Sursa: vonardenne.biz
Publicat inițial în Photovoltaics International, ediția 44, mai 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstract
Tehnologia celulelor solare cu heterojuncție pe siliciu (SHJ) este o tehnologie atractivă pentru producția pe scară largă de celule solare cu o eficiență ridicată de conversie de peste 24%. Un element cheie al celulelor solare SHJ, care contrastează cu tehnologia largă a emițătorului pasivat și a contactului din spate (PERC), este [...] prezintă oportunități. Această lucrare discută aceste aspecte și arată potențialul de îmbunătățire a eficienței celulei la un cost redus prin utilizarea de noi TCO-uri depuse prin pulverizare de curent continuu (DC). În cazul celulelor SHJ de joncțiune posterioară, este posibilă reducerea sau chiar evitarea utilizării indiului în astfel de TCO-uri, oxidul de zinc dopat cu aluminiu (AZO) fiind un posibil înlocuitor pentru TCO-urile pe bază de oxid de indiu. Este rezumată disponibilitatea TCO de înaltă performanță pentru producția de masă pe scară largă, care va încuraja pătrunderea pe piață a celulelor SHJ.
Exemplu de echipamente de producție în masă TCO: XEA|nova L VON ARDENNE
Introducere
Celulele solare din siliciu bazate pe emițător pasivat și tehnologia contactului din spate (PERC) au atins niveluri de multi-gigawați în producția de masă, cu eficiențe de conversie (CE) de 22% și acum se apropie de 23%. Pentru CE chiar mai mari, contactele pasivate sunt considerate a fi următoarea generație de tehnologie celulară. Aici, tehnologia de eterojuncție a siliciului (SHJ) este un candidat promițător și curge în afara porții de pornire, un CE de 23-24% fiind deja demonstrat pe napolitane de dimensiuni mari, nu numai în liniile pilot, ci și în producția pe scară largă [ 1]. În timp ce Panasonic (fostul Sanyo) a fost pionierul acestei tehnologii, diverși jucători din întreaga lume și-au construit între timp propriile linii de producție, precum ENEL Green Energy și Hevel Solar în Europa și REC, Jinergy, GS-Solar și altele în Asia. Beneficiile majore ale tehnologiei SHJ au fost discutate într-un articol recent de Ballif și colab. [2]. Pe lângă CE ridicat, un avantaj cheie al SHJ este secvența de producție slabă, cu doar patru pași principali necesari pentru procesarea simetrică a ambelor părți:
1. Curățarea umedă și texturarea plachetelor.
2. Depunerea a-Si: H prin depunere chimică cu vapori de plasmă (PECVD).
3. Depunerea straturilor transparente de oxid conductiv (TCO) prin depunere fizică de vapori (PVD, de obicei pulverizare).
4. Serigrafie a grilelor de argint.
Datorită proceselor la temperatură scăzută (& lt; 200 ° C) și a stivei de dispozitive simetrice, se pot evita îndoirea și fisurarea napolitelor induse de stres, ceea ce înseamnă că napolitele subțiri pot fi utilizate, economisind astfel costuri materiale și energie. Stiva SHJ apare în mod natural într-un design de celule bifaciale; în plus, celulele SHJ au cel mai mic coeficient de temperatură în câmp, de obicei –0,28% / ° C. Combinația dintre bifacialitate și coeficient de temperatură scăzută crește randamentul energetic al unui sistem fotovoltaic.
Pe de altă parte, unii dintre factorii care limitează o creștere rapidă a utilizării tehnologiei SHJ sunt costurile relativ ridicate ale echipamentelor, în special pentru PECVD (dar și pentru PVD), și contactarea celulei adaptate pentru fabricarea modulelor (fără temperatură înaltă standard lipire). Este nevoie de mai multă pastă de Ag decât pentru celulele Si standard, datorită întăririi la temperatură scăzută, producând degete cu conductivitate mai mică; totuși, acest lucru depinde de abordarea interconectării, în mod specific dacă sunt utilizate sau nu bare de bare. În cele din urmă, și discutate mai detaliat în această lucrare, sunt necesare obiective pentru pulverizarea straturilor TCO pe ambele părți, care sunt costisitoare pentru materialele care sunt de obicei utilizate.
Oxid de indiu (In2O3) dopat cu staniu (Sn), denumit ITO, este în prezent cel mai frecvent utilizat TCO [3-5]. Acest oxid conductiv transparent este bine cunoscut din producția de masă a afișajelor cu ecran plat (FPD) și prezintă proprietăți opto-electronice adecvate, cum ar fi rezistivitatea scăzută a straturilor subțiri și transparența suficientă în domeniul vizibil. Un considerent important pentru producția de FPD, ITO poate fi procesat prin fotolitografie, deoarece este etcabil (în starea așa depozitată) și este stabil pe termen lung după cristalizarea în fază solidă la recoacere termică la 150-200 ° C. În general, ITO se depune prin pulverizare magnetronică de curent continuu (DC) pe suprafețe mari. Chiar dacă pulverizarea DC provoacă inițial o anumită deteriorare a pasivării suprafeței de siliciu, aceasta este complet recoacută la temperaturi de aproximativ 200 ° C, care este atinsă fie în timpul pulverizării, fie mai târziu în timpul întăririi pastei Ag după serigrafie.
