Celle solari CdSeTe/CdTe ultrasottili a sublimazione a distanza ravvicinata per una maggiore densità e fotoluminescenza di corrente a corto circuito
Summary
Questo lavoro descrive il processo completo di fabbricazione dei dispositivi fotovoltaici di cassiedi di cadmio seleziono/cadmium sottili assorbenti per una maggiore efficienza. Il processo utilizza un sistema automatico di vuoto in linea per una deposizione di sublimazione dello spazio ravvicinato scalabile, dalla fabbricazione di dispositivi di ricerca su piccola area e moduli su larga scala.
Abstract
Gli sviluppi nelle architetture dei dispositivi fotovoltaici sono necessari per rendere l’energia solare una fonte di energia rinnovabile economica e affidabile tra le crescenti richieste energetiche globali e il cambiamento climatico. La tecnologia “Thin Film CdTe” ha dimostrato la competitività dei costi e l’aumento dell’efficienza dovuta in parte atempi di fabbricazione rapidi, all’utilizzo minimo dei materiali e all’introduzione di una lega CdSeTe in uno strato di assorbimento di 3 m. Questo lavoro presenta la fabbricazione di sublimazione dello spazio ravvicinato di dispositivi bilori sottili, 1,5 m CdSeTe/CdTe, utilizzando un sistema automatico di deposizione a vuoto in linea. La struttura e la tecnica di fabbricazione thin bilayer riducono al minimo i tempi di deposizione, aumentano l’efficienza del dispositivo e facilitano lo sviluppo futuro dell’architettura di dispositivi basata sull’assorbitore sottile. Tre parametri di fabbricazione sembrano essere i più impattanti per l’ottimizzazione dei sottili dispositivi assorbitori CdSeTe/CdTe: temperatura di preriscaldamento del substrato, rapporto di spessore CdSeTe:CdTe e passività CdCl2. Per una corretta sublimazione del CdSeTe, la temperatura del substrato prima della deposizione deve essere di 540 gradi centigradi (superiore a quella per CdTe) come controllato dal tempo di dimora in una fonte di preriscaldamento. Variazione nel rapporto di spessore CdSeTe:CdTe rivela una forte dipendenza delle prestazioni del dispositivo da questo rapporto. Gli spessori ottimali dell’assorbitore sono 0,5 m CdSeTe/1,0 m CdTe, e i rapporti di spessore non ottimizzati riducono l’efficienza attraverso effetti di barriera posteriore. Gli assorbitori sottili sono sensibili alla variazione di passività di CdCl2; un trattamento CdCl2 molto meno aggressivo (rispetto agli assorbitori più spessi) per quanto riguarda sia la temperatura che il tempo produce prestazioni ottimali del dispositivo. Con condizioni di fabbricazione ottimizzate, CdSeTe/CdTe aumenta la densità di corrente del corto circuito del dispositivo e l’intensità della fotoluminescenza rispetto al CdTe a singolo assorbitore. Inoltre, un sistema di deposizione del vuoto a sublimazione in linea consente di ridurre materiali e tempi, scalabilità e raggiungibilità delle future architetture assorbenti ultrasottili.
Introduction
La domanda globale di energia sta rapidamente accelerando e il 2018 ha dimostrato il più veloce (2,3%) tasso di crescita nell’ultimo decennio1. Abbinato alla crescente consapevolezza degli effetti del cambiamento climatico e della combustione di combustibili fossili, la necessità di energia economica, pulita e rinnovabile è diventata abbondantemente chiara. Delle molte fonti di energia rinnovabile, l’energia solare si distingue per il suo potenziale totale, poiché la quantità di energia solare che raggiunge la Terra supera di gran lunga il consumo energetico globale2.
