Yakın Alan Süblimasyon-Gelişmiş Kısa Devre Akım Yoğunluğu ve Fotolüminesans için Ultra İnce CdSeTe/CdTe Güneş Pilleri
Summary
Bu çalışma, gelişmiş verimlilik için ince emici kadmiyum selenyum tellürit/kadmiyum telluride fotovoltaik cihazların tam üretim sürecini açıklar. Süreç, küçük alan araştırma cihazlarının ve büyük ölçekli modüllerin imalatından ölçeklenebilir yakın alan süblimasyon birikimi için otomatik bir sıra içi vakum sistemi kullanır.
Abstract
Artan küresel enerji talepleri ve iklim değişikliği nin ortasında, güneş enerjisini uygun maliyetli ve güvenilir bir yenilenebilir enerji kaynağı haline getirmek için fotovoltaik cihaz mimarilerinde ki gelişmeler gereklidir. İnce film CdTe teknolojisi, kısmen hızlı üretim süreleri, minimum malzeme kullanımı ve CdSeTe alaşımının ~3 μm emici bir katmana getirilmesi nedeniyle maliyet-rekabet gücünü ve verimliliği artırdığını göstermiştir. Bu çalışma, otomatik hat içi vakum biriktirme sistemi kullanarak ince, 1,5 μm CdSeTe/CdTe iki katmanlı cihazların yakın mekan süblimasyon imalatını sunmaktadır. İnce iki katmanlı yapı ve üretim tekniği biriktirme süresini en aza indirir, cihaz verimliliğini artırır ve gelecekteki ince emici tabanlı cihaz mimarisinin geliştirilmesini kolaylaştırır. Üç üretim parametreleri ince CdSeTe/CdTe emici cihazları optimize etmek için en etkili olduğu görülmektedir: substrat ön ısıtma sıcaklığı, CdSeTe:CdTe kalınlığı oranı ve CdCl2 pasifasyonu. CdSeTe’nin uygun süblimasyonu için, birikilmeden önceki substrat sıcaklığı ~540 °C (CdTe’den daha yüksek) olmalıdır. CdSeTe:CdTe kalınlık oranındaki değişim, cihaz performansının bu orana güçlü bir şekilde bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Optimum emici kalınlıkları 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe’dir ve optimize edilmeyen kalınlık oranları arka bariyer etkileri yle verimliliği azaltır. İnce emiciler CdCl2 pasifasyon varyasyonuna duyarlıdır; sıcaklık ve zaman açısından çok daha az agresif CdCl2 tedavisi (daha kalın emicilere göre) optimum cihaz performansı sağlar. Optimize edilmiş üretim koşulları ile CdSeTe/CdTe, cihaz kısa devre akım yoğunluğunu ve fotolüminesans yoğunluğunu tek emici CdTe’ye göre artırır. Ayrıca, bir satır içi yakın mekan süblimasyon vakum biriktirme sistemi malzeme ve zaman azaltma, ölçeklenebilirlik ve gelecekteki ultra ince emici mimarilerin ulaşılabilirlik sunar.
Introduction
Küresel enerji talebi hızla hızlanıyor ve 2018 yılı en hızlı (2,3%) son on yılda büyüme hızı1. Iklim değişikliğinin etkileri ve fosil yakıtların yakılması artan farkındalık ile eşleştirilmiş, maliyet rekabetçi, temiz ve yenilenebilir enerji ihtiyacı bol açık hale gelmiştir. Birçok yenilenebilir enerji kaynaklarının, güneş enerjisi toplam potansiyeli için ayırt edici, dünya ulaşır güneş enerjisi miktarı kadar küresel enerjitüketimi2 aşıyor gibi .