Spre deosebire de FPD-uri, TCO trebuie să îndeplinească cerințe suplimentare atunci când este aplicat pe partea din față a celulelor SHJ, și anume o transparență excelentă în intervalul mai lung de lungime de undă 300-1.100 nm. Fig. 1 prezintă spectrele de absorbție ale diferitelor straturi de TCO, demonstrând diferențele în absorbția parazitară în regimurile de lungime de undă scurtă și lungă. Pe lângă această absorbție redusă, rezistențele scăzute de contact atât cu straturile de siliciu dopate cu n, cât și cu p, precum și cu grila metalică, sunt obligatorii pentru straturile TCO de pe ambele părți. Nu în ultimul rând, constrângerile de cost ale celulelor solare sunt extrem de stricte și, pentru a prevedea PV pe o scară de terawați, este esențial să se reducă (sau mai bine, să se evite) utilizarea materialelor critice sau rare, cum ar fi indiul ( În). Cu toate acestea, ultimul aspect este încă dificil de abordat, deoarece majoritatea TCO-urilor de calitate a dispozitivelor conțin indiu. O opțiune este de a reduce grosimea unor astfel de TCO-uri, ceea ce necesită apoi depunerea unui al doilea strat pentru a menține performanța optică (antireflexivă) ideală. Acest lucru, la rândul său, crește numărul de etape ale procesului și, prin urmare, complexitatea procesului și costurile.
Această lucrare abordează optimizarea TCO pentru încorporare în celulele solare SHJ. Este prezentată o valoare pentru evaluarea și compararea diferitelor TCO-uri în ceea ce privește adecvarea lor pentru aplicare în celule SHJ. Pentru a reduce pierderile optice din TCO-ul frontal, utilizarea materialelor cu transparență ridicată este obligatorie. O mobilitate ridicată a purtătorului de încărcare, de obicei> 100 cm2/ Vs, permite o reducere a densității purtătorului (la rezistivitate constantă), reducând astfel pierderea optică datorată absorbției purtătorului liber (FCA).
Diverse materiale TCO „cu mobilitate ridicată” pe bază de oxid de indiu cu dopaje diferite au fost cercetate în trecut [6-13]. Toate acestea prezintă proprietăți excelente ca straturi TCO pe sticlă și cele mai multe dintre ele au un CE ridicat. Fabricarea țintă este totuși dificilă, iar costurile sunt ridicate pentru multe dintre aceste materiale.
Noile TCO-uri care pot fi procesate în producția pe scară largă din ținte rotative sunt acum disponibile, oferind o mobilitate ridicată și producând celule SHJ cu CE ridicată. Circumstanțele în care AZO, ca alternativă fără indiu și cu costuri reduse, poate fi implementat în celule SHJ de înaltă eficiență vor fi discutate mai târziu. De asemenea, va fi prezentată o comparație a costurilor obiectivelor bazate pe In și ZnO.
Figura 1. Spectre optice de absorbție pentru diferite tipuri de strat de grosime TCO
TCO pentru celulele solare SHJ
În trecut, mai multe materiale TCO au fost cercetate pentru utilizare în celulele solare SHJ. Cerințe importante pentru această implementare sunt conductivitatea ridicată și transparența ridicată, cu temperaturi de procesare sub 200 ° C (datorită sensibilității straturilor de pasivare cu siliciu cu film subțire), precum și o bună formare de contact cu straturile învecinate [14].
Dintre unele dintre TCO-urile relevante, policristalinul Sn-dopat In2O3(ITO) crescut la temperaturi sub 200 ° C, care atinge mobilitatea electronilor (μe) în jur de 40cm2/ Vs [3-5], a găsit o aplicare largă în celulele solare SHJ. TCO-uri pe bază de droguri cu alte metale, precum titan (Ti) [15,16], zirconiu (Zr) [6,12,13], molibden (Mo) [15,17-19] și tungsten (W) [ 10,11], randament μe valori mai mari de 80 cm2/ Vs la o densitate a purtătorului de încărcare (ne) variind de la 1 × 1020 la 3 × 1020 cm-3.
Aceste straturi pot fi depuse prin pulverizare cu magnetron, depunere laser pulsată (PLD) și placare cu ioni cu descărcare în arc DC sau depunere plasmatică reactivă (RPD). Dintre acestea, pulverizarea este cea mai stabilită metodă de producție în serie. O mobilitate chiar mai mare de μe> 100 cm2/ Vs pot fi obținute pentru hidrogen (H) -dopat în cristalizat în fază solidă (SPC)2O3(IOH) [6-9] și ceriu (Ce) ICeO: H [7] pelicule cu 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Aceste filme sunt depozitate la temperaturi scăzute într-o matrice amorfă și apoi recocite la temperaturi de peste 150 ° C, ceea ce are ca rezultat valori μe ridicate datorită formării granulelor mari.
TCO-urile introduse mai sus sunt atractive datorită performanțelor lor opto-electrice remarcabile, dar până în prezent ITO și IWO: H și-au găsit drumul în producția industrială. Cu toate acestea, deficitul de indiu este o motivație pentru implementarea TCO-urilor alternative. AZO oferă avantajul de a avea materiale compozite mai abundente. Straturile de AZO cu o grosime de câteva sute de nanometri, pulverizate la temperaturi ridicate> 250 ° C, produc proprietăți opto-electronice bune [20] și, de asemenea, stabilitate [21].
