Summary

Close-Space Sublimation-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar Cells for Enhanced Short-Circuit Current Density and Photoluminescence

Published: March 06, 2020
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Summary

Ce travail décrit le processus complet de fabrication de l’absorbeur mince cadmium telluride/cadmium telluride dispositifs photovoltaïques pour une efficacité accrue. Le processus utilise un système automatisé de vide en ligne pour les dépôts de sublimation à espace rapproché qui est évolutif, de la fabrication de petits dispositifs de recherche de zone ainsi que des modules à grande échelle.

Abstract

Les développements dans les architectures de dispositifs photovoltaïques sont nécessaires pour faire de l’énergie solaire une source rentable et fiable d’énergie renouvelable au milieu de la demande croissante d’énergie mondiale et du changement climatique. La technologie CdTe à couches minces a démontré une compétitivité des coûts et une efficacité croissante en partie en raison des temps de fabrication rapides, de l’utilisation minimale des matériaux et de l’introduction d’un alliage CdSeTe dans une couche absorbante de 3 millions d’euros. Ce travail présente la fabrication de sublimations à espace rapproché des appareils bilayer CdSeTe/CdTe minces de 1,5 m à l’aide d’un système automatisé de dépôt sous vide en ligne. La structure bilayer mince et la technique de fabrication minimisent le temps de dépôt, augmentent l’efficacité de l’appareil et facilitent le développement futur de l’architecture de dispositif à base d’absorbeurs minces. Trois paramètres de fabrication semblent être les plus percutants pour optimiser les dispositifs minces cdSeTe/CdTe absorbeurs : la température de préchauffer le substrat, le rapport d’épaisseur CdSeTe:CdTe et la passivation CdCl2. Pour une sublimation appropriée du CdSeTe, la température du substrat avant le dépôt doit être de 540 oC (plus élevée que celle de cdTe) contrôlée par le temps de séjour dans une source de préchauffage. La variation du rapport d’épaisseur CdSeTe:CdTe révèle une forte dépendance des performances de l’appareil à ce ratio. Les épaisseurs optimales d’absorbeur sont des cdSeTe de 0,5 m et un CdTe de 1,0 m, et des ratios d’épaisseur non optimisés réduisent l’efficacité grâce à des effets de barrière arrière. Les absorbeurs minces sont sensibles à la variation de passivation CdCl2; un traitement CdCl2 beaucoup moins agressif (par rapport aux absorbeurs plus épais) concernant la température et le temps donne des performances optimales de l’appareil. Avec des conditions de fabrication optimisées, CdSeTe/CdTe augmente la densité de courant et l’intensité de photoluminescence des périphériques en court-circuit par rapport au CdTe à absorbeur unique. En outre, un système de dépôt sous vide de sublimation dans l’espace rapproché offre la réduction des matériaux et du temps, l’évolutivité et l’accessibilité des futures architectures d’absorbeurs ultra-minces.

Introduction

La demande mondiale d’énergie s’accélère rapidement, et l’année 2018 a été la plus rapide (2,3 %) taux de croissance au cours de la dernière décennie1. Associé à une prise de conscience croissante des effets du changement climatique et de la combustion des combustibles fossiles, la nécessité d’une énergie économique, propre et renouvelable est devenue très claire. Parmi les nombreuses sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire est distinctive pour son potentiel total, comme la quantité d’énergie solaire qui atteint la terre dépasse de loin la consommation mondiale d’énergie2.

Les appareils photovoltaïques (PV) convertissent directement l’énergie solaire en énergie électrique et sont polyvalents en matière d’évolutivité (p. ex., mini-modules d’utilisation personnelle et panneaux solaires intégrés au réseau) et technologies matérielles. Les technologies telles que les cellules solaires à jonctions multiples et à mono-jonction, à mono-cristal d’arsène de gallium (GaAs), ont des efficacités atteignant 39,2 % et 35,5 %, respectivement3. Cependant, la fabrication de ces cellules solaires à haut rendement est coûteuse et prend beaucoup de temps. La telluride de cadmium de polycrystalline (CdTe) comme matériau pour les téléviseurs à couches minces est avantageuse pour son faible coût, fabrication à haut débit, variété de techniques de dépôt, et coefficient d’absorption favorable. Ces attributs rendent CdTe propice à la fabrication à grande échelle, et l’amélioration de l’efficacité ont rendu CdTe rentable avec le silicium PV-dominant et les combustibles fossiles4.

