Nær-space sublimasjon-deponert ultra-tynne CdSeTe / CdTe solceller for forbedret kortslutning strøm tetthet og photoluminescence
Summary
Dette arbeidet beskriver den komplette fabrikasjonsprosessen av tynne absorber kadmium selen telluride / kadmium telluride fotovoltaiske enheter for økt effektivitet. Prosessen benytter et automatisert in-line vakuumsystem for nær-plass sublimeringsavsetning som er skalerbar, fra fabrikasjon av små områdeforskningsenheter samt store moduler.
Abstract
Utviklingen i fotovoltaiske enhetsarkitekturer er nødvendig for å gjøre solenergi til en kostnadseffektiv og pålitelig kilde til fornybar energi blant økende globale energibehov og klimaendringer. Tynn film CdTe teknologi har vist kostnads-konkurranseevne og økende effektivitet på grunn delvis til rask fabrikasjon ganger, minimal materialbruk, og innføring av en CdSeTe legering i en ~ 3 μm absorber lag. Dette arbeidet presenterer nær-plass sublimeringsfabrikasjon av tynne, 1,5 μm CdSeTe / CdTe bilayer enheter ved hjelp av et automatisert in-line vakuum deponering system. Den tynne bilayerstrukturen og fabrikasjonsteknikken minimerer avsetningstid, øker enhetens effektivitet og letter fremtidig utvikling av tynnabsorberbasert enhetsarkitektur. Tre fabrikasjonsparametere synes å være den mest virkningsfulle for å optimalisere tynne CdSeTe/CdTe-absorberenheter: substratforvarmetemperatur, CdSeTe:CdTe tykkelsesforhold og CdCl 2-passivisering. For riktig sublimering av CdSeTe må underlaget ser ut til å være ~540 °C (høyere enn for CdTe) som kontrollert av oppholdstid i en forvarmningskilde. Variasjon i CdSeTe:CdTe tykkelseforholdet avslører en sterk avhengighet av enhetsytelse på dette forholdet. De optimale absorbatortykkelsene er 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, og ikke-optimaliserte tykkelsesforhold reduserer effektiviteten gjennom ryggbarriereeffekter. Tynne absorbatorer er følsomme for CdCl2 passiviseringsvariasjon; en mye mindre aggressiv CdCl2-behandling (sammenlignet med tykkere absorbatorer) angående både temperatur og tid gir optimal enhetsytelse. Med optimaliserte fabrikasjonsforhold øker CdSeTe/CdTe enhetens kortslutningsstrømtetthet og fotoluminescensintensitet sammenlignet med cdte med én absorber. I tillegg tilbyr et innebygd nærromslimasjonsvakuumdeponeringssystem material- og tidsreduksjon, skalerbarhet og oppnåelse av fremtidige ultratynne absorberarkitekturer.
Introduction
Den globale energietterspørselen akselererer raskt, og året 2018 viste den raskeste( 2,3%) vekstrate i det siste tiåret1. Kombinert med økende bevissthet om virkningene av klimaendringer og brenning av fossilt brensel, har behovet for kostnadseffektiv, ren og fornybar energi blitt rikelig klart. Av de mange fornybare energikildene er solenergi særegen for sitt totale potensial, da mengden solenergi som når jorden langt overstiger det globale energiforbruket2.
Photovoltaic (PV) enheter konverterer direkte solenergi til elektrisk kraft og er allsidige i skalerbarhet (f.eks personlig bruk minimoduler og rutenettintegrerte solcellearrayer) og materialteknologier. Teknologier som multi- og single-junction, single-crystal gallium arsenid (GaAs) solceller har effektivitet nå 39,2% og 35,5%, henholdsvis3. Fabrikasjon av disse høye effektive solcellene er imidlertid kostbart og tidkrevende. Polykrystallinsk kadmium telluride (CdTe) som et materiale for tynn film PVs er en fordel for sin lave pris, høy gjennomstrømning fabrikasjon, ulike avsetningsteknikker og gunstig absorpsjon skoeffisient. Disse attributtene gjør CdTe propitious for storskala produksjon, og forbedringer i effektivitet har gjort CdTe kostnadseffektivt med PV-markedet-dominerende silisium og fossilt brensel4.
En nylig fremgang som har drevet økningen i CdTe-enhetseffektivitet er inkorporering av kadmium selen telluride (CdSeTe) legering materiale i absorber laget. Integrering av det nedre ~ 1,4 eV-båndgapet CdSeTe-materialet i en 1,5 eV CdTe-absorber reduserer hull i fremre bånd til bilayerabsorberen. Dette øker fotonfraksjonen over båndgapet og forbedrer dermed dagens samling. Vellykket inkorporering av CdSeTe i absorbatorer som er 3 μm eller tykkere for økt strømtetthet har blitt demonstrert med ulike fabrikasjonsteknikker (dvs. nær-plass sublimering, damptransportdeponering og galvanisering)5,6,7. Økt fotoluminescensutslippsspektroskopi (PL), tidsløst fotoluminescens (TRPL) og elektroluminescenssignaler fra bilayer absorberenheter5,8 indikerer at i tillegg til økt strømsamling, ser CdSeTe ut til å ha bedre radiativ effektivitet og minoritetsbærerlevetid, og en CdSeTe/CdTe-enhet har en større spenning i forhold til idealet enn med CdTe bare. Dette har i stor grad blitt tilskrevet selen passivisering av bulk defekter9.