Straturile subțiri cu grosime mai mică de 100 nm depuse la temperaturi sub 200 ° C, așa cum este necesar pentru celulele SHJ, în contrast prezintă o structură cristalină slabă, rezultând în consecință valori de mobilitate reduse în jur de 20cm2 / Vs și stabilitate slabă pe termen lung [22]. Cu toate acestea, stabilitatea îmbunătățită a celulelor solare SHJ a fost demonstrată prin aplicarea unui oxid de siliciu amorf (a-SiO2) plafonare [23].
După cum este indicat de μevalorile obținute și, în funcție de condițiile de procesare, diferitele TCO demonstrează o gamă largă de mobilități de electroni. Rezistența foii TCO (R▫) intervalele pot fi clasificate așa cum se arată în tabelul 1. Aici, un interval de concentrație a purtătorului 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3este luat în considerare: acesta reprezintă un compromis bun pentru obținerea FCA scăzut, o bună conductivitate electrică și o bună formare de contact cu straturile învecinate și o grosime de 75 nm TCO pentru proprietăți antireflex.
Simetria în procesarea celulei SHJ și utilizarea napolitelor (de tip n) cu o durată de viață foarte mare a purtătorului permite alegerea liberă a contactului (n sau p) orientat spre față. Poziția contactului p (joncțiune) are un impact asupra optimizării TCO frontale pentru obținerea atât a transparenței ridicate, cât și a rezistenței reduse a seriei Rsa celulei [24-27]. Pentru a demonstra acest lucru, Fig. 2 prezintă secțiuni transversale schematice ale celulelor solare SHJ bifaciale și monofaciale într-o configurație de joncțiune posterioară cu toate contribuțiile Rs indicate. O analiză detaliată a componentelor RS și a contribuțiilor acestora în celulele solare SHJ poate fi găsită în Basset și colab. [25] și Wang și colab. [28]. Conductivitatea ridicată, adică densitatea și mobilitatea, a electronilor din napolitena c-Si, împreună cu rezistența de contact foarte scăzută a contactului n / TCO, favorizează alegerea contactului n aflat în față („joncțiunea din spate”), întrucât transportul lateral de curent este susținut semnificativ de napolitană. Acest lucru relaxează cerința de conductivitate a TCO (rezistența foii), permițând astfel o optimizare către transparență maximă.
Pentru a ilustra efectul libertății menționate mai sus în proiectarea celulelor, Fig. 3 prezintă curbe R simulate împreună cu valori experimentale extrase din celulele solare, cu o variație a procesului ITO în funcție de rezistența plăcii TCO frontale. Valorile experimentale validează tendințele modelului [27]. După cum se poate vedea clar, designul joncțiunii spate oferă un avantaj pentru TCO-urile cu rezistență ridicată, beneficiind de suportul lateral în conducerea electronilor în placheta Si. Designul joncțiunii frontale, pe de altă parte, este mai favorabil pentru straturile de TCO cu rezistivitate redusă; acest design profită de contribuția transversală inferioară a Rs, deoarece electronii, având o mobilitate mai mare decât găurile, se deplasează spre partea din spate a napolitanului (cu fotogenerare care are loc în principal aproape de partea din față). Compensarea dintre contribuțiile Rs laterale și transversale va determina ce proiectare a celulelor solare este cea mai potrivită, în funcție de rezistența disponibilă a foii TCO.
R▫intervalele pentru diferite TCO raportate în literatură și așa cum sunt definite în Tabelul 1 sunt prezentate în Fig. 3 cu umbrirea culorilor corespunzătoare. TCO-uri cu R scăzut▫(roșu) sunt mai benefice atunci când sunt implementate într-un dispozitiv de joncțiune frontală, în timp ce TCO-urile cu gama medie R▫(albastru) se află într-o regiune de tranziție în care Rsdiferența dintre dispozitivele de joncțiune frontală și dispozitivele de joncțiune spate este destul de mică. În schimb, TCO-urile cu R mare▫(gri) sunt în mod clar avantajoase atunci când sunt implementate într-un proiect de joncțiune spate; acest lucru este favorabil pentru AZO, de exemplu, fiind foarte transparent, dar nu foarte conductiv, producând totuși aceeași eficiență a celulei SHJ> 23% ca celula de referință ITO [23]. La Helmholtz-Zentrum Berlin, celulele solare SHJ cu TCO frontală atât pe ITO, cât și pe AZO au obținut un CE certificat peste 23,5% [29].
O altă abordare care profită de suportul de transport lateral al oblelor, demonstrată de unele grupuri de cercetare [27,30] și în producția pilot [31], este implementarea TCO mai subțiri, care reduce absorbția parazită, menținând sau îmbunătățind astfel celula solară CE. Implementarea unui strat TCO mai subțire necesită totuși un al doilea strat deasupra - de exemplu, SiO2sau Si3N4- pentru a menține optim antireflexia (AR) [32-34].
Pentru a cuantifica cu exactitate performanța optică a diferitelor TCO atunci când sunt implementate în stiva de celule, adică determina pierderea specifică a densității de curent de scurtcircuit (Jsc), au fost efectuate simulări cu un instrument software de urmărire a razelor (GenPro4 [35]). Ținând cont de pierderile de putere legate de TCO în celulă, atât din cauza creșterii Rs, cât și a scăderii Jsc, au fost comparate diferite materiale TCO, așa cum se arată în Fig. 4. În acest scop, o celulă solară de referință cu CE=23,3 S-a luat în considerare%, fără pierderi legate de TCO în Jscși Rs(FF). IOH, ITO și AZO au fost studiate ca exemple de low-R▫, mijlocul R▫și ridicat-R▫respectiv regimuri.
