Células solares Ultra-Thin CdSeTe/CdTe depositadas en el espacio cercano para mejorar la densidad de corriente de cortocircuito y la fotoluminiscencia

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%, respectivamente^3. 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 fósiles^4.

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 bicapa^5,8 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 fabricación^10,11. 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 absorbedor^{12,13,14,15,16}) 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 (J_SC) 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.