Fotovoltaik (PV) cihazlar güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür ve ölçeklenebilirlik (örneğin, kişisel kullanım mini modülleri ve ızgara entegre güneş dizileri) ve malzeme teknolojileri açısından çok yönlüdür. Çok ve tek kavşaklı, tek kristalli galyum arsenid (GaAs) güneş pilleri gibi teknolojiler, sırasıyla3%39,2 ve% 35,5 ulaşan verimlilikleri var. Ancak, bu yüksek verimli güneş pilleri imalatı pahalı ve zaman alıcı. İnce film pvs için bir malzeme olarak Polikristalin kadmiyum tellür (CdTe) düşük maliyet, yüksek verimli üretim, biriktirme teknikleri çeşitli ve olumlu emme katsayısı için avantajlıdır. Bu özellikler CdTe’yi büyük ölçekli üretim için uygun hale getirsin ve verimlilikteki gelişmeler CdTe’yi PV-market baskın silikon ve fosil yakıtlarla maliyet-rekabetçi hale getirmiştir4.
CdTe cihaz verimliliğindeki artışı sağlayan yeni gelişmelerden biri de kadmiyum selenyum tellürit (CdSeTe) alaşım malzemesinin emici tabakaiçine eklenmesidir. Alt ~1.4 eV bant boşluğu CdSeTe malzemenin 1,5 eV CdTe emiciye entegre edilmesi, çift katmanlı emicinin ön bant boşluğunu azaltır. Bu, bant boşluğunun üzerindeki foton fraksiyonu artar ve böylece geçerli koleksiyonu geliştirir. CdSeTe’nin artan akım yoğunluğu için 3 μm veya daha kalın emicilere başarılı bir şekilde dahil edilmesi çeşitli üretim teknikleri (yani yakın alan süblimasyonu, buhar taşıma birikimi ve elektrokaplama)5,6,7ile gösterilmiştir. Artan oda sıcaklığıfotolüminesans emisyon spektroskopisi (PL), zaman çözülmüş fotolüminesans (TRPL) ve çift katmanlı emici cihazlardan gelen elektrolüminesans sinyalleri5,8 artan akım toplama ek olarak, CdSeTe daha iyi radyatif verimlilik ve azınlık taşıyıcı ömrüne sahip görünüyor, ve bir CdSeTe / CdTe cihaz cdte ile ideal göre daha büyük bir voltaj vardır sadece. Bu büyük ölçüde toplu kusurların selenyum pasifasyonu atfedilen olmuştur9.
CdSeTe’nin daha ince (≤1.5 μm) CdTe emicilere dahil edilmesi konusunda çok az araştırma bildirilmiştir. Bu nedenle, kalın iki katmanlı emicilerde görülen faydaların ince iki katmanlı emicilerle elde edilip edilemeyeceğini belirlemek için yakın alan süblimasyonu (CSS) tarafından imal edilen 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe çift katmanlı emici cihazların özelliklerini araştırdık. Bu tür CdSeTe/CdTe emiciler, daha kalın muadillerinin iki katından daha ince, biriktirme süresi ve malzeme ve daha düşük üretim maliyetleri nde kayda değer bir azalma sunar. Son olarak, 2 μm’den daha az emici kalınlıklar gerektiren gelecekteki cihaz mimarisi geliştirmeleri için potansiyele sahip olurlar.
Tek bir otomatik sıralı vakum sisteminde emicilerin CSS birikimi diğer üretim yöntemlerine göre birçok avantaj sunar10,11. CSS imalatı ile daha hızlı biriktirme hızları cihaz veriçiyi artırır ve daha büyük deneysel veri kümelerini teşvik eder. Ayrıca, bu çalışmada CSS sisteminin tek vakum ortamı emici arayüzleri ile potansiyel zorlukları sınırlar. İnce film LIsyon PV cihazlarının her biri elektronlar ve delikler için bir rekombinasyon merkezi olarak hareket edilebilen birçok arabirimi vardır ve böylece genel cihaz verimliliği azalır. CdSeTe, CdTe ve kadmiyum klorür (CdCl2)ifadeleri için tek bir vakum sisteminin kullanımı (iyi emici kalitesi için gerekli12,13,14,15,16) daha iyi bir arayüz üretebilir ve interfacial kusurları azaltabilir.