Une avancée récente qui a conduit à l’augmentation de l’efficacité de l’appareil CdTe est l’incorporation de caélénium de cadmium (CdSeTe) matériau en alliage dans la couche absorbante. L’intégration du matériel CdSeTe de bande de bande de 1,4 eV inférieur dans un absorbeur CdTe de 1,5 eV réduit l’écart de bande avant de l’absorbeur de bilayer. Cela augmente la fraction de photon au-dessus de l’écart de bande et améliore ainsi la collection actuelle. L’incorporation réussie de CdSeTe dans des absorbeurs de 3 m ou plus épais pour une densité de courant accrue a été démontrée avec diverses techniques de fabrication (c.-à-d. sublimation à espace rapproché, dépôt de transport de vapeur et électroplacage)5,6,7. L’augmentation de la spectroscopie d’émission de photoluminescence à température ambiante (PL), la photoluminescence résolue dans le temps (TRPL) et les signaux d’électroluminescence des dispositifs absorbeurs de bilayer5,8 indiquent qu’en plus de l’augmentation de la collecte actuelle, le CdSeTe semble avoir une meilleure efficacité radiative et une meilleure durée de vie du transporteur minoritaire, et un appareil CdSeTe/CdTe a une tension plus élevée par rapport à l’idéal qu’avec CdTe seulement. Ceci a été largement attribué à la passivation de sélénium des défauts en vrac9.

Peu de recherches ont été rapportées sur l’incorporation de CdSeTe dans des absorbeurs CdTe plus minces (1,5 m). Nous avons donc étudié les caractéristiques des minces appareils cdSeTe/1.0 ‘m CdTe bilayer-absorber fabriqués par sublimation de l’espace rapproché (CSS) pour déterminer si les avantages observés dans les absorbeurs bilayer épais sont également réalisables avec des absorbeurs bilayer minces. Ces absorbeurs CdSeTe/CdTe, plus de deux fois plus minces que leurs homologues plus épais, offrent une diminution notable du temps de dépôt et des matériaux et des coûts de fabrication plus faibles. Enfin, ils ont un potentiel pour les développements futurs de l’architecture des périphériques qui nécessitent des épaisseurs absorbant de moins de 2 m.

Le dépôt CSS des absorbeurs dans un seul système automatisé de vide en ligne offre de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de fabrication10,11. Des taux de dépôt plus rapides avec la fabrication CSS stimulent le débit de l’appareil et favorisent de plus grands ensembles de données expérimentales. De plus, l’environnement sous vide unique du système CSS dans ce travail limite les défis potentiels avec les interfaces absorbante. Les appareils photovoltaïques à couches minces ont de nombreuses interfaces, chacune pouvant servir de centre de recombinaison pour les électrons et les trous, réduisant ainsi l’efficacité globale de l’appareil. L’utilisation d’un seul système de vide pour le CdSeTe, cdTe, et le chlorure de cadmium (CdCl2) dépositions (nécessaire pour une bonne qualité absorbeur12,13,14,15,16) peut produire une meilleure interface et réduire les défauts interfaciaux.

Le système de vide automatisé en ligne développé à l’Université d’État du Colorado10 est également avantageux dans son évolutivité et sa répétabilité. Par exemple, les paramètres de dépôt sont définis par l’utilisateur, et le processus de dépôt est automatisé de sorte que l’utilisateur n’a pas besoin d’apporter des ajustements pendant la fabrication de l’absorbeur. Bien que les dispositifs de recherche de petite zone soient fabriqués dans ce système, la conception du système peut être mise à l’échelle pour les dépôts de plus grandes zones, permettant un lien entre l’expérimentation à l’échelle de la recherche et la mise en œuvre à l’échelle du module.

