Close-Space Sublimatie-Gedeponeerd Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Zonnecellen voor verbeterde kortsluiting stroomdichtheid en fotoluminescentie
Summary
Dit werk beschrijft het volledige fabricageproces van dunne absorberende cadmium selenium telluride / cadmium telluride fotovoltaïsche apparaten voor verbeterde efficiëntie. Het proces maakt gebruik van een geautomatiseerd in-line vacuümsysteem voor close-space sublimatie depositie die schaalbaar is, van de fabricage van kleine gebied onderzoeksapparaten en grootschalige modules.
Abstract
Ontwikkelingen in fotovoltaïsche apparaat architecturen zijn nodig om zonne-energie een kosteneffectieve en betrouwbare bron van hernieuwbare energie te midden van de groeiende wereldwijde energie-eisen en klimaatverandering. Dunne film CdTe-technologie heeft aangetoond kosten-concurrentievermogen en toenemende efficiëntie als gevolg van gedeeltelijk als gevolg van snelle fabricage tijden, minimaal materiaalgebruik, en de invoering van een CdSeTe legering in een ~ 3 μm absorber laag. Dit werk presenteert de close-space sublimatie fabricage van dunne, 1,5 μm CdSeTe / CdTe bilayer apparaten met behulp van een geautomatiseerde in-line vacuüm depositie systeem. De dunne tweelaagse structuur en fabricagetechniek minimaliseren de afzettingstijd, verhogen de efficiëntie van het apparaat en vergemakkelijken toekomstige ontwikkeling van de architectuur van dunne absorptieapparaten. Drie fabricageparameters lijken de meest impactvolle voor het optimaliseren van dunne CdSeTe/CdTe absorber-apparaten: substraatvoorverwarmtemperatuur, CdSeTe:CdTe-dikteverhouding en CdCl 2-passivation. Voor een goede sublimatie van de CdSeTe moet de substraattemperatuur vóór de afzetting ~540 °C (hoger dan die voor CdTe) zijn, zoals gecontroleerd door de wachttijd in een voorwarmtebron. Variatie in de CdSeTe:CdTe dikte verhouding onthult een sterke afhankelijkheid van de prestaties van het apparaat op deze verhouding. De optimale absorptiediktes zijn 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, en niet-geoptimaliseerde dikteverhoudingen verminderen de efficiëntie door back-barrier effecten. Dunne absorbers zijn gevoelig voor cdcl2 passivation variatie; een veel minder agressieve CdCl2-behandeling (in vergelijking met dikkere absorbers) met betrekking tot zowel temperatuur als tijd levert optimale apparaatprestaties op. Met geoptimaliseerde fabricageomstandigheden verhoogt CdSeTe/CdTe de kortsluiting van de stroomdichtheid en de intensiteit van de fotoluminescentie in vergelijking met single-absorber CdTe. Daarnaast biedt een in-line close-space sublimatie vacuümdepositiesysteem materiaal en tijdsreductie, schaalbaarheid en de haalbaarheid van toekomstige ultradunne absorberarchitecturen.
Introduction
De wereldwijde vraag naar energie versnelt snel en het jaar 2018 toonde het snelst( 2,3%) groei in het laatste decennium1. In combinatie met een toenemend bewustzijn van de gevolgen van klimaatverandering en de verbranding van fossiele brandstoffen, is de behoefte aan kostenconcurrerende, schone en hernieuwbare energie overduidelijk geworden. Van de vele hernieuwbare energiebronnen onderscheidt zonne-energie zich door zijn totale potentieel, omdat de hoeveelheid zonne-energie die de aarde bereikt veel groter is dan het wereldwijde energieverbruik2.