Colorado State University10’da geliştirilen sıralı otomatik vakum sistemi, ölçeklenebilirlik ve tekrarlanabilirlik açısından da avantajlıdır. Örneğin, biriktirme parametreleri kullanıcı tarafından ayarlanır ve biriktirme işlemi, kullanıcının emici imalatı sırasında ayarlamalar yapması gerekmeyecek şekilde otomatikleştirilir. Bu sistemde küçük alan araştırma cihazları imal edilse de, sistem tasarımı daha geniş alan ifadeleri için ölçeklendirilebilir ve araştırma ölçeğinde deney ve modül ölçekli uygulama arasında bir bağlantı sağlanabilir.
Bu protokol, 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe ince film PV cihazlarının üretiminde kullanılan üretim yöntemlerini sunar. Karşılaştırma için, 1,5 μm CdTe cihazlar kümesi imal edilir. Tek ve çift katmanlı emici yapılar, CdSeTe birikimi hariç tüm işlem adımlarında nominal olarak aynı biriktirme koşullarına sahiptir. İnce CdSeTe/CdTe emicilerin daha kalın muadilleri tarafından gösterilen faydaları koruyup korumadığını karakterize etmek için, ince tek ve çift katmanlı emici cihazlarda akım yoğunluğu-gerilim (J-V), kuantum verimliliği (QE) ve PL ölçümleri gerçekleştirilir. J-V ve QE ile ölçülen kısa devre akım yoğunluğunda (JSC)bir artış, CdSeTe /CdTe vsiçin PL sinyalibir artışa ek olarak . CdTe cihazı, CSS tarafından imal edilen ince CdSeTe/CdTe cihazlarının mevcut toplama, malzeme kalitesi ve cihaz verimliliğinde kayda değer bir iyileşme gösterdiğini gösterir.
Bu çalışma, CdTe PV cihaz yapısına CdSeTe alaşımının eklenmesiyle ilgili faydalara odaklansa da, CdTe ve CdSeTe/CdTe aygıtları için tam üretim süreci daha sonra tam olarak açıklanmıştır. Şekil 1A,B, şeffaf iletken oksit (TCO) kaplamalı cam substrat, n tipi magnezyum çinko oksit (MgZnO) yayıcısı tabakası, p tipi CdTe veya CdSeTe/CdTe emici ile CdCl2 ve bakır doping irat, ince Te tabakası ve nikel geri temastan oluşan CdTe ve CdSeTe/CdTe cihazları için tamamlanmış cihaz yapılarını gösterir. CSS emici birikimi hariç, üretim koşulları tek ve çift katmanlı yapı arasında aynıdır. Böylece, aksi belirtilmedikçe, her adım hem CdTe hem de CdSeTe/CdTe yapılarında gerçekleştirilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İnce iki katmanlı CdSeTe/CdTe fotovoltaik cihazlar, daha iyi malzeme kalitesi ve artan mevcut koleksiyon nedeniyle CdTe benzerlerine göre verimlilikte iyileşmeler göstermektedir. Bu tür gelişmiş verimlilikler 3 μm5,7’denbüyük iki katmanlı emicilerde gösterilmiştir ve şimdi optimize edilmiş üretim koşulları yla, 1,5 μm çift katmanlı emiciler için artırılmış verimliliklerin de ulaşılabilir olduğu gösterilmiştir.
<p class="jove_co…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar onun biriktirme sistemlerinin kullanımı için Profesör W.S. Sampath teşekkür etmek istiyorum, sistem desteği için Kevan Cameron, Kalın çift katmanlı hücreleri ve in-line otomatik CSS vakum biriktirme sistemi ek görüntüleri ile yaptığı çalışmalar için Dr Amit Munshi, ve Dr. Darius Kuciauskas TRPL ölçümleri ile yardım için. Bu malzeme, GÜNEŞ Enerjisi Teknolojileri Ofisi (SETO) Anlaşma Numarası DE-EE0007543 altında ABD Enerji Bakanlığı Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi (EERE) tarafından desteklenen çalışmalara dayanmaktadır.
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).
