क्लोज-स्पेस उदात्तीकरण-जमा अल्ट्रा-थिन सीडीएसईई/सीडीटी सौर कोशिकाएं बढ़ी हुई शॉर्ट-सर्किट करंट डेंसिटी और फोटोल्यूमिनेसेंस के लिए
Summary
यह काम बढ़ी हुई दक्षता के लिए पतले अवशोषक कैडमियम सेलेनियम टेल्यूराइड/कैडमियम टेल्यूराइड फोटोवोल्टिक उपकरणों की पूर्ण निर्माण प्रक्रिया का वर्णन करता है । यह प्रक्रिया छोटे क्षेत्र के अनुसंधान उपकरणों के साथ-साथ बड़े पैमाने पर मॉड्यूल के निर्माण से लेकर स्केलेबल है कि स्केलेबल है कि स्थलीय है के लिए एक स्वचालित इन लाइन वैक्यूम प्रणाली का उपयोग करता है ।
Abstract
बढ़ती वैश्विक ऊर्जा मांगों और जलवायु परिवर्तन के बीच सौर ऊर्जा को नवीकरणीय ऊर्जा का लागत प्रभावी और विश्वसनीय स्रोत बनाने के लिए फोटोवोल्टिक डिवाइस आर्किटेक्चर में विकास आवश्यक है । पतली फिल्म सीडीटीई तकनीक ने लागत-प्रतिस्पर्धात्मकता और तेजी से निर्माण समय, न्यूनतम सामग्री उपयोग और एक सीडीएसईई मिश्र धातु को ~ 3 माइक्रोन अवशोषक परत में पेश करने के कारण बढ़ती क्षमता का प्रदर्शन किया है। यह काम एक स्वचालित इन-लाइन वैक्यूम जमाव प्रणाली का उपयोग करके पतले, 1.5 माइक्रोन सीडीएसईई/सीडीटी बाइलेयर उपकरणों के निकट-स्थान उदात्तीकरण निर्माण प्रस्तुत करता है। पतली बाइलेयर संरचना और निर्माण तकनीक जमाव समय को कम करती है, डिवाइस दक्षता में वृद्धि करती है, और भविष्य के पतले अवशोषक-आधारित डिवाइस आर्किटेक्चर विकास को सुविधाजनक बनाती है। पतले सीडीएसईई/सीडीटीई अवशोषक उपकरणों को अनुकूलित करने के लिए तीन निर्माण पैरामीटर सबसे प्रभावशाली प्रतीत होते हैं: सब्सट्रेट प्रीहीट तापमान, सीडीएसईई: सीडीटी मोटाई अनुपात, और सीडीसीएल2 पासिवेशन। सीडीएसईई के उचित उदात्तीकरण के लिए, बयान से पहले सब्सट्रेट तापमान ~ 540 डिग्री सेल्सियस (सीडीटीई के लिए उससे अधिक) होना चाहिए जैसा कि प्रीहीट स्रोत में निवास समय द्वारा नियंत्रित किया जाता है। CdSeTe में भिन्नता: सीडीटी मोटाई अनुपात इस अनुपात पर डिवाइस प्रदर्शन की एक मजबूत निर्भरता का पता चलता है। इष्टतम अवशोषक मोटाई 0.5 माइक्रोन सीडीएसईई/1.0 माइक्रोन सीडीटीई हैं, और गैर-अनुकूलित मोटाई अनुपात बैक-बैरियर प्रभावों के माध्यम से दक्षता को कम करते हैं। पतले अवशोषक सीडीसीएल2 पासिवेशन भिन्नता के प्रति संवेदनशील होते हैं; तापमान और समय दोनों के बारे में एक बहुत कम आक्रामक सीडीसीएल2 उपचार (मोटा अवशोषक की तुलना में) इष्टतम डिवाइस प्रदर्शन पैदा करता है। अनुकूलित निर्माण की स्थिति के साथ, CdSeTe/CdTe एकल अवशोषक सीडीटी की तुलना में डिवाइस शॉर्ट-सर्किट वर्तमान घनत्व और फोटोल्यूमिनेसेंस तीव्रता को बढ़ाता है । इसके अतिरिक्त, एक इन-लाइन क्लोज-स्पेस उदात्तीकरण वैक्यूम जमाव प्रणाली भविष्य के अल्ट्रा-पतली अवशोषक आर्किटेक्चर की सामग्री और समय में कमी, स्केलेबिलिटी और प्राप्तकरने की पेशकश करती है।
Introduction
