短絡電流密度と光発光を高めるクローズスペース昇華堆積超薄型CdSeTe/CdTe太陽電池
Summary
この研究は、効率を高める薄吸収体カドミウムセレンテルル化物/カドミウムテルル化物の完全な製造プロセスを説明する。このプロセスでは、小規模領域研究デバイスの製造や大規模モジュールの製造など、スケーラブルな近接スペース昇華堆積のための自動インライン真空システムを利用しています。
Abstract
太陽光発電装置アーキテクチャの開発は、世界的なエネルギー需要と気候変動の高まりの中で、太陽エネルギーを費用対効果の高い信頼性の高い再生可能エネルギー源にするために必要です。薄膜CdTe技術は、製造時間の短縮、材料使用量の最小化、およびCdSeTe合金の吸収層の導入により、コスト競争力と効率の向上を実証しています。この作品は、自動インライン真空堆積システムを使用して、薄い1.5 μmのCdSeTe/CdTe二重層デバイスの近接昇華加工を示します。薄い二重層構造と製造技術により、堆積時間を最小限に抑え、デバイスの効率を向上させ、将来の薄吸収装置ベースのデバイスアーキテクチャ開発を促進します。3 つの製造パラメーターは、薄い CdSeTe/CdTe 吸収デバイスを最適化するための最も影響を与えるようです: 基板予熱温度、 CdSeTe:CdTe 厚さ比、および CdCl2パッシベーション。CdSeTeの適切な昇華のために、堆積前の基板温度は、予熱源でのドウェル時間によって制御されるように〜540°C(CdTeの場合はそれよりも高い)でなければなりません。CdSeTe:CdTe の厚み比の変動は、この比率に対するデバイスの性能の強い依存性を明らかにします。最適な吸収材の厚さは0.5 μmのCdSeTe/1.0 μm CdTeであり、最適化されていない厚さ比はバックバリア効果により効率を低下させます。シンアブソーバはCdCl2パッシベーションの変動に敏感です。温度と時間の両方に関して(厚い吸収剤と比較して)はるかに少ない積極的なCdCl2処理は最適な装置の性能を生み出す。CdSeTe/CdTeは、最適化された製造条件により、単一吸収剤CdTeと比較して、デバイスの短絡電流密度と光発光強度を向上させます。さらに、インライン近接スペース昇華真空蒸着システムは、材料と時間の削減、スケーラビリティ、将来の超薄型吸収アーキテクチャの達成可能性を提供します。
Introduction
世界のエネルギー需要は急速に加速しており、2018年は最速(2.3%)を示した。過去10年間の成長率1.気候変動や化石燃料の燃焼の影響に対する意識の高まりと組み合わせることで、コスト競争力、クリーン、再生可能エネルギーの必要性が豊富に明らかになりました。再生可能エネルギーの多いエネルギー源の中で、地球に到達する太陽エネルギーの量は世界のエネルギー消費量2をはるかに上回るため、太陽エネルギーは、その潜在力の大きい点が特徴である。
太陽光発電(PV)デバイスは、太陽エネルギーを直接電力に変換し、拡張性(個人的な使用ミニモジュールやグリッド統合ソーラーアレイなど)や材料技術に汎用性があります。多結合および単結晶ガリウム砒素(GaAs)太陽電池などの技術は、それぞれ39.2%と35.5%に達する効率を有する。しかし、これらの高効率太陽電池の製造は、コストと時間がかかる。薄膜用材料として多結晶カドミウムテルル化物(CdTe)は、低コスト、高スループットの製造、様々な堆積技術、および良好な吸収係数に有利である。これらの属性は、大規模な製造のためにCdTeを有望にし、効率の改善は、Pv市場優勢シリコンと化石燃料4とのコスト競争力を作ったCdTeを作りました。
CdTeデバイスの効率向上を牽引した最近の進歩の1つは、吸収体層へのセレンテルル化カドミウム(CdSeTe)合金材料の取り込みである。低い~1.4 eVバンドギャップのCdSeTe材料を1.5 eV CdTeアブソーバに統合すると、二重層吸収剤のフロントバンドギャップが減少します。これにより、バンド ギャップの上のフォトン分数が増加し、現在のコレクションが向上します。CdSeTeを3μm以上の吸収剤に組み込むことで電流密度を高め、様々な加工技術(すなわち、近接空間昇華、蒸気輸送堆積、および電気めっき)5、6、7で実証されている。室温光発光分光法(PL)、時間分解光発光(TRPL)、および二層吸収装置からの電気発光信号5,8は、電流収集の増加に加えて、CdSeTeは放射効率および少数キャリア寿命が優れているように見え、CdSeTe/CdTeデバイスはCdTeとのみの場合よりも理想的に比べて電圧が大きいことを示している。これは主にバルク欠陥9のセレンパッシベーションに起因している。
