단락 전류 밀도 및 광발광을 강화하기 위한 근접 공간 승화-증착 초박형 CdSeTe/CdTe 태양전지
Summary
이 작품은 향상된 효율성을 위해 얇은 흡수 기 카드뮴 셀레늄 텔루라이드 / 카드뮴 텔루 라이드 광전지 장치의 전체 제조 공정을 설명합니다. 이 공정은 소규모 지역 연구 장치 및 대규모 모듈의 제작에서 부터 확장 가능한 근접 공간 승화 증착을 위해 자동화된 인라인 진공 시스템을 활용합니다.
Abstract
태양광 장치 아키텍처의 개발은 증가하는 글로벌 에너지 수요와 기후 변화 속에서 태양 에너지를 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 재생 에너지원으로 만들기 위해 필요합니다. 박막 CdTe 기술은 빠른 제조 시간, 최소한의 재료 사용 및 ~ 3 μm 흡수층으로 CdSeTe 합금의 도입으로 인해 비용 경쟁력과 효율성 증가를 입증했습니다. 이 작품은 자동화된 인라인 진공 증착 시스템을 사용하여 얇은 1.5μm CdSeTe/CdTe 이중층 장치의 근접 공간 승화 제작을 제시합니다. 얇은 이중층 구조 및 제조 기술은 증착 시간을 최소화하고 장치 효율성을 높이며 미래의 얇은 흡수제 기반 장치 아키텍처 개발을 용이하게 합니다. 기판 예열 온도, CdSeTe:CdTe 두께 비율 및 CdCl2 패시베이션의 세 가지 제조 파라미터는 얇은 CdSeTe/CdTe 흡수 장치를 최적화하는 데 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보입니다. CdSeTe의 적절한 승화를 위해, 증착 전기 온도는 예열원에서의 거주 시간에 의해 제어되는 것과 같이 ~540°C(CdTe의 경우보다 높음)여야 합니다. CdSeTe:CdTe 두께 비율의 변화는 이 비율에 대한 장치 성능에 대한 강한 의존성을 보여줍니다. 최적의 흡수기 두께는 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe이며, 최적화되지 않은 두께 비는 백 배리어 효과를 통해 효율성을 감소시입니다. 얇은 흡수제는 CdCl2 패시베이션 변이에 민감합니다. 온도와 시간 모두에 관한 훨씬 덜 공격적인 CdCl2 처리 (두꺼운 흡수제에 비해)는 최적의 장치 성능을 산출합니다. 최적화된 제조 조건으로 CdSeTe/CdTe는 단일 흡수제 CdTe에 비해 장치 단락 전류 밀도 및 광발광 강도를 증가시킵니다. 또한 인라인 밀착 공간 승화 진공 증착 시스템은 향후 초박형 흡수기 아키텍처의 재료 및 시간 감소, 확장성 및 달성성을 제공합니다.
Introduction
글로벌 에너지 수요가 빠르게 가속화되고 있으며, 2018년 은 가장 빠른 속도(2.3%)를 보였습니다. 지난 10년간의 성장률1. 기후 변화의 영향과 화석 연료 의 연소에 대한 인식이 증가함에 따라 비용 경쟁력, 청정 및 재생 에너지에 대한 필요성이 매우 분명해지고 있습니다. 많은 재생 가능 에너지원 중, 지구에 도달하는 태양 에너지의 양이 전 세계 에너지 소비량을 훨씬 초과하기 때문에 태양 에너지는 총 잠재력에 대해 독특합니다2.
태양광(PV) 장치는 태양 에너지를 전력으로 직접 변환하며 확장성(예: 개인 용 미니 모듈 및 그리드 통합 태양광 어레이) 및 재료 기술에서 다재다능합니다. 다중 접합 및 단일 접합, 단결정 갈륨 비소 (GaA) 태양 전지와 같은 기술은 효율이 각각 39.2 %와 35.5 %에도달합니다 3. 그러나 이러한 고효율 태양전지의 제조는 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 박막 PV용 재료로서 다결정 카드뮴 텔루라이드(CdTe)는 저렴한 비용, 높은 처리량의 제조, 다양한 증착 기술 및 유리한 흡수 계수에 유리합니다. 이러한 특성으로 인해 CdTe는 대규모 제조에 적합하며 효율성 이 개선되어 PV 시장을 지배하는 실리콘 및 화석연료 4로 CdTe의 비용 경쟁력이 향상되었습니다.
CdTe 장치 효율의 증가를 주도한 최근의 발전 중 하나는 흡수기 층에 카드뮴 셀레늄 텔루라이드 (CdSeTe) 합금 재료를 통합하는 것입니다. 하부 ~1.4 eV 대역 갭 CdSeTe 물질을 1.5 eV CdTe 흡수기로 통합하면 이중층 흡수제의 전면 밴드 갭이 감소합니다. 이렇게 하면 밴드 간격 위의 광자 분율이 증가하여 현재 수집이 향상됩니다. CdSeTe를 3 μm 또는 더 두꺼운 흡수제에 성공적으로 통합하여 전류 밀도를 높이기 위해 다양한 제조 기술(즉, 근접 공간 승화, 증기 수송 증착 및 전기도금)5,6,7을입증하였다. 증가 된 실온 광 발광 방출 분광법 (PL), 시간 해결 광 발광 (TRPL), 및 이중 층 흡수 장치5,8은 증가 된 전류 수집 외에도 CdSeTe가 더 나은 복사 효율과 소수 캐리어 수명을 가진 것으로 보이며 CdSeTe / CdTe 장치는 CdTe보다 더 큰 전압을 가지고 있음을 나타냅니다. 이것은 주로 대량결함의셀레늄 통과에 기인하고있다 9 .