Au fost studiate implementările atât pentru TCO standard de 75 nm grosime („groasă”), cât și pentru TCO subțire optimizat optic („subțire”). Pentru o comparație corectă (adică pentru a rămâne în optim AR în fiecare caz), toate celulele (cu TCO „groase” și „subțiri”) au fost finisate cu un a-SiO2strat de acoperire. Rezistențele de contact la interfețele TCO / Ag și TCO / Si s-au presupus a fi (scăzute și) egale pentru toate cele trei TCO-uri, ceea ce, desigur, este o simplificare. Acest lucru va fi discutat mai târziu și este prezentat în Haschke și colab. [36]. Mai multe detalii despre grosimea stratului optimizat și rezultatele simulării pot fi găsite în Cruz și colab. [27].
Graficele din Fig. 4 prezintă pierderea de putere legată de TCO datorită unei scăderi a Jsc și a unei creșteri a Rs, pentru dispozitivele de joncțiune spate (Fig. 4 (a)) și joncțiunea frontală (Fig. 4 (b)). În mod clar, IOH depășește celelalte două TCO-uri datorită proprietăților sale remarcabile opto-electronice în ambele cazuri. În Fig. 4 (a), care prezintă ITO și AZO groase, materialele își compensează pierderile de CE, deoarece conductivitatea AZO mai mică prezintă o absorbție parazitară mai mică decât ITO. Atunci când acest lucru este comparat cu versiunile mai subțiri ale TCO-urilor, se poate observa că pierderea CE scade ușor ca urmare a absorbției parazitare TCO reduse. ITO beneficiază în mod clar mai mult de această subțiere, datorită absorbției parazitare comparativ mai mari, ducând în cele din urmă la un CE puțin mai bun decât cu AZO. Acest lucru arată că TCO mai subțiri, cu o optică îmbunătățită, pot fi implementate într-o configurație de joncțiune posterioară și vor fi benefice în ceea ce privește CE.
În schimb, uitându-ne la proiectarea joncțiunii frontale din Fig. 4 (b), se poate observa că IOH cu conductivitate ridicată nu va suferi din cauza contribuției laterale inferioare de transport a napolitanului. Cu toate acestea, conductivitatea inferioară ITO și AZO cresc pierderile rezistive. Scăderea grosimii ITO nu duce la un avantaj CE, în timp ce în cazul AZO este în mod clar dezavantajos. Se poate concluziona că un TCO cu conductivitate ridicată, aici IOH în exemplu, poate fi implementat atât pe configurațiile de celule solare cu joncțiune din spate, cât și din față, fără diferențe majore în pierderile CE. TCO-urile cu conductivitate inferioară - cum ar fi ITO și AZO - vor suferi de R-urile laterale superioare prezente în configurația joncțiunii frontale. Subțierea TCO pe celulele solare cu joncțiune posterioară este avantajoasă dacă TCO depășește un anumit prag de absorbție, chiar și pentru un TCO cu conductivitate scăzută, aici AZO în exemplu. Într-un design de joncțiune frontală, subțierea va aduce doar beneficii mici sau poate fi chiar dezavantajoasă pentru TCO cu conductivitate mai mică, cum ar fi AZO.
Performanța TCO-urilor industriale cu mobilitate ridicată
Pentru a testa TCO-urile cu mobilitate ridicată pulverizate la o rată ridicată prin pulverizare de curent continuu de la ținte tubulare, așa cum se realizează în producția de masă pe scară largă, au fost utilizate diferite materiale pentru TCO-ul frontal în celulele solare SHJ bifaciale cu joncțiune posterioară. Au fost testate două tipuri de TCO de mare mobilitate, și anume oxid de indiu dopat cu titan (ITiO) și oxid de indiu cu un tip de dopaj nedivulgat („Y”). În plus, a fost testat ITO cu diferite concentrații de dopaj, și anume conținând 97% oxid de indiu și 3% oxid de staniu în țintă ('97 / 3 ') și ITO 99/1. Ca material de referință, ITO 97/3 a fost implementat pe partea din spate a tuturor celulelor. A fost inclus și un grup de celule cu ITO 95/5 pe ambele părți față și spate.
Straturile de testare corespunzătoare pe sticlă au dezvăluit rezistențe ale foii TCO în intervalul 36-136 Ω după depunere și recoacere timp de 30 de minute la 200 ° C în condiții ambientale, ceea ce este comparabil cu întărirea efectuată după serigrafie. Acesta este un domeniu adecvat pentru implementare ca contact frontal în celulele solare SHJ de joncțiune posterioară, așa cum s-a discutat anterior (vezi Fig. 3). Totuși, trebuie luat în considerare faptul că straturile TCO depuse pe sticlă pot prezenta proprietăți (mobilitate purtătoare) diferite de cele atunci când straturile sunt depuse pe siliciu, așa cum este necesar pentru celulele solare. Acest lucru a fost atribuit a două efecte [29]: (1) nucleație cristalină diferită și, prin urmare, structură de cereale; (2) conținut diferit de hidrogen care difuzează din stratul de siliciu în TCO.
