la fabricación de sublimación de espacio cercano de dispositivos bicapa CdSeTe/CdTe delgados de 1,5 m utilizando un sistema automatizado de deposición de vacío en línea. La delgada estructura bicapa y la técnica de fabricación minimizan el tiempo de deposición, aumentan la eficiencia del dispositivo y facilitan el desarrollo futuro de la arquitectura de dispositivos basados en absorbentes delgados. Tres parámetros de fabricación parecen ser los más impactantes para optimizar los dispositivos absorbentes delgados CdSeTe/CdTe: temperatura de precalentamiento del sustrato, relación de espesor CdSeTe:CdTe y pasivación CdCl2. Para una sublimación adecuada del CdSeTe, la temperatura del sustrato antes de la deposición debe ser de 540 oC (superior a la de CdTe) controlada por el tiempo de permanencia en una fuente de precalentamiento. La variación en la relación de espesor CdSeTe:CdTe revela una fuerte dependencia del rendimiento del dispositivo en esta relación. Los espesores óptimos del absorbedor son de 0,5 m CdSeTe/1,0 m de CdTe, y las relaciones de espesor no optimizadas reducen la eficiencia a través de efectos de barrera inversa. Los absorbedores delgados son sensibles a la variación de pasivación de CdCl2; un tratamiento cdCl2 mucho menos agresivo (en comparación con los absorbedores más gruesos) con respecto a la temperatura y el tiempo produce un rendimiento óptimo del dispositivo. Con condiciones de fabricación optimizadas, CdSeTe/CdTe aumenta la densidad de corriente de cortocircuito del dispositivo y la intensidad de la fotoluminiscencia en comparación con el CdTe de un solo absorbedor. Además, un sistema de deposición de vacío de sublimación de espacio cerrado en línea ofrece reducción de material y tiempo, escalabilidad y logro de futuras arquitecturas de absorbedor ultrafino.
Introduction
La demanda mundial de energía se está acelerando rápidamente, y el año 2018 demostró el más rápido ( 2,3%) tasa de crecimiento en la última década1. Junto con una creciente conciencia de los efectos del cambio climático y la quema de combustibles fósiles, la necesidad de energía sabastecada, limpia y renovable se ha vuelto muy clara. De las muchas fuentes de energía renovables, la energía solar es distintiva por su potencial total, ya que la cantidad de energía solar que llega a la tierra supera con creces el consumo energético mundial2.
Los dispositivos fotovoltaicos (PV) convierten directamente la energía solar en energía eléctrica y son versátiles en escalabilidad (por ejemplo, minimódulos de uso personal y paneles solares integrados en la red) y tecnologías de materiales. Tecnologías como las células solares de araruro de galio de un solo cristal y de un solo cristal (GaAs) tienen eficiencias que alcanzan el 39,2% y el 35,5%, respectivamente3. Sin embargo, la fabricación de estas células solares de alta eficiencia es costosa y requiere mucho tiempo. El telluriuro de cadmio policristalino (CdTe) como material para PV de película delgada es ventajoso por su bajo costo, fabricación de alto rendimiento, variedad de técnicas de deposición y coeficiente de absorción favorable. Estos atributos hacen que el CdTe sea propicio para la fabricación a gran escala, y las mejoras en la eficiencia han hecho que el CdTe sea competitivo en cuanto a silicio y combustibles fósiles4.
Un avance reciente que ha impulsado el aumento en la eficiencia del dispositivo CdTe es la incorporación de material de aleación de tetriuro de selenio de cadmio (CdSeTe) en la capa absorbente. La integración del material CdSeTe de la banda más baja de 1,4 eV en un absorbedor CdTe de 1,5 eV reduce la separación de la banda frontal del absorbedor bicapa. Esto aumenta la fracción de fotones por encima de la brecha de banda y, por lo tanto, mejora la colección actual. Se ha demostrado la incorporación exitosa de CdSeTe en absorbentes de 3 m o más gruesos para aumentar la densidad de corriente con diversas técnicas de fabricación (es decir, sublimación de espacio cercano, deposición de transporte de vapor y electroplacado)5,6,7. El aumento de la espectroscopia de emisión de fotoluminiscencia de temperatura ambiente (PL), la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) y las señales de electroluminiscencia de los dispositivos absorbentes bicapa5,8 indican que, además del aumento de la recolección de corriente, el CdSeTe parece tener una mejor eficiencia radiativa y una vida útil del portador de minorías, y un dispositivo CdSeTe/CdTe tiene un voltaje más grande que el ideal que con CdTe solamente. Esto se ha atribuido en gran medida a la pasivación de selenio de defectos a granel9.
