التسامي الفضائي القريب-ودائع فائقة رقيقة CdSeTe/CdTe الخلايا الشمسية لتعزيز الكثافة القصيرة الدائرة الحالية وPhotoluminescence
Summary
يصف هذا العمل عملية التصنيع الكاملة للأجهزة الفولتية السيلينيوم الكاديوم الرقيقة التيلوريد/الكادميوم التيلوريد لتحسين الكفاءة. وتستخدم هذه العملية نظاما آليا للفراغ في الخط لترسب التسامي في الفضاء القريب القابل للتطوير، من تصنيع أجهزة البحوث في المنطقة الصغيرة، فضلا عن الوحدات النمطية الكبيرة النطاق.
Abstract
التطورات في هندسة الأجهزة الكهروضوئية ضرورية لجعل الطاقة الشمسية مصدرا فعالا من حيث التكلفة وموثوقة للطاقة المتجددة في ظل الطلب العالمي المتزايد على الطاقة وتغير المناخ. وقد أظهرت التكنولوجيا رقيقة CdTe فيلم القدرة التنافسية من حيث التكلفة وزيادة الكفاءة ويرجع ذلك جزئيا إلى أوقات التصنيع السريع، والحد الأدنى من استخدام المواد، وإدخال سبيكة CdSeTe في ~ 3 ميكرومتر طبقة امتصاص. يعرض هذا العمل تصنيع التسامي في الفضاء القريب لأجهزة CdSeTe/CdTe ثنائية الطبقات الرقيقة و1.5 ميكرومتر باستخدام نظام ترسب فراغي آلي في الخط. يقلل الهيكل الثنائي الرقيق وتقنية التصنيع من وقت الترسيب ، وزيادة كفاءة الجهاز ، وتسهيل تطوير بنية الجهاز النحيفة في المستقبل. ثلاثة معلمات التصنيع ويبدو أن الأكثر تأثيرا لتحسين رقيقة أجهزة امتصاص CdSeTe / CdTe: درجة حرارة الركيزة التسخين، CdSeTe: نسبة سمك CdTe، وتخميل CdCl2. للتسامي السليم من CdSeTe، يجب أن تكون درجة حرارة الركيزة قبل الترسيب ~ 540 درجة مئوية (أعلى من ذلك لCdTe) كما تسيطر عليها الوقت يسكن في مصدر الحرارة المسبقة. الاختلاف في نسبة سمك CdSeTe: CdTe يكشف عن اعتماد قوي لأداء الجهاز على هذه النسبة. سمك الامتصاص الأمثل هي 0.5 ميكرومتر CdSeTe/1.0 ميكرومتر CdTe، ونسب السماكة غير المحسنة تقلل من الكفاءة من خلال تأثيرات الحاجز الخلفي. امتصاص رقيقة حساسة لتباين التخميل CdCl2; أقل عدوانية بكثير CdCl2 العلاج (مقارنة مع أكثر سمكا امتصاص) فيما يتعلق بكل من درجة الحرارة والوقت تسفر عن أداء الجهاز الأمثل. مع ظروف التصنيع الأمثل، CdSeTe / CdTe يزيد الجهاز قصيرة الدائرة كثافة التيار وكثافة الضوئية مقارنة مع امتصاص واحد CdTe. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر نظام ترسب فراغ التسامي في الخط بالقرب من الفضاء تقليل المواد والوقت ، وقابلية التوسع ، وإمكانية تحقيق أبنية امتصاص رقيقة للغاية في المستقبل.
Introduction
ويتسارع الطلب العالمي على الطاقة بسرعة، وأظهر عام 2018 أسرع (2.3%) معدل النمو في العقد الماضي1. وإلى جانب زيادة الوعي بآثار تغير المناخ وحرق الوقود الأحفوري، أصبحت الحاجة إلى الطاقة التنافسية والنظيفة والمتجددة قادرة على المنافسة من حيث التكلفة واضحة تماما. من بين العديد من مصادر الطاقة المتجددة، تتميز الطاقة الشمسية بإمكاناتها الإجمالية، حيث أن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تتجاوز بكثير الاستهلاك العالمي للطاقة2.
