Nära rymden Sublimation-Deponerade ultratunna CdSeTe/CdTe solceller för förbättrad kortslutning strömtäthet och fotoluminescens
Summary
Detta arbete beskriver hela tillverkningsprocessen av tunna absorbatorkkadmiumseleniumtellurid/kadmiumtelluridsolcellsapparater för ökad effektivitet. Processen använder ett automatiserat in-line vakuumsystem för närrymd sublimering nedfall som är skalbar, från tillverkning av små område forskningsenheter samt storskaliga moduler.
Abstract
Utvecklingen av solceller utrustning arkitekturer är nödvändiga för att göra solenergi en kostnadseffektiv och tillförlitlig källa till förnybar energi mitt växande globala energikrav och klimatförändringar. Tunnfilms CdTe-tekniken har visat kostnadskonkurrenskraft och ökad effektivitet delvis på grund av snabba tillverkningstider, minimal materialanvändning och införande av en CdSeTe-legering i ett ~3 μm absorbatorskikt. Detta arbete presenterar närrymd sublimering tillverkning av tunna, 1,5 μm CdSeTe / CdTe bilayer enheter med hjälp av en automatiserad in-line vakuum nedfall system. Den tunna bilayer struktur och tillverkning teknik minimera nedfall tid, öka enhetens effektivitet, och underlätta framtida tunn absorbator-baserade enhet arkitektur utveckling. Tre tillverkningsparametrar verkar vara de mest slagkraftiga för att optimera tunna CdSeTe/CdTe absorbatorenheter: substratförvärmningstemperatur, CdSeTe:CdTe-tjockleksförhållande och CdCl 2-passivation. För korrekt sublimering av CdSeTe måste substrattemperaturen före nedfallet vara ~540 °C (högre än för CdTe) som styrs av uppehållstid i en förvärmningskälla. Variation i cdsete: CdTe tjocklek förhållandet avslöjar ett starkt beroende av enhetens prestanda på detta förhållande. De optimala absorbatortjocklekarna är 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, och icke-optimerade tjockleksförhållanden minskar effektiviteten genom ryggbarriäreffekter. Tunna absorbatorer är känsliga för CdCl2 passivation variation; en mycket mindre aggressiv CdCl2-behandling (jämfört med tjockare absorbatorer) avseende både temperatur och tid ger optimal enhetsprestanda. Med optimerade tillverkningsförhållanden ökar CdSeTe/CdTe enhetens kortslutningsströmstäthet och fotoluminescensintensitet jämfört med enabsorbercdte. Dessutom erbjuder ett in-line dammsublimeringvakuumdeposition system material och tidsminskning, skalbarhet och uppnåelighet av framtida ultratunna absorbatorarkitekturer.
Introduction
Den globala efterfrågan på energi accelererar snabbt och 2018 visade den snabbaste( 2,3%) tillväxttakten under det senaste årtiondet1. I kombination med ökad medvetenhet om effekterna av klimatförändringarna och förbränningen av fossila bränslen har behovet av kostnadskonkurrens, ren och förnybar energi blivit mycket tydligt. Av de många förnybara energikällor, solenergi är särskiljande för sin totala potential, eftersom mängden solenergi som når jorden vida överstiger den globala energiförbrukningen2.
Solceller (PV) enheter direkt omvandla solenergi till elkraft och är mångsidiga i skalbarhet (t.ex. personligt bruk mini-moduler och grid-integrerade solpaneler) och materialteknik. Teknik som multi- och single-junction, single-crystal gallium arsenide (GaAs) solceller har effektivitetsvinster nå 39,2% och 35,5%, respektive3. Tillverkning av dessa högeffektiva solceller är dock kostsamoch tidskrävande. Polykristallin kadmium telluride (CdTe) som material för tunnfilms-tv är fördelaktigt för sin låga kostnad, höggenomströmningtillverkning, olika depositiontekniker och gynnsam absorptionskoefficient. Dessa attribut gör CdTe gynnsam för storskalig tillverkning, och förbättringar i effektivitet har gjort CdTe kostnads-konkurrenskraftiga med PV-marknaden dominerande kisel och fossila bränslen4.
En nyligen framsteg som har drivit ökningen av CdTe enheteneffektivitet är införlivandet av kadmium selen telluride (CdSeTe) legering material i absorbatorskiktet. Integrering av den lägre ~1,4 eV band gap CdSeTe material i en 1,5 eV CdTe absorbator minskar främre bandet gapet på bilayer absorbator. Detta ökar fotonfraktionen ovanför bandgapet och förbättrar därmed den aktuella samlingen. Framgångsrik inkorporering av CdSeTe i absorbatorer som är 3 μm eller tjockare för ökad strömtäthet har visats med olika tillverkningstekniker (dvs. närrymd sublimering, förånga transport nedfall och galvanisering)5,6,7. Ökad rumtemperatur fotoluminiscens emissionsspektroskopi (PL), tidslöst fotoluminescens (TRPL) och elektroluminiscenssignaler från bilayerabsorbatorenheter5,8 indikerar att cdsete förutom ökad strömsamling verkar ha bättre radiativ effektivitet och minoritetsbärares livslängd, och en CdSeTe/CdTe-enhet har en större spänning i förhållande till idealet än endast med CdTe. Detta har till stor del tillskrivits selen passivation av bulk defekter9.