I dispositivi fotovoltaici (PV) convertono direttamente l’energia solare in energia elettrica e sono versatili in termini di scalabilità (ad esempio, mini-moduli ad uso personale e pannelli solari integrati nella rete) e tecnologie dei materiali. Tecnologie come le celle solari a più e a singola giunzione, a cristalli singolo (GaAs) hanno efficienze che raggiungono rispettivamente il 39,2% e il 35,5%, rispettivamente3. Tuttavia, la fabbricazione di queste celle solari ad alta efficienza è costosa e richiede molto tempo. La telluride del cadmio policristallino (CdTe) come materiale per fotofilmatoria sottili è vantaggiosa per la sua fabbricazione a basso costo e ad alto consumo, la varietà di tecniche di deposizione e il coefficiente di assorbimento favorevole. Questi attributi rendono CdTe propizio per la produzione su larga scala, e miglioramenti nell’efficienza hanno reso CdTe competitivo in termini di costi con il silicio dominante nel mercato fotovoltaico e i combustibili fossili4.
Un recente progresso che ha guidato l’aumento dell’efficienza dei dispositivi CdTe è l’incorporazione di materiale in lega di telluride di selenio di cadmio (CdSeTe) nello strato assorbitore. L’integrazione del materiale CdSeTe con lo spazio della banda eV inferiore a 1,4 eV in un assorbitore CdTe da 1,5 eV riduce lo spazio della banda anteriore dell’assorbitore di bistrato. Questo aumenta la frazione di fotone al di sopra del divario della banda e quindi migliora la raccolta corrente. È stata dimostrata una riuscita incorporazione di CdSeTe in assorbitori di 3 m o più spessa per una maggiore densità di corrente con varie tecniche di fabbricazione (ad esempio, sublimazione dello spazio vicino, deposizione del trasporto di vapore ed elettroplastica)5,6,7. Aumento della spettroscopia a emissione di temperatura ambiente (PL), della fotoluminescenza risolta nel tempo (TRPL) e dei segnali di elettroluminescenza dai dispositivi assorbitori bistrato5,8 indicano che oltre all’aumento della raccolta di corrente, il CdSeTe sembra avere una migliore efficienza radiativa e durata del vettore di minoranza, e un dispositivo CdSeTe/CdTe ha una tensione più grande rispetto all’ideale rispetto a Quanto con solo CdTe. Questo è stato in gran parte attribuito alla passività del selenio dei difetti alla rinfusa9.
Sono state riportate poche ricerche sull’incorporazione di CdSeTe in assorbitori CdTe più sottili (1,5 m). Abbiamo quindi studiato le caratteristiche dei sottili dispositivi per assorbitori CdTe da 0,5 m, con la quale sono stati utilizzati per determinare se i benefici osservati negli assorbitori di bistrato spessi sono raggiungibili anche con gli assorbitori sottili di bistrato. Tali assorbitori CdSeTe/CdTe, più del doppio di quelli più spessi delle loro controparti più spesse, offrono una notevole diminuzione del tempo e del materiale di deposizione e costi di produzione inferiori. Infine, hanno un potenziale per i futuri sviluppi dell’architettura dei dispositivi che richiedono spessori di assorbimento inferiori a 2 m.
La deposizione CSS degli assorbitori in un unico sistema automatico di vuoto in linea offre molti vantaggi rispetto ad altri metodi di fabbricazione10,11. Tassi di deposizione più rapidi con la fabbricazione CSS aumenta la velocità effettiva dei dispositivi e promuove set di dati sperimentali più grandi. Inoltre, l’ambiente a vuoto singolo del sistema CSS in questo lavoro limita le potenziali sfide con le interfacce assorbitore. I dispositivi fotovoltaici a film sottile hanno molte interfacce, ognuna delle quali può fungere da centro di ricombinazione per elettroni e fori, riducendo così l’efficienza complessiva del dispositivo. L’uso di un unico sistema a vuoto per le deposizioni CdSeTe, CdTe e cadmium chloruro (CdCl2) (necessario per una buona qualità assorbitore12,13,14,15,16) può produrre un’interfaccia migliore e ridurre i difetti interfacciali.
