מרחב המראה הופקד במיוחד CdSeTe/CdTe תאים סולריים עבור משופר במעגל קצר מעגל צפיפות ופוטוטולוט
Summary
עבודה זו מתארת את תהליך הייצור המלא של מכשירים פוטו-וולטאי קדמיום לשיפור יעילות מוגברת. התהליך מנצל מערכת ואקום אוטומטית בתוך שורה לקבלת מרחב הסובלימציה המראה מדרגי, מתוך הייצור של מכשירים מחקר שטח קטן, כמו גם מודולים בקנה מידה גדול.
Abstract
פיתוחים בארכיטקטורות המכשיר הפוטו נחוצים כדי להפוך אנרגיה סולארית מקור חסכוני ואמין של אנרגיה מתחדשת בתוך הגוברת האנרגיה הגלובלית דרישות ושינוי האקלים. הטכנולוגיה cdte סרט דק הוכיחה עלות התחרותיות והגדלת יעילות בשל זמני הייצור המהיר, השימוש בחומרים מינימליים, והקדמה של סגסוגת CdSeTe לתוך שכבה ~ 3 יקרומטר הנספג. עבודה זו מציגה את הנפח הקרוב סובלימציה של דק, 1.5 יקרומטר CdSeTe/cdte בילייר התקנים באמצעות אוטומטי מערכת התצהיר ואקום מקוון. המבנה וטכניקת הייצור הדקים מצמצמים את זמן התצהיר, מגבירים את יעילות ההתקן ומקלים על פיתוח ארכיטקטורת התקן מבוססת בעתיד דק. שלושה פרמטרים בייצור מופיעים להיות המאריכות ביותר עבור מיטוב התקנים CdSeTe/CdTe דקים: מצע מחממים טמפרטורה, CdSeTe: יחס עובי CdTe, ו Cdte2 פסיבציה. עבור סובלימציה הנכון של CdSeTe, טמפרטורת המצע לפני התצהיר חייב להיות ~ 540 ° צ’ (גבוה יותר עבור CdTe) כנשלט על ידי לשכון זמן במקור מחממים. הגיוון ביחס העובי CdSeTe: CdTe חושף תלות חזקה בביצועי ההתקן ביחס זה. עוביים הנספגים האופטימליים הם 0.5 יקרומטר CdSeTe/1.0 יקרומטר cdte, ויחסי עובי שאינם ממוטבים מצמצמים את היעילות דרך אפקטי המכשול האחורי. בולמי דקים רגישים ל-CdCl2 וריאציה פסיבציה; טיפול הרבה פחות CdCl2 (לעומת בולמים עבים) לגבי הטמפרטורה הן הזמן תשואות ביצועי המכשיר האופטימלי. עם תנאי ייצור ממוטבים, CdSeTe/cdte מגבירה את צפיפות המכשיר במעגל קצר ובאינטנסיביות פוטולומיניסנציה לעומת cdte יחיד. בנוסף, מערכת הסובלימציה בחלל סגור בתוך שורה ואקום מציעה הפחתת חומרים וזמן, מדרגיות, וattainability של ארכיטקטורות בולם דקים במיוחד.
Introduction
הביקוש האנרגיה הגלובלית הוא מאיץ במהירות, והשנה 2018 הפגינו המהיר ביותר (2.3%) קצב גידול בעשור האחרון1. לזווג עם המודעות הגוברת של ההשפעות של שינוי האקלים ושריפת דלקים מאובנים, הצורך בעלות תחרותי, נקי, ואנרגיה מתחדשת הפכה ברורה לגמרי. של מקורות אנרגיה מתחדשת רבים, אנרגיה סולארית הוא ייחודי הפוטנציאל הכולל שלה, כמו כמות האנרגיה הסולארית המגיע כדור הארץ הרחק עולה על צריכת אנרגיה גלובלית2.