Fotovoltaïsche (PV) apparaten zetten zonne-energie direct om in elektrische energie en zijn veelzijdig in schaalbaarheid (bijvoorbeeld minimodules voor persoonlijk gebruik en netwerkgeïntegreerde zonne-arrays) en materiaaltechnologieën. Technologieën zoals multi- en single-junction, single-crystal gallium arsenide (GaAs) zonnecellen hebben een efficiëntie van respectievelijk 39,2% en 35,5% 3. Echter, fabricage van deze hoge efficiëntie zonnecellen is kostbaar en tijdrovend. Polykristallijne cadmiumtelluride (CdTe) als materiaal voor dunne film-tv’s is voordelig voor zijn goedkope, hoogwaardige fabricage, verscheidenheid aan depositietechnieken en gunstige absorptiecoëfficiënt. Deze attributen maken CdTe gunstig voor grootschalige productie, en verbeteringen in de efficiëntie hebben CdTe kostenconcurrerend gemaakt met PV-marktdominant silicium en fossiele brandstoffen4.
Een recente vooruitgang die de toename van cdte apparaat efficiëntie heeft gedreven is de integratie van cadmium selenium telluride (CdSeTe) legering materiaal in de absorber laag. Integratie van de lagere ~ 1.4 eV band gap CdSeTe materiaal in een 1,5 eV CdTe absorber vermindert de voorste band kloof van de bilayer absorber. Dit verhoogt de fotonfractie boven de bandkloof en verbetert zo de huidige collectie. Succesvolle opname van CdSeTe in absorbers die 3 μm of dikker zijn voor een verhoogde stroomdichtheid is aangetoond met verschillende fabricagetechnieken (d.w.z. sublimatie in de nabijheid van de ruimte, damptransportdepositie en elektroplating)5,6,7. Verhoogde kamertemperatuur fotoluminescentie emissiespectroscopie (PL), tijd-resolved fotoluminescentie (TRPL), en elektroluminescentie signalen van bilayer absorber apparaten5,8 geven aan dat in aanvulling op de verhoogde huidige collectie, de CdSeTe lijkt te hebben een betere stralingsefficiëntie en minderheid carrier levensduur, en een CdSeTe / CdTe apparaat heeft een grotere spanning ten opzichte van het ideaal dan met CdTe alleen. Dit is grotendeels toegeschreven aan selenium passivation van bulk defecten9.
Er is weinig onderzoek gedaan naar de integratie van CdSeTe in dunnere (≤1,5 μm) CdTe absorbers. We hebben daarom de kenmerken onderzocht van dunne 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe bilayer-absorber apparaten vervaardigd door close-space sublimatie (CSS) om te bepalen of de voordelen van dikke tweelaagse absorbers ook haalbaar zijn met dunne tweelaagse absorbers. Dergelijke CdSeTe/CdTe absorbers, meer dan twee keer zo dun als hun dikkere tegenhangers, bieden een opmerkelijke daling van de depositie tijd en materiaal en lagere productiekosten. Ten slotte hebben ze potentieel voor toekomstige ontwikkelingen in de apparaatarchitectuur die absorberende diktes van minder dan 2 μm vereisen.
CSS-afzetting van absorbers in één geautomatiseerd in-line vacuümsysteem biedt vele voordelen ten opzichte van andere fabricagemethoden10,11. Snellere depositiesnelheden met CSS-fabricage verhogen de doorvoer van apparaten en bevorderen grotere experimentele gegevenssets. Bovendien beperkt de enkele vacuümomgeving van het CSS-systeem in dit werk potentiële uitdagingen met absorberinterfaces. Dunne-film PV-apparaten hebben vele interfaces, die elk kunnen fungeren als een recombinatie centrum voor elektronen en gaten, waardoor de algehele efficiëntie van het apparaat. Het gebruik van één vacuümsysteem voor de cdsete-, cdte- en cadmiumchloride (CdCl2)afzettingen (noodzakelijk voor een goede absorberkwaliteit12,13,14,15,16) kan een betere interface produceren en interfaciale defecten verminderen.
