Близко-пространство Сублимация-депозитанной Ультра-тонкий CdSeTe / CdTe солнечные клетки для расширения короткого замыкания Текущей плотности и фотолюминесценции
Summary
Эта работа описывает полный процесс изготовления тонкого амортизатора кадмия селена теллурид / кадмий теллурид фотоэлектрических устройств для повышения эффективности. В процессе используется автоматизированная влиневая вакуумная система для осаждения сублимации ближнего пространства, которая является масштабируемой, от изготовления небольших исследовательских устройств, а также крупномасштабных модулей.
Abstract
Развитие архитектуры фотоэлектрических устройств необходимо для того, чтобы сделать солнечную энергию экономически эффективным и надежным источником возобновляемой энергии на фоне растущих глобальных потребностей в энергии и изменения климата. Технология тонкопленочных cdTe продемонстрировала конкурентоспособность затрат и повышение эффективности, частично обусловленную быстрым истоем, минимальным использованием материала и внедрением сплава CdSeTe в слой амортизатора стоимостью 3 мкм. Эта работа представляет собой тесное пространство сублимации изготовление тонких, 1,5 мкм CdSeTe / CdTe двухслойных устройств с использованием автоматизированной системы вакуумного осаждения в линии. Тонкая двухслойная структура и метод изготовления сводят к минимуму время осаждения, повышают эффективность устройства и облегчают будущую разработку архитектуры устройства на основе тонкого амортизатора. Три параметра изготовления, как представляется, наиболее эффективны для оптимизации тонких устройств cdSeTe/CdTe амортизаторов: субстрат температуры разогрева, CdSeTe: CdTe толщина соотношение, и CdCl2 passivation. Для правильной сублимации CdSeTe температура субстрата до осаждения должна быть 540 градусов по Цельсию (выше, чем для CdTe), так как контролируется временем пребывания в источнике разогрева. Вариация в соотношении толщины CdSeTe:CdTe показывает сильную зависимость производительности устройства от этого соотношения. Оптимальная толщина амортизаторов составляет 0,5 мкм CdSeTe/1.0 мкм CdTe, а неоптимизированные коэффициенты толщины снижают эффективность за счет эффектов задней барьера. Тонкие амортизаторы чувствительны к вариации пассивации CdCl2; гораздо менее агрессивная обработка CdCl2 (по сравнению с более толстыми амортизаторами) в отношении температуры и времени дает оптимальную производительность устройства. С оптимизированными условиями изготовления, CdSeTe/CdTe увеличивает плотность тока короткого замыкания устройства и интенсивность фотолюминесценции по сравнению с однопоглощателем CdTe. Кроме того, система вакуумного осаждения сублимации в тесном пространстве обеспечивает сокращение материала и времени, масштабируемость и достижимость будущих ультратонких амортизаторов.
Introduction
Мировой спрос на энергию быстро ускоряется, и 2018 год продемонстрировал самый быстрый (2,3%) темпы роста в последнее десятилетие1. В сочетании с повышением осведомленности о последствиях изменения климата и сжигания ископаемого топлива, необходимость в экономически конкурентоспособной, чистой и возобновляемой энергии стало совершенно ясно. Из многих возобновляемых источников энергии, солнечная энергия является отличительной для его общего потенциала, так как количество солнечной энергии, которая достигает Земли намного превышает глобальное потребление энергии2.
Фотоэлектрические (PV) устройства непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую энергию и универсальны в масштабируемости (например, мини-модули личного пользования и сетки интегрированных солнечных батарей) и материальных технологий. Технологии, такие как много- и одноразовые, однокристаллические арсенид галлия (GaAs) солнечные элементы имеют эффективность достижения 39,2% и 35,5%, соответственно3. Тем не менее, изготовление этих высокоэффективных солнечных элементов является дорогостоящим и трудоемким. Поликристаллический кадмий теллурид (CdTe) в качестве материала для тонкопленочных п.п. выгоден за его низкую стоимость, изготовление высокой пропускной всей прокладки, разнообразие методов осаждения и благоприятный коэффициент поглощения. Эти атрибуты делают CdTe благоприятным для крупномасштабного производства, и повышение эффективности сделали CdTe экономически конкурентоспособным с. рынка доминирующим кремния и ископаемого топлива4.
Одним из последних достижений, которые привели к увеличению эффективности устройства CdTe является включение кадмия селена теллурида (CdSeTe) сплава материала в слой амортизатора. Интеграция нижнего диапазона cdSeTe в 1,5 eV cdTe-амортизатора с низким диапазоном 1,4 eV уменьшает разрыв передней полосы абсорбирующего двухслойного. Это увеличивает фракцию фотона выше разрыва полосы и тем самым улучшает текущую коллекцию. Успешное включение CdSeTe в амортизаторы, которые 3 мкм или толще для увеличения плотности тока было продемонстрировано с различными методами изготовления (т.е. сублимация близкого пространства, осаждение переноса пара, и электроплавирование)5,6,7. Повышенная спектроскопия выбросов фотолюминесценции комнатной температуры (PL), время решенной фотолюминесценции (TRPL), а также электролюминесценционные сигналы от двухслойных амортизаторов5,8 показывают, что в дополнение к увеличению текущей коллекции, CdSeTe, как представляется, имеют лучшую радиационную эффективность и срок службы носителя меньшинства, и устройство CdSeTe/CdTe имеет большее напряжение относительно идеала, чем с CdTe только. Это в значительной степени объясняется селена passivation навалочных дефектов9.