Straturile ITiO și Y prezintă mobilități ridicate de până la 90cm2 / Vs, dar cu densități diferite ale purtătorului de încărcare, și anume 2 × 1020cm-3și ~ 0,8 × 1020cm-3respectiv. Pentru filmele ITO97 / 3 și ITO99 / 1, valori de mobilitate mai mici, de aproximativ 60 și 70 cm2/ Vs la densități purtătoare de încărcare de 2,7 × 1020 cm-3și 1,8 × 1020cm-3respectiv, au fost măsurate. Ca urmare a densității foarte mici a purtătorului de sarcină, filmele Y au prezentat cea mai mică absorbție parazitară în regiunea infraroșu apropiat (vezi Fig. 1), ceea ce face ca acest material să fie cel mai promițător pentru obținerea celui mai mare Jsc și, eventual, a cel mai mare CE în celulele solare.
I–Vparametrii fiecăruia dintre grupurile de testare sunt prezentați în Fig. 5. Toate celulele prezintă tensiuni comparabile în circuit deschis (Voc), cu mediane în intervalul îngust de 737–738 mV. Aceasta confirmă faptul că pasivarea nu s-a degradat din cauza diferitelor daune prin pulverizare. Așa cum era de așteptat, celulele solare cu TCO cu mobilitate ridicată au avut cel mai mare Jscvalori, cu mediane de 39,0 mA / cm2și 39,2 mA / cm2pentru ITiO și respectiv Y. Aceasta este de până la 0,5 mA / cm2mai mare decât cea realizată cu referința ITO97 / 3.
În ciuda înaltuluiJscsi bunVocvalori, totuși, celulele cu contact Y-front nu au produs cele mai mari eficiențe. Cel mai mare CE mediu de 22,9% a fost de fapt obținut pentru ITO99 / 1, în timp ce cea mai mare valoare CE de 23,3% a fost măsurată pentru o celulă cu ITiO. CE mai scăzută în cazul probelor Y rezultă din FF mediană inferioară de numai aproximativ 77%, care se datorează unei valori a Rs care este considerabil mai mare; de fapt, celulele cu un contact Y-frontal produc cele mai mari valori medii Rs de 1,3-1,6 Ω cm2. În schimb, valoarea Rs mediană este de 0,9 Ω cm2pentru celulele ITO99 / 1, rezultând o mediană semnificativ mai mareFFde 79,5%.
Tabelul 1. Comparația proprietăților electrice ale diferitelor TCO.
Figura 2. Vederi schematice în secțiune transversală a celulelor solare de heterojuncție de siliciu cu joncțiune posterioară (SHJ): (a) proiectarea celulelor bifaciale; (b) proiectarea celulei monofaciale, cu componentele rezistenței în serie (Rs) prezentate.
Figura 3. Rezistența seriei versus rezistența plăcii TCO frontale pentru celulele solare SHJ cu joncțiune frontală și posterioară. Curbele reprezintă rezultate simulate, în timp ce casetele indică rezultatele pentru celulele măsurate cu o variație ITO.
Importanța rezistenței scăzute la contact
Rezistența ridicată în serie a celulelor cu (densitate scăzută a purtătorului și) cu TCO cu mobilitate ridicată este de fapt un aspect care trebuie abordat. Mai exact, cele două componente principale ale Rsaici sunt rezistența la contact a TCO-urilor cu straturile de contact din siliciu dopate n și p, care au fost cercetate în detaliu în literatură [37-40]. În cazul celulelor solare bazate pe c-Si dopat n, rezistența la contact a TCO cu straturile de Si dopate n poate fi caracterizată prin diverse tehnici, relativ simple, precum Cox și Strack [41] sau transmisia -line [42] metode. În schimb, rezistența la contact a TCO cu stratul de Si dopat p (TCO / p), este mai dificil de accesat, deoarece se formează o joncțiune. Așa cum arată Basset și colab. [21] și Wang și colab. [24], de exemplu, o metodă simplă de extragere a valorii Rscomponenta este de a deriva toate componentele accesibile ale Rs, iar valoarea rămasă este apoi concluzionată a fi rezistența la contact TCO / p.
Rezistivitatea de contact ρcdepinde de alinierea detaliată a benzii și de îndoire a benzii, precum și de stările de defecte ale interfeței; prin urmare, mai mulți parametri sunt importanți, în special energia de activare a stratului de Si dopat și densitatea purtătorului de sarcină, dar și diferența de funcție de lucru între ambele materiale. Procel și colab. [38] a arătat că ρceste minimă atunci când straturile dopate prezintă valori scăzute ale energiei de activare, cum ar fi cele obținute cu straturi de siliciu nanocristalin în loc de straturi amorfe.
Mai mult, densitatea purtătorului de sarcină al TCO ar trebui să fie cu mult peste 1 × 1020cm-3; acest lucru este deosebit de important pentru contactul TCO / p, pentru care recombinarea eficientă a găurii și a electronilor la contact este esențială. În ceea ce privește selecția și optimizarea straturilor TCO, aceasta implică găsirea unui optim pentru ne, care trebuie să fie suficient de ridicat pentru a atinge ρ suficient de scăzutcvalorile, dar, în același timp, trebuie să fie cât mai scăzute pentru a limita absorbția parazitară (FCA).