वैश्विक ऊर्जा की मांग में तेजी आ रही है और वर्ष 2018 में सबसे तेज प्रदर्शन किया गया( 2.3%) पिछले दशक1में ग्रोथ रेट . जलवायु परिवर्तन के प्रभावों और जीवाश्म ईंधन के जलने के बारे में बढ़ती जागरूकता के साथ जोड़ा, लागत प्रतिस्पर्धी, स्वच्छ, और नवीकरणीय ऊर्जा की जरूरत बहुतायत से स्पष्ट हो गया है । कई नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों में से, सौर ऊर्जा अपनी कुल क्षमता के लिए विशिष्ट है, क्योंकि सौर ऊर्जा की मात्रा जो पृथ्वी तक पहुंचती है, वैश्विक ऊर्जा खपत2से कहीं अधिक है।
फोटोवोल्टिक (पीवी) उपकरण सीधे सौर ऊर्जा को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करते हैं और स्केलेबिलिटी (जैसे, व्यक्तिगत उपयोग वाले मिनी-मॉड्यूल और ग्रिड-एकीकृत सौर सरणी) और सामग्री प्रौद्योगिकियों में बहुमुखी हैं। मल्टी-एंड सिंगल-जंक्शन, सिंगल-क्रिस्टल गैलियम आर्सेनाइड (GaAs) सौर कोशिकाओं जैसी प्रौद्योगिकियों में क्रमशः 39.2% और 35.5% तक पहुंचने की क्षमताहै। हालांकि, इन उच्च दक्षता सौर कोशिकाओं का निर्माण महंगा और समय लेने वाला है। पतली फिल्म पीवीएस के लिए एक सामग्री के रूप में पॉलीक्रिस्टलाइन कैडमियम टेल्यूराइड (सीडीटीई) इसकी कम लागत, उच्च-थ्रूपुट निर्माण, जमाव तकनीकों की विविधता और अनुकूल अवशोषण गुणांक के लिए लाभप्रद है। ये विशेषताएं बड़े पैमाने पर विनिर्माण के लिए सीडीटीको को अनुकूल बनाती हैं, और दक्षता में सुधार ने पीवी-मार्केट-प्रमुख सिलिकॉन और जीवाश्म ईंधन4के साथ सीडीटी लागत-प्रतिस्पर्धी बना दिया है।
हाल ही में एक उन्नति जिसने सीडीटी डिवाइस दक्षता में वृद्धि को प्रेरित किया है, वह है कैडमियम सेलेनियम टेल्यूराइड (सीडीएसईई) मिश्र धातु सामग्री को अवशोषक परत में शामिल करना। कम ~ 1.4 ईवी बैंड गैप सीडीएसईई सामग्री को 1.5 ईवी सीडीटी ईअवशोषक में एकीकृत करने से बाइलेयर अवशोषक के सामने बैंड गैप कम हो जाता है। यह बैंड गैप के ऊपर फोटॉन अंश को बढ़ाता है और इस प्रकार वर्तमान संग्रह में सुधार करता है। सीडीएसईई के सफल समावेश को अवशोषकों में शामिल करना जो वर्तमान घनत्व में वृद्धि के लिए 3 माइक्रोन या मोटा हैं, विभिन्न निर्माण तकनीकों (यानी, क्लोज-स्पेस उदात्तीकरण, वाष्प परिवहन जमाव, और इलेक्ट्रोप्लेटिंग)5,6,7के साथ प्रदर्शित किया गया है। कमरे का तापमान बढ़ा फोटोल्यूमिनेसेंस उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीएल), समय-समाधान फोटोल्यूमिनेसेंस (टीआरपीएल), और बाइलेयर अवशोषक उपकरणों से इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस सिग्नल5,8 से संकेत मिलता है कि वर्तमान संग्रह में वृद्धि के अलावा, सीडीएसईई में बेहतर रेडिवेटिव दक्षता और अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल प्रतीत होता है, और सीडीएसईई/सीडीटी डिवाइस में केवल सीडीटीई की तुलना में आदर्श के लिए एक बड़ा सापेक्ष वोल्टेज है। इसका कारण काफी हद तक थोकदोषोंके सेलेनियम पासिवेशन को माना गया है .