Ce protocole présente les méthodes de fabrication utilisées pour fabriquer des appareils photovoltaïques à couches minces De 0,5 m. À titre de comparaison, un ensemble d’appareils CdTe de 1,5 m sont fabriqués. Les structures d’absorbeur simple et bilayer ont des conditions de dépôt nominalement identiques dans toutes les étapes du processus, à l’exclusion du dépôt de CdSeTe. Pour caractériser si les absorbeurs CdSeTe/CdTe minces conservent les mêmes avantages démontrés par leurs homologues plus épais, la densité-tension actuelle (J-V), l’efficacité quantique (QE) et les mesures PL sont effectuées sur les dispositifs minces absorbeurs simples et bilayer. Une augmentation de la densité de courant court-circuit (JSC) mesurée par J-V et QE, en plus d’une augmentation du signal PL pour le CdSeTe/CdTe vs. Appareil CdTe, indiquez que les appareils CdSeTe/CdTe minces fabriqués par CSS montrent une amélioration notable de la collecte actuelle, de la qualité des matériaux et de l’efficacité de l’appareil.

Bien que ce travail se concentre sur les avantages associés à l’incorporation d’un alliage CdSeTe dans une structure d’appareil PV CdTe, le processus de fabrication complet pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe est décrit par la suite dans son intégralité. La figure 1A,B montre les structures d’appareils terminées pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe respectivement, composées d’un substrat en verre transparent recouvert d’oxyde (TCO), d’oxyde de zinc de magnésium de type n (MgZnO), d’un cdTe de type p ou d’un absorbeur CdSeTe/CdTe avec traitement de traitement et de dopage au cuivre CdCl2, d’une mince couche de te et d’un contact de nickel. À l’exclusion du dépôt d’absorbeur CSS, les conditions de fabrication sont identiques entre la structure simple et la structure bilayer. Ainsi, sauf indication contraire, chaque étape est effectuée sur les structures CdTe et CdSeTe/CdTe.

Protocol

AVERTISSEMENT : Les gants doivent être portés lors de la manipulation des substrats pour prévenir la contamination du film et le contact entre le matériel et la peau. Ce processus de fabrication nécessite la manipulation de structures contenant des composés de cadmium; par conséquent, une blouse de laboratoire et des gants doivent être portés en laboratoire en tout temps. 1. Nettoyage de substrat Placer les substrats en verre enduits de TCO (9,1 cm x 7,8 cm) dans une grille …

Representative Results

L’ajout de CdSeTe à un mince absorbeur CdTe améliore l’efficacité de l’appareil grâce à une qualité supérieure de matériel absorbeur et une densité de courant de court-circuit plus élevée (JSC). La figure 3A et la figure 3B( adaptées de Bothwell et coll.8) montrent respectivement PL et TRPL pour les dispositifs d’absorbeur cdTe unique et d’absorbeur de bilayer CdSeTe/CdTe. Les mesures PL et TRPL montrent c…

Discussion

Les appareils photovoltaïques bilayer minces CdSeTe/CdTe démontrent une amélioration de l’efficacité par rapport à leurs homologues CdTe en raison d’une meilleure qualité des matériaux et d’une meilleure collecte actuelle. Ces gains d’efficacité ont été démontrés chez les absorbeurs de bilayer de plus de 3 m5,7, et maintenant avec des conditions de fabrication optimisées, il a été démontré que l’efficacité accrue est également réalis…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs tient à remercier le professeur W.S. Sampath pour l’utilisation de ses systèmes de dépôt, Kevan Cameron pour le soutien du système, le Dr Amit Munshi pour son travail avec des cellules bilayer plus épaisses et des séquences supplémentaires du système automatisé en ligne de dépôt sous vide CSS, et le Dr. Darius Kuciauskas pour l’aide avec des mesures TRPL. Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par l’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) du Département de l’énergie des États-Unis dans le cadre de l’accord DE-EE0007543 du Solar Energy Technologies Office (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

Referências

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Bothwell, A. M., Drayton, J. A., Jundt, P. M., Sites, J. R. Close-Space Sublimation-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar Cells for Enhanced Short-Circuit Current Density and Photoluminescence. J. Vis. Exp. (157), e60937, doi:10.3791/60937 (2020).

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