Într-un experiment mai recent, a fost selectat un strat Y cu o densitate mai mare a purtătorului; Fig. 8 prezintă proprietățile disponibile prin reglarea procesului. Într-adevăr, pentru TCO adaptat, celula FF s-a recuperat, dar cu prețul unei mici scăderi a Jscdin cauza FCA suplimentar. În general, CE a crescut până la un nivel similar cu cel găsit pentru cele mai bune grupuri din Fig. 5, ceea ce demonstrează importanța unei reglări atente a proprietăților stratului și a interfeței.
Figura 4. Pierderea de putere legată de densitatea curentului (Ploss J) și pierderea de putere legată de rezistența în serie (Ploss R) pentru (a) joncțiunea posterioară și (b) celulele SHJ cu joncțiunea frontală. Valorile pierderii eficienței conversiei (CE) sunt indicate de liniile punctate; aceste pierderi sunt relative la o celulă solară de referință cu 23,3% CE, reprezentată de diamantul violet la (0,0). Simbolurile umplute reprezintă TCO grosime de 75 nm (standard), dar cu un strat anti-reflex (ARC) deasupra, în timp ce simbolurile deschise reprezintă straturi TCO mai subțiri (optimizate), de asemenea, cu un ARC.
Aspecte industriale: costuri țintă
Tipurile obișnuite de țintă TCO utilizate în industria PV din siliciu cristalin sunt ținte rotative, care sunt cochilii cilindrice din materialul TCO lipite pe un tub de susținere din metal. Cu cât tubul este mai lung, cu atât trebuie folosite mai multe cochilii pentru ținta tubului. Motivul pentru care industria preferă acest tip de țintă pentru pulverizarea TCO-urilor este rata de utilizare mult mai mare a materialului țintă TCO decât cea pentru tipurile plane de țintă TCO. Rata de utilizare a materialului țintă realizabilă cu o țintă rotativă este de obicei ≥80%; acest lucru prezintă un interes deosebit în cazul în care materialele TCO sunt scumpe, cum ar fi TCO pe bază de indiu. În ceea ce privește TCO-urile din industria PV din siliciu cristalin, TCO-urile pe bază de indiu sunt dominante datorită proprietăților excelente ale stratului (așa cum s-a arătat și mai devreme). Cu toate acestea, unii jucători de pe piață oferă, de asemenea, TCO-uri pe bază de zinc în același scop. Într-adevăr, există avantaje și dezavantaje pentru utilizarea TCO-urilor pe bază de zinc. Un avantaj este costul mai mic al unei ținte de tuburi pe bază de zinc cu dimensiuni identice cu cele ale unei ținte pe bază de indiu, în timp ce conductivitatea mai mică a zincului prezintă unele constrângeri în proiectarea celulelor solare, așa cum s-a discutat anterior și vizualizat în Fig.
Fig. 6 prezintă costul țintă specific pe cm3de ținte tubulare pentru TCO pe bază de zinc și TCO pe bază de indiu; rețineți că costul tubului suport este exclus din costul țintă. Punctele de date au fost colectate de la furnizorii țintă din întreaga lume. Numărul mai mic de puncte de date pentru TCO-uri pe bază de zinc poate fi atribuit lipsei de interes pentru materialul prezentat până acum de industria PV din siliciu cristalin.
O anumită împrăștiere în costul țintă există din cauza diferitelor materiale din grupul de zinc și din grupul indiu sau din cauza furnizorilor diferiți. Punctele de date care indică costuri țintă mai mari în ambele grupuri pot fi explicate prin compoziții mai puțin frecvente și / sau procese de fabricație costisitoare și / sau marje ridicate. Punctele de date cu costuri mai mici observate în ambele grupuri ar trebui să fie valori reprezentative ale costurilor pentru producătorii de celule solare, cu câteva sute de cereri anuale de ținte tubulare.
O comparație a celei mai mici valori din ambele grupuri relevă faptul că TCO-urile bazate pe Zn (costul țintă ~ 0,6 USD / cm3) poate fi în jur de un sfert din prețul TCO-urilor în bază (costul țintă ~ 2,6 USD / cm3). Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul că aceste puncte de date sunt un instantaneu al situației actuale și, în curând, vor deveni probabil învechite, în funcție de volatilitatea pieței bursiere în ceea ce privește materialul materie primă, în special indiul.
Figura 5. Parametrii I – V ai celulelor solare SHJ bifaciale de 4cm2 cu diverse TCO-uri frontale și ITO 97/3 pe partea din spate. ITO 95/5, DC împrăștiat dintr-o țintă a tubului la HZB, a fost inclus ca referință.
Aspecte industriale: producție în masă
Pe lângă dorința de a implementa TCO-uri fără indiu cu scopul de a îmbunătăți cheltuielile operaționale (OPEX), este în interesul cel mai bun să existe un instrument de producție de pulverizare de volum mare care poate produce un strat TCO de înaltă calitate la un cost redus. Fig. 7 prezintă sistemul de pulverizare XEA|nova L extrem de productiv de la VON ARDENNE, care poate depune straturi TCO la un debit de 8.000 de vafe M6 pe oră în versiunea de bază și la un debit și mai mare prin utilizarea pachetelor de upgrade. În cursul anului 2019, echipamentele XEA|nova au devenit parte a unei linii industriale de fabricație care a atins eficiența maximă a celulelor de peste 24% folosind filme TCO similare celor investigate aici.
