近空间升升-沉积超薄CDSeTe/CdTe太阳能电池，增强短路电流密度和光致发光
Summary
本工作描述了薄吸收镉硒电精/镉分电光伏器件的制造过程，以提高效率。该工艺利用自动在线真空系统进行可扩展的近距离升华沉积，包括制造小面积研究设备以及大型模块。
Abstract
在全球能源需求不断增长和气候变化的情况下，发展光伏设备结构，使太阳能成为经济高效可靠的可再生能源。薄膜 CdTe 技术已证明具有成本竞争力和提高效率，部分原因是制造时间快、材料使用最少以及将 CdSeTe 合金引入 ±3 μm 吸收器层。本作品介绍了使用自动在线真空沉积系统进行薄、1.5 μm CdSeTe/CdTe 双层器件的近距离空间升华制造。薄双层结构和制造技术最大限度地减少了沉积时间，提高了器件效率，方便了未来基于薄吸收器的设备架构开发。三个制造参数似乎是对优化薄 CdSeTe/CdTe 吸收器器件影响最大的：基板预热温度、CdSeTe：CdTe 厚度比和 CdCl2钝化。为了适当升华 CdSeTe，沉积前的基板温度必须为 ±540°C（高于 CdTe 温度），由预热源中的驻留在时间控制。CdSeTe：CdTe 厚度比的变化表明设备性能对该比率的强烈依赖。最佳吸收器厚度为0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe，非优化的厚度比通过后阻效应降低效率。薄吸收剂对 CdCl2钝化变化敏感;在温度和时间方面，CdCl2处理（与较厚的吸收器相比）的腐蚀性要小得多，因此器件性能最佳。与单吸收器 CdTe 相比，CdSeTe/CdTe 具有优化的制造条件，可提高器件短路电流密度和光致发光强度。此外，在线近空间升华真空沉积系统为未来超薄吸收器架构提供材料和时间缩短、可扩展性和可达到性。
Introduction
全球能源需求正在迅速加速，2018年表现最快（2.3%）过去十年的增长率1.随着人们对气候变化的影响和化石燃料燃烧的认识日益提高，对成本竞争力、清洁和可再生能源的需求也变得十分明显。在许多可再生能源中，太阳能具有独特的潜力，因为到达地球的太阳能量远远超过全球能源消耗2。
光伏 （PV） 器件直接将太阳能转换为电力，在可扩展性（例如，个人使用微型模块和电网集成的太阳能电池阵列）和材料技术方面用途广泛。多结和单结、单晶砷化（GaAs）太阳能电池等技术的效率分别达到39.2%和35.5%，分别为3.然而，这些高效太阳能电池的制造既昂贵又耗时。聚晶镉（CdTe）作为薄膜电动汽车的材料，有利于其低成本、高通量制造、各种沉积技术和有利的吸收系数。这些属性使 CdTe 有利于大规模制造，而效率的提高使得 CdTe 的成本与光伏市场占主导地位的硅和化石燃料4具有竞争力。
促使 CdTe 器件效率提高的最近一项进步是将镉硒分泌 （CdSeTe） 合金材料纳入吸收器层。将较低的 ±1.4 eV 波段间隙 CdSeTe 材料集成到 1.5 eV CdTe 吸收器中可减小双层吸收器的前带间隙。这将增加带隙上方的光子分数，从而改进电流收集。各种制造技术（即近空间升华、蒸汽输送沉积和电镀）5、6、7，成功地将CdSeTe放入3μm或更厚的吸收器中，以增加电流密度。室温光致发光发射光谱（PL）、时间解析光致发光（TRPL）和来自双层吸收器器件5、8的电致发光信号表明，除了增加电流收集外，CdSeTe似乎具有更好的辐射效率和少数载波寿命，CdSeTe/CdTe器件的电压比仅CdTe时具有较大电压。这主要归因于散装缺陷的硒钝化9。
关于将CdSeTe纳入更薄（±1.5 μm）CdTe吸收剂的研究很少。因此，我们研究了由近空间升升 （CSS） 制造的薄 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CDTe 双层吸收器器件的特性，以确定在薄双层吸收器中所看到的好处是否也可实现。这种 CdSeTe/CdTe 吸收器的厚度是较厚的的介质的两倍多，可显著缩短沉积时间和材料，降低制造成本。最后，它们为未来需要小于 2 μm 的吸收器厚度的设备架构开发具有潜力。