Lite forskning har rapporterats om införlivandet av CdSeTe till tunnare (≤1,5 μm) CdTe absorbatorer. Vi har därför undersökt egenskaperna hos tunna 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe-bilayer-absorbatorenheter tillverkade av sublimering i närrymden (CSS) för att avgöra om fördelarna med tjocka bilayerabsorbenter också kan uppnås med tunna bilayerabsorbatorer. Sådana CdSeTe/CdTe absorbatorer, mer än dubbelt så tunna som deras tjockare motsvarigheter, erbjuder en märkbar minskning av nedfalltid och material och lägre tillverkningskostnader. Slutligen har de potential för framtida utveckling av enhetsarkitektur som kräver absorbatortjocklekar på mindre än 2 μm.
CSS nedfall av absorbatorer i ett enda automatiserat in-line vakuumsystem erbjuder många fördelar jämfört med andra tillverkningsmetoder10,11. Snabbare nedfall med CSS-tillverkning ökar enhetsdataflödet och främjar större experimentella datauppsättningar. Dessutom begränsar den gemensamma vakuummiljön i CSS-systemet i detta arbete potentiella utmaningar med absorbatorgränssnitt. TunnfilmsPV-enheter har många gränssnitt, som var och en kan fungera som en rekombinationcentrum för elektroner och hål, vilket minskar den totala enhetens effektivitet. Användningen av ett enda vakuumsystem för CdSeTe, CdTe och kadmiumklorid (CdCl2)nedfall (nödvändigt för god absorbatorkvalitet12,13,14,15,16) kan ge ett bättre gränssnitt och minska interfacial defekter.
Den in-line automatiserade vakuumsystem som utvecklats vid Colorado State University10 är också fördelaktigt i sin skalbarhet och repeterbarhet. Nedfallparametrar är till exempel användarinställda och nedfallsprocessen är automatiserad så att användaren inte behöver göra justeringar under absorbertillverkningen. Även om små forskningsenheter för området tillverkas i detta system kan systemdesignen skalas upp för större områdesnedfall, vilket möjliggör en koppling mellan experiment i forskningsskala och implementering i modulskala.
Detta protokoll presenterar de tillverkningsmetoder som används för att tillverka 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe tunnfilmsPV-enheter. Som jämförelse tillverkas en uppsättning 1,5 μm CdTe-enheter. En- och bilayer absorbatorstrukturer har nominellt identiska nedfallsförhållanden i alla processsteg, med undantag för CdSeTe-nedfallet. För att karakterisera om tunna CdSeTe/CdTe absorbatorer behåller samma fördelar som deras tjockare motsvarigheter, strömdensitetsspänning (J-V), kvanteffektivitet (QE) och PL-mätningar utförs på de tunna absorberarenheterna för enkel- och bilayer. En ökning av kortslutningsströmtäthet (JSC)mätt med J-V och QE, förutom en ökning av PL-signalen för CdSeTe/CdTe vs. CdTe-enhet, ange att tunna CdSeTe/CdTe-enheter tillverkade av CSS visar anmärkningsvärd förbättring av aktuell insamling, materialkvalitet och enhetseffektivitet.
Även om detta arbete fokuserar på fördelarna med införlivandet av en CdSeTe-legering i en CdTe PV-enhetsstruktur, beskrivs den fullständiga tillverkningsprocessen för CdTe- och CdSeTe/CdTe-enheter därefter i sin helhet. Figur 1A,B visar färdiga enhetsstrukturer för CdTe- respektive CdSeTe/CdTe-enheter, bestående av ett genomskinligt ledande oxidsubstrat (TCO)-bestruket glas, magnesiumzinkoxid av typen n,czno), p-typ CdTe eller CdSeTe/CdTe absorbator med CdCl2-behandling och koppardopningsbehandling, tunt Te-skikt och nickelryggkontakt. Exklusive CSS absorbatornedfall är tillverkningsförhållandena identiska mellan enkel- och bilayerstrukturen. Om inget annat anges utförs därför varje steg på både CdTe- och CdSeTe/CdTe-strukturer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tunna bilayer CdSeTe/ CdTe solceller enheter visar förbättringar i effektivitet jämfört med sina CdTe motsvarigheter på grund av bättre materialkvalitet och ökad strömsamling. Sådana förbättrade effektivitetsvinster har visats hos bilayerabsorbenter som är större än 3 μm5,7, och nu med optimerade tillverkningsförhållanden har det visat sig att ökad effektivitet också kan uppnås för tunnare, 1,5 μm bilayerabsorbatorer.
<p class="jove_cont…Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka professor WS Sampath för användning av hans nedfall system, Kevan Cameron för systemstöd, Dr Amit Munshi för sitt arbete med tjockare bilayer celler och kompletterande bilder av in-line automatiserade CSS vakuum deposition system, och Dr. Darius Kuciauskas för hjälp med TRPL mätningar. Detta material bygger på arbete som stöds av US Department of Energy’s Office of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) under Solar Energy Technologies Office (SETO) Avtal nummer 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).