Anche il sistema di vuoto automatizzato in linea sviluppato presso la Colorado State University10 è vantaggioso per la sua scalabilità e ripetibilità. Ad esempio, i parametri di deposizione sono impostati dall’utente e il processo di deposizione è automatizzato in modo che l’utente non debba apportare modifiche durante la fabbricazione dell’assorbitore. Anche se in questo sistema sono fabbricati dispositivi di ricerca su piccola area, la progettazione del sistema può essere adattata a deposizioni di aree più grandi, consentendo un collegamento tra la sperimentazione su scala di ricerca e l’implementazione su scala di moduli.
Questo protocollo presenta i metodi di fabbricazione utilizzati per la produzione di dispositivi fotovoltaici a film sottile CdSeTe da 0,5 m Per fare un confronto, viene fabbricato un set di dispositivi CdT da 1,5 m. Le strutture di assorbitore singolo e bistrato hanno condizioni di deposizione nominalmente identiche in tutte le fasi del processo, esclusa la deposizione CdSeTe. Per caratterizzare se gli assorbitori sottili CdSeTe/CdTe mantengono gli stessi benefici dimostrati dalle loro controparti più spesse, le misurazioni di densità-densità di corrente (J-V), efficienza quantistica (QE) e PL vengono eseguite sui dispositivi di assorbimento singolo e bistrato sottili. Un aumento della densità di corrente in cortocircuito (JSC)misurato da J-V e QE, oltre ad un aumento del segnale PL per il CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indicare che i sottili dispositivi CdSeTe/CdTe fabbricati da CSS mostrano un notevole miglioramento nella raccolta corrente, nella qualità del materiale e nell’efficienza del dispositivo.
Sebbene questo lavoro si concentri sui vantaggi associati all’incorporazione di una lega CdSeTe in una struttura di dispositivi fotovoltaici CdTe, il processo di fabbricazione completo per i dispositivi CdTe e CdSeTe/CdTe è descritto successivamente per intero. Figura 1A,B mostra le strutture dei dispositivi completati per i dispositivi CdTe e CdSeTe/CdTe rispettivamente, costituiti da un substrato di vetro trasparente rivestito di ossido di conduzione (TCO), strato di ossido di zinco di tipo n (Mg-nO), p-tipo CdTe o assorbitore CdSeTe/CdTe con trattamento CdCl2 e trattamento con rame, strato sottile di Te e contatto con il ricambio del nichel. Escludendo la deposizione dell’assorbitore CSS, le condizioni di fabbricazione sono identiche tra la struttura single e la struttura del bistrato. Pertanto, se non diversamente specificato, ogni passaggio viene eseguito su entrambe le strutture CdTe e CdSeTe/CdTe.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dispositivi fotovoltaici CdSeTe/CdTe a biostrato dimostrano miglioramenti nell’efficienza rispetto alle loro controparti CdTe grazie alla migliore qualità del materiale e all’aumento della raccolta delle correnti. Tali efficienze migliorate sono state dimostrate negli assorbitori di biostrato superiori a 3 m5,7e ora con condizioni di fabbricazione ottimizzate, è stato dimostrato che un aumento dell’efficienza è realizzabile anche per gli assorbitori di bistr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare il professor W.S. Sampath per l’uso dei suoi sistemi di deposizione, Kevan Cameron per il supporto del sistema, il dottor Amit Munshi per il suo lavoro con celle bistrato più spesse e filmati supplementari del sistema di deposizione del vuoto CSS automatizzato in linea, e il dottor Darius Kuciauskas per assistenza con le misurazioni TRPL. Questo materiale si basa sul lavoro supportato dall’Office of Energy of Energy EERE (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Energy” del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti nell’ambito del numero di accordo SETO (Solar Energy Technologies Office) 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
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