Мало исследований было сообщено о включении CdSeTe в тоньше (1,5 мкм) CdTe амортизаторов. Поэтому мы исследовали характеристики тонких 0,5 мкм CdSeTe/1.0 мкм CdTe двухслойно-амортизаторустройств, изготовленных путем сублимации близкого пространства (CSS), чтобы определить, являются ли преимущества видели в толстых абсормяторов двуслойной также достижимы с тонкими абсорсирами двухслойного. Такие амортизаторы CdSeTe/CdTe, более чем в два раза тоньше, чем их более толстые аналоги, обеспечивают заметное сокращение времени осаждения и материала и снижение производственных затрат. Наконец, они имеют потенциал для будущих разработок архитектуры устройства, которые требуют толщины амортизаторов менее 2 мкм.
CSS осаждения амортизаторов в одной автоматизированной в линии вакуумной системы предлагает много преимуществ по сравнению с другими методами изготовления10,11. Более быстрые темпы осаждения с помощью CSS-измышления повышают пропускную систему устройства и способствуют увеличению экспериментальных наборов данных. Кроме того, единая вакуумная среда системы CSS в этой работе ограничивает потенциальные проблемы с абсорбирующими интерфейсами. Тонкопленочные пт-устройства имеют множество интерфейсов, каждый из которых может выступать в качестве центра рекомбинации электронов и отверстий, тем самым снижая общую эффективность устройства. Использование единой вакуумной системы для cdSeTe, CdTe и отложений хлорида кадмия (CdCl2)(необходимых для хорошего качества амортизатора12,13,14,15,16) может создать лучший интерфейс и уменьшить межлицевые дефекты.
В строенная автоматизированная вакуумная система, разработанная в Университете штата Колорадо10, также является выгодной по своей масштабируемости и повторяемости. Например, параметры осаждения настроены по набору пользователей, а процесс осаждения автоматизирован таким образом, что пользователю не нужно вносить коррективы во время изготовления амортизатора. Хотя в этой системе изготавливаются небольшие исследовательские устройства, конструкция системы может быть масштабирована для более крупных осаждений площадей, что позволяет увязать между экспериментами в масштабах исследований и внедрением модуля.
В этом протоколе представлены методы изготовления, используемые для производства 0,5-мкм CdSeTe/1.0-m CdTe тонкопленочных pV-устройств. Для сравнения, изготовится набор устройств CdTe номинала номинала. Одноместные и двухслойные амортизаторы имеют номинально одинаковые условия осаждения на всех этапах процесса, за исключением осаждения CdSeTe. Охарактеризовать, сохраняют ли тонкие амортизаторы CdSeTe/CdTe те же преимущества, о чем свидетельствуют их более толстые аналоги, точная плотность напряжения (J-V), квантовая эффективность (ЗЕ) и измерения PL выполняются на тонких однослойных и двухслойных амортизаторах. Увеличение плотности тока короткого замыкания (JSC),измеряемое J-V и QE, в дополнение к увеличению сигнала PL для CdSeTe/CdTe против. Устройство CdTe, указывает на то, что тонкие устройства CdSeTe/CdTe, изготовленные CSS, демонстрируют заметное улучшение текущей коллекции, качества материала и эффективности устройства.
Хотя эта работа сосредоточена на преимуществах, связанных с включением сплава CdSeTe в структуру устройства CdTe PV, полный процесс изготовления устройств CdTe и CdSeTe/CdTe описан впоследствии в полном объеме. На рисунке 1A,B показаны завершенные структуры устройств для устройств CdTe и CdSeTe/CdTe соответственно, состоящие из прозрачного проводящего оксида (TCO)-покрытого стеклянного субстрата, n-типа оксида цинка магния (Mg’nO) излучателя слоя, p-type CdTe или CdSeTe/CdTe абсорсизатор с cdCl2 обработкой и медным допингом, слоем излучателя и никельом. За исключением осаждения поглотителя CSS условия изготовления идентичны между одной и двухслойной структурой. Таким образом, если не указано иное, каждый шаг выполняется как на структурах CdTe, так и на CdSeTe/CdTe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Тонкие двухслойные фотоэлектрические устройства CdSeTe/CdTe демонстрируют повышение эффективности по сравнению с их коллегами cdTe из-за лучшего качества материала и увеличения текущей коллекции. Такая повышенная эффективность была продемонстрирована в двухслойных амортизаторах, превыша…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить профессора В.С. Сампата за использование его систем осаждения, Кевана Кэмерона за системную поддержку, д-ра Амита Мунши за его работу с более толстыми двухслойными клетками и дополнительными кадрами в режиме вонтойного автоматизированного осаждения CSS системы осаждения, и доктора. Дариус Кучаускас за помощь в измерениях TRPL. Этот материал основан на работе, поддерживаемой Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE) Министерства энергетики США в рамках Соглашения о солнечной энергии (SETO) Номер 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).