تقوم الأجهزة الكهروضوئية (PV) بتحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية وهي متعددة الاستخدامات في قابلية التوسع (على سبيل المثال، وحدات الاستخدام الشخصي الصغيرة والصفائف الشمسية المتكاملة للشبكة) وتقنيات المواد. تقنيات مثل متعددة وأحادية التقاطع، واحدة الكريستال الغاليوم زرنيخة (GaAs) الخلايا الشمسية لديها كفاءات تصل إلى 39.2٪ و 35.5٪، على التوالي3. ومع ذلك ، فإن تصنيع هذه الخلايا الشمسية عالية الكفاءة مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً. الكادميوم البلوري ة telluride (CdTe) كمادة للرقيقة بوفس مفيد لتكلفته اخفض، تصنيع عالية الإنتاجية، مجموعة متنوعة من تقنيات الترسيب، ومعامل امتصاص مواتية. هذه الصفات تجعل CdTe مواتية للتصنيع على نطاق واسع ، والتحسينات في الكفاءة جعلت CdTe تنافسية من حيث التكلفة مع السيليكون والوقود الأحفوري المهيمن على السوق الكهروضوئية4.
أحد التطورات الأخيرة التي دفعت الزيادة في كفاءة جهاز CdTe هو دمج مادة الكادميوم سيلينيوم التيلوريد (CdSeTe) سبيكة في طبقة الامتصاص. دمج أقل ~ ~ 1.4 eV الفجوة CdSeTe المادة في 1.5 eV CdTe امتصاص يقلل من فجوة الفرقة الأمامية من امتصاص طبقة ثنائية. وهذا يزيد من كسر فوتون فوق فجوة النطاق وبالتالي يحسن جمع الحالية. وقد ثبت نجاح إدماج CdSeTe في الامتصاصات التي هي 3 ميكرومتر أو أكثر سمكا لزيادة كثافة التيار مع تقنيات التصنيع المختلفة (أي التسامي في الفضاء القريب، وترسب نقل البخار، والطلاء الكهربائي)5،6،7. زيادة درجة حرارة الغرفة الطيفية الانبعاثات الضوئية (PL)، وضوئي حل الوقت (TRPL)، وإشارات الكهربية من أجهزة امتصاص ثنائي الطبقة5،8 تشير إلى أنه بالإضافة إلى زيادة جمع الحالية، وCdSeTe يبدو أن لديها كفاءة إشعاعية أفضل وأقلية الناقل العمر، وجهاز CdSeTe / CdTe لديه جهد أكبر بالنسبة إلى المثالي من مع CdTe فقط. وقد يعزى هذا إلى حد كبير إلى تخميل السيلينيوم من العيوب السائبة9.
وقد تم الإبلاغ عن القليل من البحوث على دمج CdSeTe في أرق (≤ 1.5 ميكرومتر) امتصاص CdTe. ولذلك قمنا بدراسة خصائص أجهزة CdSeTe/1.0 ميكرومتر CdSeTe الرقيقة 0.5 ميكرومتر مفسد ة من طبقة ثنائية الحجم مفبركة بواسطة التسامي في الفضاء القريب (CSS) لتحديد ما إذا كانت الفوائد التي شوهدت في ممتصات طبقة ثنائية سميكة يمكن تحقيقها أيضًا باستخدام ممتصات ثنائية الطبقة رقيقة. مثل امتصاص CdSeTe / CdTe ، أكثر من ضعف ضعف نظيراتها سمكا ، وتقدم انخفاضا ملحوظا في وقت الترسيب والمواد وانخفاض تكاليف التصنيع. وأخيرا ، فإنها تنطوي على إمكانات لتطورات هندسة الجهاز في المستقبل التي تتطلب سماكة امتصاص أقل من 2 ميكرومتر.
ترسيب المغلق من امتصاص في نظام فراغ الآلي واحد في خط يقدم العديد من المزايا على طرق التصنيع الأخرى10،11. معدلات الترسيب أسرع مع تصنيع المغلق يعزز إنتاجية الجهاز ويعزز مجموعات البيانات التجريبية أكبر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بيئة فراغ واحد من نظام المغلق في هذا العمل يحد من التحديات المحتملة مع واجهات امتصاص. تحتوي الأجهزة الكهروضوئية ذات الفيرفية على العديد من الواجهات ، كل منها يمكن أن يعمل كمركز إعادة تركيب للإلكترونات والثقوب ، مما يقلل من كفاءة الجهاز بشكل عام. استخدام نظام فراغ واحد لCdSeTe، CdTe، وكلوريد الكادميوم (CdCl2)الترسبات (اللازمة لنوعية امتصاص جيدة12،13،14،15،16)يمكن أن تنتج واجهة أفضل والحد من العيوب بين الوجهين.