CdSeTeをシンナー(≤1.5 μm)CdTeアブソーバに組み込むことに関する研究はほとんど報告されていません。そこで、薄い0.5 μmのCdSeTe/1.0 μm CdTe二層吸収装置の特性を近空間昇華(CSS)で作製し、厚い二層吸収剤に見られる利点が薄い二層吸収剤でも得られるかどうかを調べた。このようなCdSeTe /CdTeアブソーバーは、厚い相手の2倍以上の薄さで、堆積時間と材料の著しい減少と製造コストの削減を提供します。最後に、それらは2μm未満の吸収材の厚さを必要とする将来のデバイスアーキテクチャの開発のための可能性を保持する。
単一の自動化されたインライン真空システムにおける吸収体のCSS堆積は、他の製造方法10、11よりも多くの利点を提供する。CSS 製造により、より高速な堆積速度は、デバイスのスループットを向上させ、より大きな実験データセットを促進します。さらに、この作業におけるCSSシステムの単一の真空環境は、吸収インターフェイスで潜在的な課題を制限します。薄膜PVデバイスには多くのインターフェースがあり、それぞれが電子と正孔の組み換えセンターとして機能するため、デバイス全体の効率が低下します。CdSeTe、CdTe、および塩化カドミウム(CdCl2)の単一の真空システムの使用(良い吸収体品質12、13、14、15、16)に対して、より良い界面を生成し、界面欠陥を低減することができます。
コロラド州立大学10で開発されたインライン自動真空システムは、スケーラビリティと再現性にも有利です。例えば、堆積パラメータはユーザセットであり、ユーザが吸収物製造中に調整を行う必要がないように堆積プロセスが自動化される。このシステムでは小さな領域の研究機器が製造されていますが、より大きな面積堆積のためにシステム設計をスケールアップすることができ、研究規模の実験とモジュール規模の実装との間のリンクを可能にします。
このプロトコルは、0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe薄膜PVデバイスの製造に使用される製造方法を示します。比較のために、1.5 μmのCdTeデバイスのセットが製造されています。単一および二層吸収体構造は、CdSeTe堆積を除くすべてのプロセスステップにおいて名目上同一の堆積条件を有する。薄いCdSeTe/CdTeアブソーバが、より厚い相手方、電流密度電圧(J-V)、量子効率(QE)、およびPL測定が薄い単層および二層吸収装置で実証されたのと同じ利点を保持しているかどうかを特徴付けます。J-VおよびQEで測定される短絡電流密度(JSC)の増加、およびCdSeTe/CdTeのPL信号の増加に加えて。CdTeデバイスは、CSSによって製造された薄いCdSeTe/CdTeデバイスが、現在の収集、材料品質、およびデバイス効率において顕著な改善を示していることを示す。
この研究はCdSeTe合金をCdTe PVデバイス構造に組み込むことに伴う利点に焦点を当てていますが、CdTeおよびCdSeTe/CdTeデバイスの完全な製造プロセスについては、その後完全に説明されています。図1,Bは、CdTeおよびCdSeTe/CdTeデバイス用の完成したデバイス構造を示しており、透明導電性酸化物(TCO)コーティングガラス基板、n型酸化マグネシウム(MgZnO)エミッタ層、P型CdTeまたはCdETe/CdTe吸収剤(CdCl2処理および銅ドーピング処理、薄い、ニッケル、ニッケル)で構成されています。CSS吸収体堆積を除くと、製造条件は単層構造と二層構造の間で同一である。したがって、特に記載がない限り、各ステップはCdTeとCdSeTe/CdTeの両方の構造で実行されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
薄二層CdSeTe/CdTe太陽光発電デバイスは、材料品質が向上し、現在のコレクションが増加しているため、CdTeの対応機器と比較して効率が向上しています。このような高効率化は、3μm5,7を超える二層吸収剤で実証されており、現在では製造条件が最適化されており、より薄い1.5μmの二層吸収剤についても高い効率が達成できることが実証されています?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、W.S.サンパス教授が堆積システムを使用してくれたことに感謝し、ケバン・キャメロンはシステムサポートに、アミット・ムンシ博士は、より厚い二層細胞とインライン自動CSS真空堆積システムの補足映像、および博士との研究に感謝したいと考えています。TRPL測定の援助のためのダリウス・クシアウスカス。この資料は、米国エネルギー省エネルギー省エネルギー省(EERE)が太陽エネルギー技術局(SETO)協定番号DE-EE0007543の支援を受けた作業に基づいています。
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).