Het in-line geautomatiseerde vacuümsysteem ontwikkeld aan colorado State University10 is ook voordelig in zijn schaalbaarheid en herhaalbaarheid. Depositieparameters zijn bijvoorbeeld door de gebruiker ingesteld en het depositieproces is zodanig geautomatiseerd dat de gebruiker geen aanpassingen hoeft aan te brengen tijdens de fabricage van de absorptie. Hoewel kleine onderzoeksapparaten in dit systeem zijn vervaardigd, kan het systeemontwerp worden opgeschaald voor grotere gebiedsdeposities, waardoor een verband kan worden gelegd tussen experimenten op onderzoeksschaal en module-schaalimplementatie.
Dit protocol presenteert de fabricagemethoden die worden gebruikt voor de productie van 0,5-μm CdSeTe/1,0-μm CdTe dunne-film PV-apparaten. Ter vergelijking: een set cdte-apparaten van 1,5 μm wordt vervaardigd. Enkele en tweelaagse absorberstructuren hebben nominaal identieke depositievoorwaarden in alle processtappen, met uitzondering van de CdSeTe-depositie. Om te karakteriseren of dunne CdSeTe/CdTe absorbers dezelfde voordelen behouden die worden aangetoond door hun dikkere tegenhangers, worden de huidige dichtheidsspanning (J-V), quantumefficiëntie (QE) en PL-metingen uitgevoerd op de dunne single- en bilayer absorber-apparaten. Een toename van de kortsluiting stroomdichtheid (JSC) zoals gemeten door J-V en QE, in aanvulling op een toename van PL signaal voor de CdSeTe / CdTe vs. CdTe-apparaat, geven aan dat dunne CdSeTe / CdTe-apparaten vervaardigd door CSS vertonen opmerkelijke verbetering in de huidige collectie, materiaalkwaliteit, en apparaat efficiëntie.
Hoewel dit werk zich richt op de voordelen die gepaard gaan met de integratie van een CdSeTe-legering in een CdTe PV-apparaatstructuur, wordt het volledige fabricageproces voor CdTe- en CdSeTe/CdTe-apparaten vervolgens volledig beschreven. Figuur 1A,B toont voltooide apparaatstructuren voor respectievelijk cdte- en cdsete-apparaten, bestaande uit een transparant geleidend oxide (TCO)-gecoate glassubstraat, n-type magnesiumzinkoxide (MgZnO) uitzenderlaag, p-type CdTe of CdSeTe/CdTe absorber met CdCl2-behandeling en koperbehandeling, dunne Te-laag en nikkel rugcontact. Exclusief de CSS-absorptiedepositie zijn de fabricageomstandigheden identiek tussen de enkele en tweelaagse structuur. Dus, tenzij anders vermeld, elke stap wordt uitgevoerd op zowel CdTe en CdSeTe / CdTe structuren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dunne bilayer CdSeTe/CdTe fotovoltaïsche apparaten tonen verbeteringen in efficiëntie ten opzichte van hun CdTe tegenhangers vanwege een betere materiaalkwaliteit en verhoogde huidige collectie. Dergelijke verbeterde efficiëntieverbeteringen zijn aangetoond in tweelaagse absorbers groter dan 3 μm5,7, en nu met geoptimaliseerde fabricageomstandigheden, is aangetoond dat verhoogde efficiëntie ook haalbaar is voor dunnere, 1,5 μm bilayer absorbers.
<p clas…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen professor W.S. Sampath bedanken voor het gebruik van zijn afzettingssystemen, Kevan Cameron voor systeemondersteuning, Dr. Amit Munshi voor zijn werk met dikkere tweelaagse cellen en aanvullende beelden van het in-line geautomatiseerde CSS vacuümafzettingssysteem, en Dr. Darius Kuciauskas voor hulp bij TRPL metingen. Dit materiaal is gebaseerd op werk ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy’s Office of Energy’s Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) onder Solar Energy Technologies Office (SETO) Overeenkomst 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).