CdSeTe를 더 얇은(≤1.5 μm) CdTe 흡수제에 혼입시킨 연구는 거의 보고되지 않았습니다. 따라서 우리는 얇은 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe 바이레이어 흡수 장치의 특성을 조사하여 밀착 공간 승화(CSS)에 의해 제조된 이중층 흡수장치로 두꺼운 이중층 흡수제에서 볼 수 있는 이점이 얇은 이중층 흡수장치로도 달성가능한지 여부를 결정했습니다. 이러한 CdSeTe/CdTe 흡수기는 두꺼운 흡수기보다 두 배 이상 얇아지며 증착 시간과 재료가 눈에 띄는 감소와 제조 비용을 낮춥습니다. 마지막으로, 2 μm 미만의 흡수 두께가 필요한 향후 장치 아키텍처 개발에 대한 잠재력을 보유하고 있습니다.
단일 자동 인라인 진공 시스템에서 흡수제의 CSS 증착은 다른 제조 방법10,11에비해 많은 이점을 제공한다. CSS 제작을 통한 더 빠른 증착 속도는 장치 처리량을 향상시키고 더 큰 실험 데이터 세트를 촉진합니다. 또한 이 작업에서 CSS 시스템의 단일 진공 환경은 흡수기 인터페이스로 잠재적인 문제를 제한합니다. 박막 PV 장치에는 많은 인터페이스가 있으며, 각 인터페이스는 전자와 구멍을 위한 재결합 중심으로 작동하여 전체 장치 효율성을 감소시킵니다. CdSeTe, CdTe 및 염화물 카드뮴 (CdCl2)증착 (좋은 흡수 품질12,13,14,15,16)에대한 단일 진공 시스템의 사용은 더 나은 인터페이스를 생산하고 계면 결함을 줄일 수 있습니다.
콜로라도 주립 대학10에서 개발된 인라인 자동 진공 시스템은 확장성과 반복성에도 유리합니다. 예를 들어, 증착 파라미터는 사용자 세트이고, 증착 공정은 사용자가 흡수제 제조 중에 조정할 필요가 없다도록 자동화된다. 이 시스템에서는 소규모 영역 연구 장치가 제작되었지만 더 넓은 영역 기탁을 위해 시스템 설계를 확장할 수 있으므로 연구 규모 실험과 모듈 규모의 구현 간의 연결을 가능하게 합니다.
이 프로토콜은 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe 박막 PV 장치를 제조하는 데 사용되는 제조 방법을 제시합니다. 비교를 위해 1.5 μm CdTe 장치 세트가 제작됩니다. 단일 및 이중층 흡수기 구조는 CdSeTe 증착을 제외한 모든 공정 단계에서 명목상 동일한 증착 조건을 갖습니다. 얇은 CdSeTe/CdTe 흡수제가 두꺼운 대응물에서 입증된 것과 동일한 이점을 유지하는지 여부를 특성화하기 위해 전류 밀도 전압(J-V), 양자 효율(QE) 및 PL 측정은 얇은 단일 및 이중층 흡수 장치에서 수행됩니다. J-V 및 QE에 의해 측정된 단락 전류 밀도(JSC)의증가와 더불어 CdSeTe/CdTe대에 대한 PL 신호의 증가. CdTe 장치는 CSS에서 제작한 얇은 CdSeTe/CdTe 장치가 현재 컬렉션, 재료 품질 및 장치 효율성에서 주목할 만한 개선을 나타낸다는 것을 나타냅니다.
이 작업은 CdTe PV 장치 구조에 CdSeTe 합금의 통합과 관련된 이점에 초점을 맞추고 있지만, CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치에 대한 전체 제조 공정은 이후에 완전히 설명됩니다. 그림 1A, B는 투명 전도산화물(TCO) 코팅 유리 기판, n형 마그네슘 산화아연(MgZnO) 방출기 층, p형 CdTe 또는 CdSe/CdTe 흡수기와 CdCl2 처리 및 구리 도핑 처리, 얇은 테층, 니켈 접점으로 구성된 CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치에 대한 완성된 장치 구조를 각각 보여줍니다. CSS 흡수기 증착을 제외한 제조 조건은 단일 및 이중층 구조 간에 동일합니다. 따라서 달리 언급되지 않는 한 각 단계는 CdTe 및 CdSeTe/CdTe 구조 모두에서 수행됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
얇은 이중층 CdSeTe/CdTe 태양광 장치는 더 나은 재료 품질과 증가된 전류 수집으로 인해 CdTe 에 비해 효율성이 향상되었습니다. 이러한 향상된 효율성은 3 μm5,7보다큰 이중층 흡수제에서 입증되었으며, 이제 최적화된 제조 조건으로, 더 얇은 1.5μm 이중층 흡수제에 대해서도 증가된 효율이 달성된다는 것이 입증되었습니다.
얇은 이중?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 그의 증착 시스템의 사용에 대한 교수 W.S. Sampath, 시스템 지원을위한 케반 카메론, 두꺼운 이중 층 세포와 인라인 자동화 CSS 진공 증착 시스템의 보충 영상과 그의 작품에 대한 아미트 문시 박사, 박사에게 감사드립니다. TRPL 측정에 대한 지원을 위한 다리우스 쿠치아우스카스. 이 자료는 미국 에너지 기술 사무소(SETO) 계약 번호 DE-EE0007543에 따라 미국 에너지 에너지 효율 및 신재생 에너지 사무소(EERE)가 지원하는 작업을 기반으로 합니다.
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 |
Referencias
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