نظام الفراغ الآلي في خط وضعت في جامعة ولاية كولورادو10 هو أيضا مفيد في قابلية التوسع والتكرار. على سبيل المثال، معلمات الترسيب هي مجموعة من المستخدم، وعملية الترسيب مؤتمتة بحيث لا يحتاج المستخدم إلى إجراء تعديلات أثناء تصنيع الامتصاص. وعلى الرغم من أن أجهزة البحث في المناطق الصغيرة مفبركة في هذا النظام، يمكن توسيع نطاق تصميم النظام لترسيب أكبر للمساحة، مما يتيح وجود صلة بين التجارب على نطاق البحوث وتنفيذ الوحدات النمطية.
يعرض هذا البروتوكول أساليب التصنيع المستخدمة لتصنيع أجهزة CdSeTe/1.0-μm CdTe ذات الفيلفية الرقيقة. للمقارنة، يتم تصنيع مجموعة من أجهزة CdTe 1.5 ميكرومتر. هياكل امتصاص أحادية وثنائية الطبقات لها شروط ترسب متطابقة اسمياً في جميع خطوات العملية، باستثناء ترسب CdSeTe. لتوصيف ما إذا كانت أجهزة امتصاص CdSeTe/CdTe الرقيقة تحتفظ بنفس الفوائد التي تظهرها نظيراتها الأكثر سمكًا، يتم تنفيذ قياسات الكثافة الحالية (J-V) وكفاءة الكم (QE) وPL على أجهزة امتصاص الامتصاص المفردة وثنائية الطبقة الرقيقة. زيادة في كثافة التيار قصيرة الدائرة (JSC)كما تقاس بواسطة J-V وQE، بالإضافة إلى زيادة في إشارة PL لCdSeTe/CdTe مقابل. جهاز CdTe ، تشير إلى أن أجهزة CdSeTe / CdTe رقيقة ملفقة من قبل المغلق تظهر تحسنا ملحوظا في جمع الحالية ، وجودة المواد ، وكفاءة الجهاز.
على الرغم من أن هذا العمل يركز على الفوائد المرتبطة بدمج سبيكة CdSeTe في بنية جهاز CDTe الكهروضوئي ، يتم وصف عملية التصنيع الكاملة لأجهزة CdTe و CdSeTe / CdTe بالكامل في وقت لاحق. الشكل 1A, B يظهر هياكل الجهاز المكتملة لأجهزة CdTe و CdSeTe / CdTe على التوالي ، تتألف من ركيزة زجاجية شفافة لأكسيد التوصيل (TCO) ، وطبقة N-type من المغنيسيوم الزنك (MgZnO) ، طبقة الباعث ، طبقة الباعث ة من نوع CdTe أو CdSeTe / CdTe مع علاج CdCl2 وعلاج المنشطات النحاس ، طبقة Te الرقيقة ، والنيكل مرة أخرى. باستثناء ترسب امتصاص CSS ، فإن ظروف التصنيع متطابقة بين بنية المفردة وثنائية الطبقة. وبالتالي، ما لم يذكر خلاف ذلك، يتم تنفيذ كل خطوة على كل من هياكل CdTe و CdSeTe/CdTe.
Protocol
Representative Results
Discussion
رقيقة ثنائي المستوى CdSeTe / CdTe الأجهزة الضوئية تظهر تحسينات في الكفاءة بالمقارنة مع نظرائهم CdTe بسبب تحسين نوعية المواد وزيادة جمع الحالية. وقد ثبت مثل هذه الكفاءات المعززة في امتصاص ثنائية الطبقات أكبر من 3 ميكرومتر5،7، والآن مع ظروف التصنيع الأمثل ، وقد ثبت أ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا البروفيسور و. س. سامباث على استخدام أنظمة ترسبه، وكيفان كاميرون لدعم النظام، والدكتور أميت مونشي لعمله مع خلايا ثنائية الطبقات أكثر سمكا ولقطات تكميلية لنظام ترسب فراغ CSS الآلي في الخط، ود. داريوس Kuciauskas للمساعدة في قياسات TRPL. وتستند هذه المواد إلى العمل الذي يدعمه مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأميركية بموجب اتفاقية مكتب تكنولوجيات الطاقة الشمسية (SETO) رقم 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).