सीडीएसईई के पतले (1.5 माइक्रोन) सीडीटी अब्जॉर्बर्स में शामिल होने पर थोड़ा शोध की सूचना दी गई है। इसलिए हमने पतले ०.५ माइक्रोन सीडीएसईई/1.0 माइक्रोन सीडीटी बाइलेयर-अब्जॉर्बर उपकरणों की विशेषताओं की जांच की है जो क्लोज-स्पेस सबिमिटेशन (सीएसएस) द्वारा निर्मित हैं ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि मोटी बाइलेयर अवशोषक ों में देखे गए लाभ भी पतले बाइलेयर अवशोषक के साथ प्राप्य हैं या नहीं । इस तरह के CdSeTe/CdTe अवशोषक, अपने मोटे समकक्षों के रूप में दो बार से अधिक के रूप में पतली, बयान समय और सामग्री और कम विनिर्माण लागत में एक उल्लेखनीय कमी प्रदान करते हैं । अंत में, वे भविष्य के डिवाइस वास्तुकला विकास के लिए क्षमता रखते हैं जिन्हें 2 माइक्रोन से कम की अवशोषक मोटाई की आवश्यकता होती है।
एक स्वचालित इन-लाइन वैक्यूम सिस्टम में अवशोषकों का सीएसएस जमाव अन्य निर्माण विधियों10,11पर कई फायदे प्रदान करता है । सीएसएस निर्माण के साथ तेजी से जमाव दर डिवाइस थ्रूपुट को बढ़ा देती है और बड़े प्रयोगात्मक डेटासेट को बढ़ावा देती है। इसके अतिरिक्त, इस काम में सीएसएस प्रणाली का एकल वैक्यूम वातावरण अवशोषक इंटरफेस के साथ संभावित चुनौतियों को सीमित करता है। पतली फिल्म पीवी उपकरणों में कई इंटरफेस होते हैं, जिनमें से प्रत्येक इलेक्ट्रॉनों और छेदों के लिए एक पुनर्संयोजन केंद्र के रूप में कार्य कर सकता है, इस प्रकार समग्र डिवाइस दक्षता को कम करता है। सीडीएसईटी, सीडीटीई और कैडमियम क्लोराइड (सीडीसीएल2)डिपोजिशन (अच्छी अवशोषक गुणवत्ता के लिए आवश्यक12,13,14,15,16)के लिए एक वैक्यूम सिस्टम का उपयोग बेहतर इंटरफ़ेस का उत्पादन कर सकता है और इंटरफेशियल दोषों को कम कर सकता है।
कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी10 में विकसित इन-लाइन ऑटोमेटेड वैक्यूम सिस्टम भी इसकी स्केलेबिलिटी और दोहराव में फायदेमंद है । उदाहरण के लिए, जमाव पैरामीटर उपयोगकर्ता-सेट होते हैं, और जमाव प्रक्रिया इस तरह स्वचालित होती है कि उपयोगकर्ता को अवशोषक निर्माण के दौरान समायोजन करने की आवश्यकता नहीं होती है। हालांकि छोटे क्षेत्र अनुसंधान उपकरणों इस प्रणाली में गढ़े हैं, प्रणाली डिजाइन बड़े क्षेत्र depositions के लिए बढ़ाया जा सकता है, अनुसंधान पैमाने पर प्रयोग और मॉड्यूल पैमाने पर कार्यान्वयन के बीच एक कड़ी को सक्षम करने ।
