Close-Space Sublimering-Deponeret Ultra-Thin CdSeTe / CdTe solceller for forbedret kortslutning strømtæthed og fotoluminescens
Summary
Dette arbejde beskriver den komplette fabrikation proces af tyndabsorber cadmium selen telluride / cadmium telluride fotovoltaiske enheder for øget effektivitet. Processen anvender et automatiseret in-line vakuumsystem til nærrumssublimering, der er skalerbar, fra fremstilling af små område forskningsenheder samt store moduler.
Abstract
Udviklingen inden for solcelleindretning er nødvendig for at gøre solenergi til en omkostningseffektiv og pålidelig kilde til vedvarende energi midt i voksende globale energibehov og klimaændringer. Tyndfilm CdTe-teknologi har vist omkostningskonkurrenceevne og øget effektivitet på grund af delvis hurtige fabrikationstider, minimal materialeanvendelse og indførelse af en CdSeTe-legering i et ~3 μm absorberlag. Dette arbejde præsenterer close-space sublimering fabrikation af tynde, 1,5 μm CdSeTe / CdTe tolags enheder ved hjælp af en automatiseret in-line vakuum aflejring system. Den tynde tolagsstruktur og fabrikationsteknik minimerer depositionstiden, øger enhedens effektivitet og letter den fremtidige udvikling af tyndabsorberbaseret enhedsarkitektur. Tre fabrikationsparametre synes at være de mest virkningsfulde til optimering af tynde CdSeTe/CdTe-absorberende enheder: substratforhedstemperatur, CdSeTe:CdTe tykkelsesforhold og CdCl 2-passivering. For korrekt sublimering af CdSeTe skal substrattemperaturen før aflejring være ~540 °C (højere end for CdTe) som kontrolleret ved dvæletid i en forvarmningskilde. Variation i forholdet cdsete:cdte tykkelse viser en stærk afhængighed af enhedens ydeevne på dette forhold. De optimale absorbertykkelser er 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, og ikke-optimerede tykkelsesforhold reducerer effektiviteten gennem back-barrier-effekter. Tynde absorbere er følsomme over for CdCl2 passivation variation; en langt mindre aggressiv CdCl2 behandling (sammenlignet med tykkere absorbere) med hensyn til både temperatur og tid giver optimal enhed ydeevne. Med optimerede fabrikationsforhold øger CdSeTe/CdTe enhedens kortslutningsstrømtæthed og fotoluminescensintensitet sammenlignet med cdte med enkeltabsorberende ydeevne. Derudover tilbyder et in-line close-space sublimationsvakuumaflejringssystem materiale- og tidsreduktion, skalerbarhed og opnåelighed af fremtidige ultratynde absorberarkitekturer.
Introduction
Den globale energiefterspørgsel accelererer hurtigt, og 2018 viste det hurtigste. vækstrate i det seneste årti1. Parret med stigende bevidsthed om virkningerne af klimaændringerne og afbrænding af fossile brændstoffer, er behovet for omkostningskonkurrencedygtig, ren og vedvarende energi blevet helt klart. Af de mange vedvarende energikilder, solenergi er karakteristisk for sit samlede potentiale, som mængden af solenergi, der når jorden langt overstiger det globale energiforbrug2.
Solcelleapparater (PV) konverterer direkte solenergi til elektrisk strøm og er alsidige inden for skalerbarhed (f.eks. minimoduler til personlig brug og netintegrerede solcelleanlæg) og materialeteknologier. Teknologier som multi- og single-junction, single-crystal gallium arsenid (GaAs) solceller har effektivitetsgevinster nå 39,2% og 35,5%, henholdsvis3. Men fremstilling af disse højeffektive solceller er dyrt og tidskrævende. Polykrystallinsk cadmium telluride (CdTe) som et materiale til tynd film PC’er er fordelagtigt for sin lave omkostninger, høj-throughput fabrikation, forskellige aflejring teknikker, og gunstige absorptionskoefficient. Disse egenskaber gør CdTe gunstig for storstilet produktion, og forbedringer i effektiviteten har gjort CdTe omkostningseffektiv med PV-markedet-dominerende silicium og fossile brændstoffer4.
En nylig fremskridt, der har drevet stigningen i CdTe enhedens effektivitet er indarbejdelsen af cadmium selen telluride (CdSeTe) legering materiale i absorber lag. Integration af den nederste ~ 1,4 eV bånd hul CdSeTe materiale i en 1,5 eV CdTe absorber reducerer det forreste bånd hul af tolagsabsorber. Dette øger fotonfraktionen over båndgabet og forbedrer dermed den aktuelle samling. Vellykket inkorporering af CdSeTe i absorbere, der er 3 μm eller tykkere for øget strømtæthed er blevet påvist med forskellige fabrikationsteknikker (dvs. nærrumssublimering, damptransportaflejring og galvanisering)5,6,7. Øget rumtemperatur fotoluminescens emission spektroskopi (PL), tid-løst fotoluminescens (TRPL), og elektroluminescens signaler fra tolagsabsorber enheder5,8 viser, at ud over øget strøm indsamling, CdSeTe synes at have bedre radiativ effektivitet og mindretal luftfartsselskab levetid, og en CdSeTe / CdTe enhed har en større spænding i forhold til det ideelle end med CdTe alene. Dette er i vid udstrækning blevet tilskrevet selen passivitet af bulk fejl9.
