Celle solari CdSeTe/CdTe ultrasottili a sublimazione a distanza ravvicinata per una maggiore densità e fotoluminescenza di corrente a corto circuito

La domanda globale di energia sta rapidamente accelerando e il 2018 ha dimostrato il più veloce (2,3%) tasso di crescita nell’ultimo decennio¹. Abbinato alla crescente consapevolezza degli effetti del cambiamento climatico e della combustione di combustibili fossili, la necessità di energia economica, pulita e rinnovabile è diventata abbondantemente chiara. Delle molte fonti di energia rinnovabile, l’energia solare si distingue per il suo potenziale totale, poiché la quantità di energia solare che raggiunge la Terra supera di gran lunga il consumo energetico globale².

I dispositivi fotovoltaici (PV) convertono direttamente l’energia solare in energia elettrica e sono versatili in termini di scalabilità (ad esempio, mini-moduli ad uso personale e pannelli solari integrati nella rete) e tecnologie dei materiali. Tecnologie come le celle solari a più e a singola giunzione, a cristalli singolo (GaAs) hanno efficienze che raggiungono rispettivamente il 39,2% e il 35,5%, rispettivamente³. Tuttavia, la fabbricazione di queste celle solari ad alta efficienza è costosa e richiede molto tempo. La telluride del cadmio policristallino (CdTe) come materiale per fotofilmatoria sottili è vantaggiosa per la sua fabbricazione a basso costo e ad alto consumo, la varietà di tecniche di deposizione e il coefficiente di assorbimento favorevole. Questi attributi rendono CdTe propizio per la produzione su larga scala, e miglioramenti nell’efficienza hanno reso CdTe competitivo in termini di costi con il silicio dominante nel mercato fotovoltaico e i combustibili fossili⁴.

Un recente progresso che ha guidato l’aumento dell’efficienza dei dispositivi CdTe è l’incorporazione di materiale in lega di telluride di selenio di cadmio (CdSeTe) nello strato assorbitore. L’integrazione del materiale CdSeTe con lo spazio della banda eV inferiore a 1,4 eV in un assorbitore CdTe da 1,5 eV riduce lo spazio della banda anteriore dell’assorbitore di bistrato. Questo aumenta la frazione di fotone al di sopra del divario della banda e quindi migliora la raccolta corrente. È stata dimostrata una riuscita incorporazione di CdSeTe in assorbitori di 3 m o più spessa per una maggiore densità di corrente con varie tecniche di fabbricazione (ad esempio, sublimazione dello spazio vicino, deposizione del trasporto di vapore ed elettroplastica)^5,6,7. Aumento della spettroscopia a emissione di temperatura ambiente (PL), della fotoluminescenza risolta nel tempo (TRPL) e dei segnali di elettroluminescenza dai dispositivi assorbitori bistrato^5,8 indicano che oltre all’aumento della raccolta di corrente, il CdSeTe sembra avere una migliore efficienza radiativa e durata del vettore di minoranza, e un dispositivo CdSeTe/CdTe ha una tensione più grande rispetto all’ideale rispetto a Quanto con solo CdTe. Questo è stato in gran parte attribuito alla passività del selenio dei difetti alla rinfusa⁹.

Sono state riportate poche ricerche sull’incorporazione di CdSeTe in assorbitori CdTe più sottili (1,5 m). Abbiamo quindi studiato le caratteristiche dei sottili dispositivi per assorbitori CdTe da 0,5 m, con la quale sono stati utilizzati per determinare se i benefici osservati negli assorbitori di bistrato spessi sono raggiungibili anche con gli assorbitori sottili di bistrato. Tali assorbitori CdSeTe/CdTe, più del doppio di quelli più spessi delle loro controparti più spesse, offrono una notevole diminuzione del tempo e del materiale di deposizione e costi di produzione inferiori. Infine, hanno un potenziale per i futuri sviluppi dell’architettura dei dispositivi che richiedono spessori di assorbimento inferiori a 2 m.

La deposizione CSS degli assorbitori in un unico sistema automatico di vuoto in linea offre molti vantaggi rispetto ad altri metodi di fabbricazione^10,11. Tassi di deposizione più rapidi con la fabbricazione CSS aumenta la velocità effettiva dei dispositivi e promuove set di dati sperimentali più grandi. Inoltre, l’ambiente a vuoto singolo del sistema CSS in questo lavoro limita le potenziali sfide con le interfacce assorbitore. I dispositivi fotovoltaici a film sottile hanno molte interfacce, ognuna delle quali può fungere da centro di ricombinazione per elettroni e fori, riducendo così l’efficienza complessiva del dispositivo. L’uso di un unico sistema a vuoto per le deposizioni CdSeTe, CdTe e cadmium chloruro (CdCl₂) (necessario per una buona qualità assorbitore^{12,13,14,15,16}) può produrre un’interfaccia migliore e ridurre i difetti interfacciali.

Anche il sistema di vuoto automatizzato in linea sviluppato presso la Colorado State University¹⁰ è vantaggioso per la sua scalabilità e ripetibilità. Ad esempio, i parametri di deposizione sono impostati dall’utente e il processo di deposizione è automatizzato in modo che l’utente non debba apportare modifiche durante la fabbricazione dell’assorbitore. Anche se in questo sistema sono fabbricati dispositivi di ricerca su piccola area, la progettazione del sistema può essere adattata a deposizioni di aree più grandi, consentendo un collegamento tra la sperimentazione su scala di ricerca e l’implementazione su scala di moduli.

Questo protocollo presenta i metodi di fabbricazione utilizzati per la produzione di dispositivi fotovoltaici a film sottile CdSeTe da 0,5 m Per fare un confronto, viene fabbricato un set di dispositivi CdT da 1,5 m. Le strutture di assorbitore singolo e bistrato hanno condizioni di deposizione nominalmente identiche in tutte le fasi del processo, esclusa la deposizione CdSeTe. Per caratterizzare se gli assorbitori sottili CdSeTe/CdTe mantengono gli stessi benefici dimostrati dalle loro controparti più spesse, le misurazioni di densità-densità di corrente (J-V), efficienza quantistica (QE) e PL vengono eseguite sui dispositivi di assorbimento singolo e bistrato sottili. Un aumento della densità di corrente in cortocircuito (J_SC)misurato da J-V e QE, oltre ad un aumento del segnale PL per il CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indicare che i sottili dispositivi CdSeTe/CdTe fabbricati da CSS mostrano un notevole miglioramento nella raccolta corrente, nella qualità del materiale e nell’efficienza del dispositivo.

Sebbene questo lavoro si concentri sui vantaggi associati all’incorporazione di una lega CdSeTe in una struttura di dispositivi fotovoltaici CdTe, il processo di fabbricazione completo per i dispositivi CdTe e CdSeTe/CdTe è descritto successivamente per intero. Figura 1A,B mostra le strutture dei dispositivi completati per i dispositivi CdTe e CdSeTe/CdTe rispettivamente, costituiti da un substrato di vetro trasparente rivestito di ossido di conduzione (TCO), strato di ossido di zinco di tipo n (Mg-nO), p-tipo CdTe o assorbitore CdSeTe/CdTe con trattamento CdCl₂ e trattamento con rame, strato sottile di Te e contatto con il ricambio del nichel. Escludendo la deposizione dell’assorbitore CSS, le condizioni di fabbricazione sono identiche tra la struttura single e la struttura del bistrato. Pertanto, se non diversamente specificato, ogni passaggio viene eseguito su entrambe le strutture CdTe e CdSeTe/CdTe.