פוטוולטאית (PV) התקנים ישירות להמיר אנרגיה סולארית לכוח חשמלי הם צדדי מדרגיות (למשל, מיני מודולים אישיים, מערכי השמש משולבים הרשת) וטכנולוגיות חומרים. טכנולוגיות כגון רב והצומת יחיד, חד גביש גליום ארסניד (GaAs) תאים סולריים יש יעילות להגיע 39.2% ו 35.5%, בהתאמה3. עם זאת, הייצור של אלה יעילות גבוהה סולרי תאים יקרים וגוזלת זמן. קדמיום (CdTe) כחומר לסרט דק PVs הוא יתרון עבור עלות נמוכה, ייצור תפוקה גבוהה, מגוון של טכניקות תצהיר, ומקדם ספיגה חיובית. תכונות אלה להפוך CdTe תאים עבור ייצור בקנה מידה גדול, ושיפורים ביעילות הפכו CdTe עלות-תחרותי עם הסיליקון PV-market-דומיננטי ודלקים מאובנים4.
התקדמות אחת לאחרונה, כי הניע את העלייה ביעילות המכשיר CdTe הוא שילוב של החומר סגסוגת קדמיום טלייט (CdSeTe) לתוך שכבת הספיגה. שילוב הנמוך ביותר ~ 1.4 eV הלהקה פער CdSeTe החומר לתוך 1.5 eV CdTe בולם מפחית את הפער של הלהקה הקדמית של הביייר. זה מגביר את שבר הפוטון מעל פער הלהקה וכך משפר את האוסף הנוכחי. התאגדות מוצלחת של CdSeTe לתוך בולמי כי הם 3 יקרומטר או עבה עבור צפיפות הנוכחית מוגברת כבר הפגינו עם טכניקות ייצור שונות (כלומר, הסובלימציה קרוב החלל, הובלה של אדים ההובלה, ו אלקטרויוציפוי)5,6,7. מגביר את טמפרטורת החדר הפוטוסקופית פליטה (PL), (trpl), ואותות אלקטרולואוטיים של התקנים בינבר5,8 מצביעים על כך שבנוסף לאוסף הנוכחי המוגבר, הCdSeTe מופיע ביעילות רדיוטיבית טובה יותר ובאורך חיים של מיעוט, ובהתקן CdSeTe/cdte יש מתח גדול יחסית לאידיאל מאשר עם cdte בלבד. הדבר יוחס בעיקר לפסיבציה של פגמים בצובר9.
מחקר קטן דווח על התאגדות של CdSeTe לתוך רזה (≤ 1.5 μm) בולמי CdTe. יש לנו ולכן חקרו את המאפיינים של דק 0.5 יקרומטר CdSeTe/1.0 יקרומטר cdte בילייר-התקנים בולם מפוברק על-ידי סובלימציה בחלל הקרוב (CSS) כדי לקבוע אם היתרונות הנראים בולמי בלאייר עבה הם גם השגה עם בולמי bilayer דק. בולמי CdSeTe/CdTe כגון, יותר מכפול דק יותר מאשר עמיתיהם עבים יותר, מציעים ירידה בולטת בזמן התצהיר ובעלויות ייצור נמוכות יותר. לבסוף, הם מחזיקים בפוטנציאל להתפתחויות בארכיטקטורת התקן עתידיות הדורשות עוביים של פחות מ-2 μm.
CSS התצהיר של בולמי במערכת ואקום אוטומטית בתוך קו מציע יתרונות רבים על שיטות ייצור אחרות10,11. שיעורי תצהיר מהירים יותר עם ייצור CSS מגביר את תפוקת ההתקן ומקדם ערכות נתונים ניסיוניים גדולות יותר. בנוסף, סביבת הוואקום היחידה של מערכת CSS בעבודה זו מגבילה אתגרים פוטנציאליים עם ממשקי ספיגה. סרט דק התקנים PV יש ממשקים רבים, אשר כל אחד מהם יכול לשמש מרכז שילוב מחדש עבור אלקטרונים וחורים, ובכך לצמצם את יעילות המכשיר הכולל. השימוש במערכת ואקום אחת עבור הצהרות CdSeTe, cdte ו-קדמיום כלוריד (cdte2) (הדרושות לאיכות הספיגה טובה12,13,14,15,16) יכול לייצר ממשק טוב יותר ולהפחית פגמים אינטרפנים.