यह प्रोटोकॉल 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe पतली फिल्म पीवी उपकरणों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया निर्माण तरीकों प्रस्तुत करता है। तुलना के लिए, 1.5 माइक्रोन सीडीटी उपकरणों का एक सेट गढ़े जाते हैं। एकल और बाइलेयर अवशोषक संरचनाओं में सीडीएसईई बयान को छोड़कर सभी प्रक्रिया चरणों में नाममात्र समान जमाव की स्थिति होती है। यह विशेषता बनाने के लिए कि क्या पतले सीडीएसईई/सीडीटी अवशोषक अपने मोटे समकक्षों, वर्तमान घनत्व-वोल्टेज (जे-वी), क्वांटम दक्षता (क्यूई) और पीएल मापन द्वारा प्रदर्शित समान लाभों को बनाए रखते हैं, पतली एकल और बाइलेयर अवशोषक उपकरणों पर किए जाते हैं । सीडीएसईटी/सीडीटी बनामके लिए पीएल सिग्नल में वृद्धि के अलावा, जे-वी और क्यूई द्वारा मापा गया शॉर्ट-सर्किट वर्तमान घनत्व (जेएससी)में वृद्धि । सीडीटी डिवाइस, इंगित करता है कि सीएसएस द्वारा निर्मित पतले सीडीएसई/सीडीटी उपकरण वर्तमान संग्रह, सामग्री की गुणवत्ता और डिवाइस दक्षता में उल्लेखनीय सुधार दिखाते हैं।
हालांकि यह काम सीडीटी पीवी डिवाइस संरचना में सीडीएसईई मिश्र धातु के समावेश से जुड़े लाभों पर केंद्रित है, सीडीटीई और सीडीएसईई/सीडीटी उपकरणों के लिए पूर्ण निर्माण प्रक्रिया को बाद में पूर्ण रूप से वर्णित किया गया है । चित्रा 1ए, बी क्रमशः सीडीटीई और सीडीएसईई/सीडीटी उपकरणों के लिए पूर्ण डिवाइस संरचनाओं को दिखाता है, जिसमें एक पारदर्शी संचालन ऑक्साइड (टीसीओ) -कोटेड ग्लास सब्सट्रेट, एन-टाइप मैग्नीशियम जिंक ऑक्साइड (एमजीजेडएनओ) उत्सर्जक परत, पी-टाइप सीडीटीई या सीडीएसईई/सीडीटीई अवशोषक सीडीसीएल2 उपचार और कॉपर डोपिंग उपचार, पतली ते परत और निकल बैक संपर्क शामिल हैं। सीएसएस अवशोषक बयान को छोड़कर, निर्माण की स्थिति एकल और बाइलेयर संरचना के बीच समान हैं। इस प्रकार, जब तक अन्यथा उल्लेख नहीं किया जाता है, प्रत्येक चरण सीडीटीई और सीडीएसईई/सीडीटी दोनों संरचनाओं पर किया जाता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
पतली बाइलेयर सीडीएसईई/सीडीटी फोटोवोल्टिक डिवाइस बेहतर सामग्री की गुणवत्ता और वर्तमान संग्रह में वृद्धि के कारण अपने सीडीटी समकक्षों की तुलना में दक्षता में सुधार प्रदर्शित करते हैं । इस तरह की बढ़ी …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक अपने बयान प्रणाली के उपयोग के लिए प्रोफेसर डब्ल्यूएस संपत, सिस्टम सपोर्ट के लिए केवन कैमरन, डॉ अमित मुंशी को मोटा बाइलेयर कोशिकाओं और इन-लाइन स्वचालित सीएसएस वैक्यूम जमाव प्रणाली के पूरक फुटेज के साथ अपने काम के लिए धन्यवाद देना चाहते हैं, और डॉ । टीआरपीएल मापन के साथ सहायता के लिए दारा Kuciauskas । यह सामग्री सौर ऊर्जा प्रौद्योगिकी कार्यालय (एसईओ) समझौते की संख्या DE-EE0007543 के तहत ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा (EERE) के अमेरिकी ऊर्जा विभाग के कार्यालय द्वारा समर्थित काम पर आधारित है ।
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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