CSS吸收器在单个自动在线真空系统中沉积，与其他制造方法10，11具有许多优点。通过 CSS 制造加快沉积速率可提高设备吞吐量，并促进更大的实验数据集。此外，此工作中的 CSS 系统的单真空环境限制了吸收器接口的潜在挑战。薄膜光伏器件具有许多接口，每个接口都可以作为电子和孔的重组中心，从而降低整体器件效率。使用单一真空系统进行CdSeTe、CdTe和氯化镉（CdCl2）沉积（良好的吸收器质量12、13、14、15、16）可以产生更好的界面，减少界面缺陷。
科罗拉多州立大学10开发的内联自动真空系统在可扩展性和可重复性方面也具有优势。例如，沉积参数是用户设置的，沉积过程是自动化的，因此用户无需在吸收器制造过程中进行调整。尽管该系统中制造了小面积研究设备，但系统设计可以放大，以扩大面积沉积，从而在研究规模实验和模块规模实现之间建立联系。
该协议介绍了用于制造 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe 薄膜光伏器件的制造方法。为了进行比较，一组1.5μm CdTe器件被制造出来。单层和双层吸收器结构在所有工艺步骤中具有名义上相同的沉积条件，不包括 CdSeTe 沉积。要描述薄 CdSeTe/CdTe 吸收器是否保留其较厚的吸收器所显示的相同优势，在薄型单层和双层吸收器设备上执行电流密度电压 （J-V）、量子效率 （QE） 和 PL 测量。J-V 和 QE 测量的短路电流密度 （JSC）增加，此外 CdSeTe/CdTe与的 PL 信号增加。CdTe 设备表明，CSS 制造的薄 CdSeTe/CdTe 器件在当前收集、材料质量和设备效率方面有了显著改善。
尽管这项工作侧重于将 CdSeTe 合金集成到 CdTe PV 设备结构中所带来的优势，但随后将全面介绍 CdTe 和 CdSeTe/CdTe 器件的完整制造过程。图1A、B分别显示了CdTe和CdSeTe/CdTe器件的已完成设备结构，包括透明导电氧化物（TCO）涂层玻璃基板、n型氧化镁（MgZnO）发射层、p型CdTe或CDSeTe/CdTe吸收器，采用CdCl2处理和铜掺紧处理、薄Te层和镍背接触。除去CSS吸收器沉积，单层和双层结构之间的制造条件相同。因此，除非另有说明，否则每个步骤都执行 CdTe 和 CdSeTe/CdTe 结构。
Protocol
Representative Results
Discussion
薄双层 CdSeTe/CdTe 光伏器件与 CdTe 同类设备相比，具有更高的效率，因为材料质量更好，电流收集增加。这种更高的效率已被证明在超过3 μm5，7的双层吸收剂中，现在经过优化的制造条件，它已经证明，对于更薄的1.5μm双层吸收剂，效率也更高。
薄双层吸收剂的制造工艺优化主要有三种改进：基板预热温度、CdSeTe：CdTe厚度比和CdCl<s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者感谢W.S.Sampath教授使用他的沉积系统，凯万·卡梅隆博士的系统支持，阿米特·蒙希博士的工作与较厚的双层细胞和补充镜头的内联自动CSS真空沉积系统，博士。达里乌斯·库恰斯卡斯协助TRPL测量。本材料基于美国能源部能源效率和可再生能源办公室 （EERE） 在太阳能技术办公室 （SETO） 协议号 DE-EE0007543 下支持的工作。
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).