מערכת ואקום אוטומטית מקוונת שפותחה באוניברסיטת קולורדו סטייט10 הוא גם יתרון המדרגיות שלה ואת היכולת לשוב. לדוגמה, פרמטרי התצהיר מוגדרים על-ידי המשתמש ותהליך התצהיר אוטומטי כך שהמשתמש אינו צריך לבצע התאמות במהלך הייצור הנספג. למרות שהתקני מחקר באזור קטן מיוצרים במערכת זו, ניתן לשנות את עיצוב המערכת לתצהירים בשטח גדול יותר, ולאפשר קישור בין ניסויים בקנה מידה לבין הטמעה בקנה מידה של מודול.
פרוטוקול זה מציג את שיטות הייצור המשמשות לייצור 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe סרט דק התקנים PV. להשוואה, קבוצה של מכשירי cdte 1.5 יקרומטר מיוצרים. המבנים היחידים והבילויים הינם בעלי תנאי התצהיר זהים לגמרי בכל שלבי התהליך, למעט התצהיר CdSeTe. כדי לאפיין אם בולמי CdSeTe/CdTe דקים שומרים על היתרונות אותם הפגינו על ידי עמיתיהם עבים יותר, צפיפות הזרם הנוכחי (J-V), יעילות קוונטית (QE), ו-PL מדידות מבוצעות על התקנים דקה בודדת ובילובר. גידול בצפיפות הזרם הקצר (JSC) כפי שנמדד על ידי J-V ו-qe, בנוסף לעלייה באות PL עבור CdSeTe/cdte vs. CdTe התקן, לציין כי מכשירי CdSeTe/CdTe דק מפוברק על ידי CSS להראות שיפור הבולט באוסף הנוכחי, איכות החומר, ויעילות המכשיר.
למרות שעבודה זו מתמקדת ביתרונות הקשורים לשילוב של סגסוגת CdSeTe למבנה התקן CdTe PV, תהליך הייצור המלא עבור CdTe ו-CdSeTe/CdTe התקנים מתואר לאחר מכן במלואו. איור 1, B מציג מבנים התקן שהושלמו עבור cdte ו-CdSeTe/cdte התקנים בהתאמה, מורכב של תחמוצת מוליך שקוף (TCO)-מצופה המצע זכוכית, n-סוג מגנזיום אבץ תחמוצת (mgzno) פולט שכבה, p-סוג cdte או CdSeTe/cdte בשלים עם cdte2 טיפול וסמים לטיפול ב מלבד התצהיר של CSS, תנאי הייצור זהים בין המבנה היחיד לבין מבנה הביייר. כך, אלא אם צוין אחרת, כל שלב מבוצע הן במבנים CdTe ו-CdSeTe/CdTe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bilayer CdSeTe/CdTe מכשירים פוטו וולטאית להפגין שיפורים ביעילות לעומת עמיתיהם CdTe שלהם בגלל איכות חומר טוב יותר מוגבר האוסף הנוכחי. יעילות משופרת כגון הפגינו בולמי bilayer גדול יותר 3 יקרומטר5,7, ועכשיו עם תנאי ייצור אופטימיזציה, זה כבר הוכיחה כי יעילות מוגברת הם גם השגה ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לפרופסור W.S. סמנת לשימוש במערכות התצהיר שלו, Kevan קאמרון עבור תמיכה במערכת, ד ר עמית Munshi עבור עבודתו עם תאים bilayer עבה וקטעי וידאו משלים של מערכת מקוונת ואקום CSS מקוון, וד ר. דריוס קוצ’יסקאס לסיוע עם מדידות TRPL. חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת על ידי ארה ב. משרד האנרגיה של צריכת אנרגיה יעילה ואנרגיה מתחדשת (EERE) תחת אנרגיה סולארית טכנולוגיות משרד (ההסכם) מספר 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 |
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).