Pentru a obține un randament ridicat, rata de depunere a straturilor de TCO trebuie să fie ridicată, ceea ce poate fi realizat prin aplicarea unei puteri DC mari la ținta tubului. Cu toate acestea, proprietățile TCO trebuie încă menținute atunci când TCO este preparat la densități de putere mai mari. Fig. 8 prezintă mobilitățile electronice și densitățile purtătorului de sarcină ale filmelor TCO, pulverizate la 4kW și 8kW de la ținte de tub ceramice de tip TCO „Y”. Mobilități mari de aproximativ 80 cm2/ Vs ar putea fi obținute la un nivel de putere de 4kW după depunere. O creștere a puterii de pulverizare la 8 kW reduce mobilitatea maximă cu maxim 10%. Este interesant faptul că mobilitățile ar putea fi mărite în continuare, până la 100 cm2/ Vs, prin recoacerea filmelor timp de 30 de minute la 200 ° C, așa cum se arată în Fig. 8.
Figura 6. Costul țintă specific pe cm3 de material țintă pentru TCO pe bază de indiu și pe bază de zinc.
Concluzii
Tehnologia celulelor solare SHJ s-a dovedit a fi un jucător important pe calea creșterii ponderii sale în producția pe scară largă. Acest lucru se datorează eficienței de conversie foarte mari realizate și procesului de producție slab.
În ceea ce privește rolul TCO-urilor, încă mai trebuie abordate trei aspecte pentru a spori perspectivele tehnologiei SHJ de a face incursiuni suplimentare în industria celulelor solare:
1. Îmbunătățiți în continuare performanța celulei.Acest lucru poate fi realizat prin implementarea TCO-urilor cu mobilitate ridicată, care sunt potrivite pentru producția în serie. S-a arătat că TCO-urile cu mobilitate ridicată pot fi pulverizate la randamente mari, iar aceste TCO-uri au fost testate în celule solare SHJ. Deși CE-ul unor astfel de celule SHJ este ridicat, rămâne în continuare în comparație cu celulele de referință cu cel mai bun TCO frontal ITO, în ciuda unei absorbții mai mici și a unei mobilități mai mari. contacte de siliciu dopate p. Reglarea fină a TCO și implementarea straturilor de contact și / sau optimizarea interfeței vor trebui abordate pentru a reduce în continuare pierderile rezistive la aceste interfețe și, astfel, pentru a profita din plin de avantajele proprietăților TCO superioare.
2. Reduceți utilizarea materialelor rare (și scumpe), în special a indiului.O opțiune atractivă pentru realizarea unei economii în costul materialului este reducerea grosimii TCO; acest lucru este și mai atractiv cu costuri ridicate de conductivitate (mobilitate ridicată) costisitoare. Cu toate acestea, este necesar un alt pas de proces pentru a depune un al doilea strat antireflexiv (capping) (ARC) deasupra TCO, pentru a reduce pierderile de reflexie. Alternativ, așa cum se arată în această lucrare, TCO-urile cu conductivitate mai mică (AZO în exemplul dat) pot fi implementate în celulele solare cu joncțiune posterioară fără a compromite CE. Acest lucru câștigă relevanță în ceea ce privește costurile: în analiza prezentată, obiectivele bazate pe ZnO demonstrează un cost mai mic la 0,6 USD / cm3pentru materialul țintă, comparativ cu 2,6 USD / cm3pentru obiectivele bazate pe. Stabilitatea limitată a AZO poate fi rezolvată, de exemplu, prin acoperirea acestuia cu un strat dielectric (a-SiO2sau a-SiNx).
3. Reduceți costurile echipamentelor PVD.Scalarea și creșterea capacității de producție a liniilor de producție TCO este calea de urmat, sputtering-ul de curent continuu fiind pregătit pentru producția de înaltă viteză a TCO-urilor de înaltă performanță.
Mulțumiri
Finanțarea din partea ministerului federal german pentru afaceri economice și energie (BMWi) în cadrul proiectului Dynasto sub nr. 0324293 este recunoscută cu recunoștință.
Figura 8. Proprietățile electrice ale straturilor de TCO împrăștiate la 4kW și 8kW de ținte din tuburi ceramice de tip TCO „Y”, în starea așa depozitată și după recoacere timp de 30 de minute la 200 ° C în condiții ambientale.
Mulțumiri
Finanțarea din partea ministerului federal german pentru afaceri economice și energie (BMWi) în cadrul proiectului Dynasto sub nr. 0324293 este recunoscută cu recunoștință.
Referințe
[1] Chunduri, SK& Schmela, M. 2019, „Heterojunction solar technology”, Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_EN_ download_version2.pdf].