Se han reportado poca investigación sobre la incorporación de CdSeTe en absorbentes de CdTe más delgados (1,5 m). Por lo tanto, hemos investigado las características de los dispositivos delgados de 0,5 m CdSeTe/1,0 m CdTe bilayer-absorber fabricados por sublimación de espacio cercano (CSS) para determinar si los beneficios vistos en absorbentes bicapa gruesa también son alcanzables con absorbentes bicapa delgada. Estos absorbedores CdSeTe/CdTe, más del doble de delgados que sus homólogos más gruesos, ofrecen una notable disminución en el tiempo de deposición y el material y menores costos de fabricación. Por último, tienen potencial para futuros desarrollos de arquitectura de dispositivos que requieren espesores de absorbedor de menos de 2 m.
La deposición CSS de absorbentes en un único sistema de vacío en línea automatizado ofrece muchas ventajas sobre otros métodos de fabricación10,11. Las tasas de deposición más rápidas con la fabricación CSS aumentan el rendimiento del dispositivo y promueven conjuntos de datos experimentales más grandes. Además, el entorno de vacío único del sistema CSS en este trabajo limita los desafíos potenciales con las interfaces absorbentes. Los dispositivos fotovoltaicos de película delgada tienen muchas interfaces, cada una de las cuales puede actuar como un centro de recombinación para electrones y agujeros, reduciendo así la eficiencia general del dispositivo. El uso de un único sistema de vacío para las deposiciones de CdSeTe, CdTe y cloruro de cadmio (CdCl2) (necesario para una buena calidad de absorbedor12,13,14,15,16) puede producir una mejor interfaz y reducir los defectos interfaciales.
El sistema de vacío automatizado en línea desarrollado en la Universidad Estatal de Colorado10 también es ventajoso en su escalabilidad y repetibilidad. Por ejemplo, los parámetros de deposición se establecen por el usuario y el proceso de deposición se automatiza de forma que el usuario no necesite realizar ajustes durante la fabricación del absorbedor. Aunque los dispositivos de investigación de área pequeña se fabrican en este sistema, el diseño del sistema se puede escalar verticalmente para obtener deposiciones de área más grandes, lo que permite un vínculo entre la experimentación a escala de investigación y la implementación a escala de módulos.
Este protocolo presenta los métodos de fabricación utilizados para fabricar dispositivos fotovoltaicos de película delgada CdTe de 0,5 m cdseTe/1.0-m. Para la comparación, se fabrica un conjunto de dispositivos CdTe de 1,5 m. Las estructuras absorbentes individuales y bicapatienen condiciones de deposición nominalmente idénticas en todos los pasos del proceso, excluyendo la deposición de CdSeTe. Para caracterizar si los absorbedores delgados CdSeTe/CdTe conservan los mismos beneficios demostrados por sus contrapartes más gruesas, las mediciones de voltaje de densidad de corriente (J-V), eficiencia cuántica (QE) y PL se realizan en los dispositivos absorbentes delgados de una y dos capas. Un aumento en la densidad de corriente de cortocircuito (JSC) medido por J-V y QE, además de un aumento en la señal PL para el CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indique que los dispositivos Delgados CdSeTe/CdTe fabricados por CSS muestran una mejora notable en la recolección actual, la calidad del material y la eficiencia del dispositivo.
Aunque este trabajo se centra en los beneficios asociados con la incorporación de una aleación CdSeTe en una estructura de dispositivos fotovoltaicos CdTe, el proceso de fabricación completo para dispositivos CdTe y CdSeTe/CdTe se describe posteriormente en su totalidad. La Figura 1A,B muestra las estructuras completas del dispositivo para dispositivos CdTe y CdSeTe/CdTe respectivamente, compuestas por un sustrato de vidrio recubierto de óxido conductor transparente (TCO), capa de emisor de óxido de zinc de magnesio de tipo n (MgZnO), tipo p CdTe o absorbedor CdSeTe/CdTe con tratamiento CdCl2 y tratamiento de dopaje de cobre, capa de Te delgada y contacto posterior de níquel. Excluyendo la deposición del absorbedor CSS, las condiciones de fabricación son idénticas entre la estructura única y la estructura bicapa. Por lo tanto, a menos que se indique lo contrario, cada paso se realiza en las estructuras CdTe y CdSeTe/CdTe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los dispositivos fotovoltaicos Delgados CdSeTe/CdTe demuestran mejoras en la eficiencia en comparación con sus homólogos DeCd debido a una mejor calidad del material y al aumento de la recolección actual. Estas eficiencias mejoradas se han demostrado en absorbentes bicapa superiores a 3 m5,7, y ahora con condiciones de fabricación optimizadas, se ha demostrado que el aumento de la eficiencia también es alcanzable para los absorbedores bicapa más delgados, d…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores quieren agradecer al profesor W.S. Sampath por el uso de sus sistemas de deposición, Kevan Cameron por el apoyo del sistema, el Dr. Amit Munshi por su trabajo con células bicapa más gruesas y material de archivo suplementario del sistema automatizado de deposición de vacío CSS en línea, y el Dr. Darius Kuciauskas para la ayuda con las mediciones TRPL. Este material se basa en el trabajo apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables (EERE) del Departamento de Energía de los Estados Unidos en virtud del Acuerdo de La Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) Número DE-EE0007543.
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 |
Referencias
- . 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).