Det er rapportert lite forskning om inkorporering av CdSeTe i tynnere (≤1,5 μm) CdTe-absorbater. Vi har derfor undersøkt egenskapene til tynne 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe bilayer-absorber enheter fabrikkert av nær-plass sublimering (CSS) for å avgjøre om fordelene sett i tykke bilayer absorbers er også oppnåelig med tynne bilayer absorbers. Slike CdSeTe /CdTe-absorbatmidler, mer enn dobbelt så tynne som sine tykkere kolleger, tilbyr en merkbar reduksjon i avsetningstid og materiale og lavere produksjonskostnader. Til slutt har de potensial for fremtidige enhetsarkitekturutviklinger som krever absorbertykkelser på mindre enn 2 μm.
CSS-deponering av absorbatorer i et enkelt automatisert in-line vakuumsystem gir mange fordeler fremfor andre fabrikasjonsmetoder10,11. Raskere avsetningsrater med CSS-fabrikasjon øker enhetens gjennomstrømming og fremmer større eksperimentelle datasett. I tillegg begrenser det eneste vakuummiljøet til CSS-systemet i dette arbeidet potensielle utfordringer med absorbergrensesnitt. Tynnfilm PV-enheter har mange grensesnitt, som hver kan fungere som et rekombinasjonssenter for elektroner og hull, og dermed redusere den generelle enhetseffektiviteten. Bruken av et enkelt vakuumsystem for CdSeTe, CdTe og kadmiumklorid (CdCl2) avsetninger (nødvendig for god absorberkvalitet12,13,14,15,16) kan produsere et bedre grensesnitt og redusere interfaciale defekter.
Det in-line automatiserte vakuumsystemet utviklet ved Colorado State University10 er også en fordel i skalerbarheten og repeterbarheten. For eksempel er deponeringsparametere brukersett, og avsetningsprosessen er automatisert slik at brukeren ikke trenger å gjøre justeringer under absorberfabrikasjon. Selv om små områdeforskningsenheter er fabrikkert i dette systemet, kan systemutformingen skaleres opp for større områdeavsetninger, noe som muliggjør en kobling mellom eksperimentering i forskningsskala og implementering av modulskala.
Denne protokollen presenterer fabrikasjonsmetodene som brukes til å produsere 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe tynnfilm PV-enheter. Til sammenligning er et sett med 1,5 μm CdTe-enheter fabrikkert. Enkelt- og bilayer absorberstrukturer har nominelt identiske avsetningsforhold i alle prosesstrinn, unntatt CdSeTe-avsetningen. For å karakterisere om tynne CdSeTe/CdTe-absorbatmidler beholder de samme fordelene som de ssuten er de ssuten en av de tynne motstykkene, dagens tetthetsspenning (J-V), kvanteeffektivitet (QE) og PL-målinger som utføres på de tynne enkelt- og bilayer-absorberenhetene. En økning i kortslutningsstrømtetthet (JSC)målt ved J-V og QE, i tillegg til en økning i PL-signalet for CdSeTe/CdTe vs. CdTe-enhet, indikerer at tynne CdSeTe/CdTe-enheter fabrikkert av CSS viser merkbar forbedring i gjeldende innsamling, materialkvalitet og enhetseffektivitet.
Selv om dette arbeidet fokuserer på fordelene forbundet med inkorporering av en CdSeTe legering i en CdTe PV-enhetsstruktur, beskrives hele fabrikasjonsprosessen for CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheter senere i sin helhet. Figur 1A,B viser fullførte enhetsstrukturer for henholdsvis CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheter, bestående av et gjennomsiktig ledende oksid (TCO)-belagt glasssubstrat, n-type magnesiumsinkoksid (MgZnO) emitterlag, p-type CdTe eller CdSeTe/CdTe absorber med CdCl2-behandling og kobberdopingbehandling, tynt Te-lag og nikkeltilbakekontakt. Med unntak av CSS-absorberdeponeringen er fabrikasjonsforholdene identiske mellom enkelt- og bilayerstrukturen. Dermed, med mindre annet er angitt, utføres hvert trinn på både CdTe og CdSeTe / CdTe strukturer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tynne bilayer CdSeTe / CdTe photovoltaic enheter demonstrere forbedringer i effektivitet sammenlignet med sine CdTe kolleger på grunn av bedre materialkvalitet og økt nåværende samling. Slike forbedrede effektiviteter har blitt vist hos bilayer absorbers større enn 3 μm5,7, og nå med optimalisert fabrikasjon forhold, det har blitt vist at økt effektivitet er også oppnåelig for tynnere, 1,5-μm bilayer absorbers.
Optimaliserin…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gjerne takke professor W.S. Sampath for bruk av hans avsetningssystemer, Kevan Cameron for systemstøtte, Dr. Amit Munshi for sitt arbeid med tykkere bilayer celler og supplerende opptak av in-line automatisert CSS vakuum deponering system, og Dr. Darius Kuciauskas for å få hjelp med TRPL-målinger. Dette materialet er basert på arbeid støttet av det amerikanske energidepartementets kontor for energieffektivitet og fornybar energi (EERE) under Solar Energy Technologies Office (SETO) avtalenummer 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).