Der er kun rapporteret lidt forskning om inkorporering af CdSeTe i tyndere (≤1,5 μm) CdTe-absorbere. Vi har derfor undersøgt egenskaberne for tynde 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe tolagsabsorberende anordninger fremstillet ved nærrumssublimering (CSS) for at afgøre, om fordelene ved tykke tolagsabsorbere også kan opnås med tynde tolagsabsorbere. Sådanne CdSeTe/ CdTe absorbere, mere end dobbelt så tynd som deres tykkere kolleger, tilbyder et bemærkelsesværdigt fald i deposition tid og materiale og lavere produktionsomkostninger. Endelig har de potentiale for fremtidige enhed arkitektur udvikling, som kræver absorber tykkelser på mindre end 2 μm.
CSS-aflejring af absorbere i et enkelt automatiseret in-line vakuumsystem giver mange fordele i forhold til andre fabrikationsmetoder10,11. Hurtigere depositionshastigheder med CSS-fabrikation øger enhedens gennemløb og fremmer større eksperimentelle datasæt. Derudover begrænser CSS-systemets enkeltvakuummiljø i dette arbejde potentielle udfordringer med absorber-grænseflader. Tyndfilm PV-enheder har mange grænseflader, som hver især kan fungere som et rekombinationscenter for elektroner og huller, hvilket reducerer den samlede enhedseffektivitet. Brugen af et enkelt vakuumsystem til cdsete-, cdte- og cadmiumchlorid (CdCl2)aflejringer (nødvendig for god absorberkvalitet12,13,14,15,16) kan give en bedre grænseflade og reducere interfacial-defekter.
In-line automatiseret vakuum system udviklet på Colorado State University10 er også en fordel i sin skalerbarhed og repeterbarhed. For eksempel er deposition parametre bruger-sæt, og deposition processen er automatiseret således, at brugeren ikke behøver at foretage justeringer under absorber fabrikation. Selv om små område forskningsenheder er fremstillet i dette system, kan systemet design skaleres op til større område depositions, så en sammenhæng mellem forskning-skala eksperimenter og modul-skala gennemførelse.
Denne protokol præsenterer de fabrikationsmetoder, der anvendes til fremstilling af 0,5-μm CdSeTe/1,0-μm CdTe tyndfilmspv-enheder. Til sammenligning fremstilles et sæt af 1,5 μm CdTe-enheder. Enkelt- og tolagsabsorberstrukturer har nominelt identiske aflejringsforhold i alle procestrin, bortset fra CdSeTe-aflejringen. At karakterisere, om tynde CdSeTe/ CdTe absorbere bevarer de samme fordele, som deres tykkere modstykker, strømtæthed-spænding (J-V), kvanteeffektivitet (QE), og PL målinger udføres på den tynde enkelt og tolags absorber enheder. En stigning i kortslutningsstrømtætheden (JSC) målt ved J-V og QE, ud over en stigning i PL-signalet for CdSeTe/CdTe vs. CdTe enhed, viser, at tynde CdSeTe / CdTe enheder fremstillet af CSS viser bemærkelsesværdige forbedringer i den nuværende samling, materialekvalitet, og enhedens effektivitet.
Selv om dette arbejde fokuserer på fordelene ved inkorporering af en CdSeTe legering i en CdTe PV enhed struktur, den komplette fabrikation proces for CdTe og CdSeTe / CdTe enheder er beskrevet efterfølgende i sin helhed. Figur 1A,B viser færdige enhedsstrukturer for henholdsvis CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheder, der består af et gennemsigtigt ledende oxid (TCO)-belagt glassubstrat, n-type magnesiumzinkoxid (MgZnO) emitterlag, p-type CdTe eller CdSeTe/CdTe absorber med CdCl2-behandling og kobberdopingbehandling, tyndt Te-lag og rygkontakt. Bortset fra CSS absorber aflejring, er fabrikationsbetingelserne identiske mellem enkelt- og tolagsstrukturen. Medmindre andet er angivet, udføres hvert trin således på både CdTe- og CdSeTe/CdTe-strukturerne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tynde tolags CdSeTe/ CdTe fotovoltaiske enheder demonstrere forbedringer i effektiviteten i forhold til deres CdTe kolleger på grund af bedre materialekvalitet og øget nuværende indsamling. Sådanne øgede effektivitetsgevinster er blevet påvist i tolagsabsorbere på over 3 μm5,7, og nu med optimerede fabrikationsbetingelser er det blevet påvist, at der også kan opnås øget effektivitet for tyndere, 1,5-μm tolagsabsorbere.
Opt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke professor WS Sampath for brug af hans deposition systemer, Kevan Cameron for systemstøtte, Dr. Amit Munshi for hans arbejde med tykkere tolagsceller og supplerende optagelser af in-line automatiseret CSS vakuum deposition system, og Dr. Darius Kuciauskas for at få hjælp til TRPL-målinger. Dette materiale er baseret på arbejde, der støttes af u.S. Department of Energy’s Office of Energy And Renewable Energy (EERE) under Solar Energy Technologies Office (SETO) Aftale 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).