[2] Ballif, C. și colab. 2019, „Rezolvarea tuturor blocajelor pentru tehnologia heterojuncției de siliciu”, Photovoltaics International, ediția a 42-a, p. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, „Proprietățile electrice și modelul defectelor straturilor de oxid de indiu dopate cu staniu”, Appl. Fizic. A, Vol. 27, nr. 4, pp. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, filmele In2O3 dopate „Evaporated Sn”: proprietăți optice de bază și aplicații la ferestrele eficiente din punct de vedere energetic ”, J. Appl. Phys., Vol. 60, nr. 11, pp. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. și colab. 2011, „Caracterizarea și optimizarea filmelor de oxid de staniu de indiu pentru celule solare heterojuncționale”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 95, nr. 8, pp. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, „Studii comparative ale In2O3 dopate Ti-, Zr- și Sn dopate conductive transparente utilizând o abordare combinatorie”, J. Appl. Phys., Vol. 101, nr. 6, p. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, „Filme subțiri conductive transparente cu mobilitate ridicată de oxid de indiu hidrogenat dopat cu ceriu”, Appl. Fizic. Expr., Vol. 8, nr. 1, p. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. și colab. 2014, „Mobilitate ridicată In2O3: H oxizi conductivi transparenți preparați prin depunerea stratului atomic și cristalizarea în fază solidă”, stare fizică solidă (RRL), Vol. 8, nr. 12, pp. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. și colab. 2019, „Proprietățile electrice îmbunătățite ale magnetronului DC pulsat au pulverizat oxid de indiu dopat cu hidrogen după recoacere în aer”, Mater. Știință. Semicon. Proc., Vol. 89, pp. 170-175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. și colab. 2016, „Film de oxid de indiu dopat cu tungsten: gata pentru metalizarea bifacială a cuprului celulei solare cu heterojuncție a siliciului”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 144, p. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF și colab. 2005, „Mobilitate ridicată de electroni, pelicule subțiri In2O3 dopate cu W prin depunere laser pulsată”, Appl. Fizic. Lett., Vol. 87, nr. 11, p. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, „Creșterea depunerii stratului atomic al filmelor In2O3 dopate cu zirconiu”, Thin Solid Films, Vol. 440, nr. 1, pp. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. și colab. 2018, „In2O3 dopat Zr foarte conductiv și transparent în bandă largă ca electrod frontal pentru celule solare”, IEEE J. Photovolt., Pp. 1-6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales ‐ Masis, M. și colab. 2017, „Electrozi transparenți pentru o optoelectronică eficientă”, Adv. Electron. Mater., Vol. 3, nr. 5, p. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, amplificator AE &; Guo, SY 2005, „Depunerea de filme conductoare transparente și semitransparente prin mediu reactiv, pulverizare cu catod gol”, J. Vac. Știință. Tehnologie. A, Vol. 23, nr. 4, pp. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM și colab. 2005, „Oxid de indiu dopat cu titan: un conductor transparent cu mobilitate ridicată”, aplic. Fizic. Lett., Vol. 87, nr. 3, p. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. și colab. 2001, „A new transparent conductive thin film In2O3: Mo”, Thin Solid Films, Vol. 394, nr. 1-2, pp. 218-222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. și colab., „Dezvoltarea magnetronului de radiofrecvență pulverizat oxid de indiu molibden”, J. Vac. Știință. Tehnologie. A, Vol. 21, nr. 4, pp. 1092-1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. și colab. 2004, „Filme subțiri In2O3 dopate cu Mo, cu conductivitate transparentă, cu mobilitate ridicată prin depunere laser pulsată”, J. Appl. Phys., Vol. 95, nr. 7, pp. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. și colab. 2010, „Îmbunătățirea transportului electric al oxidului de zinc dopat cu Al prin tratament termic”, J. Appl. Phys., Vol. 107, nr. 1, p. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. și colab. 2014, „Filme de oxid de zinc dopate la căldură umedă”, Thin Solid Films, Vol. 555, pp. 48-52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. și colab. 2011, „Stabilitatea la căldură umedă a filmelor de oxid de zinc dopat cu Al pe substraturi netede și aspre”, Thin Solid Films, Vol. 520, nr. 4, pp. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB și colab. 2018, „Celule solare heterojuncționale de siliciu fără ITO cu electrozi frontali ZnO: Al / SiO2 atingând o eficiență de conversie de 23%”, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, nr. 1, pp. 1-6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. și colab. 2014, „Celule solare ale emițătorului din spate cu heterojuncție de siliciu: mai puține restricții asupra proprietăților optoelectrice ale TCO-urilor din față”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 122, pp. 120-129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. și colab. 2018, „Defalcarea rezistenței în serie a celulelor solare cu heterojuncție de siliciu produse pe linia pilot CEA-INES”, Proc. 35th EU PVSEC, Bruxelles, Belgia, pp. 721-724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP și colab. 2015, „Analiza numerică tridimensională a celulelor solare cu plăcuță de siliciu cu heterojuncție hibridă cu contacte de punct spate heterojuncție”, AIP Adv., Vol. 5, nr. 7, p. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. și colab. 2019, „Efectul TCO-ului frontal asupra performanței celulelor solare de heterojuncție din siliciu cu joncțiune posterioară: perspective din simulări și experimente”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 195, pp. 339-345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. și colab. 2019, „O metodă simplă cu model analitic pentru extragerea componentelor de rezistență a seriei de celule solare heterojuncționale și pentru extragerea A-Si: H (i / p) la rezistivitatea transparentă de contact a oxidului conductiv”, AIP Conf. Proc., Vol. 2147, nr. 1, p. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. și colab. 2019, „Influența straturilor de siliciu asupra creșterii ITO și AZO în celulele solare cu heterojuncție de siliciu”, IEEE J. Photovolt., Pp. 1-7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, „Cursa pentru o eficiență ridicată în producție: De ce heterojuncția este acum pregătită pentru piață”, Proc. 36 PVSEC UE, Marsilia, Franța, pp. 1-20.
[31] Strahm, B. și colab. 2019, „Îmbunătățiri ale performanței„ HJT 2.0 ”și beneficii din punct de vedere al costurilor pentru producția de celule de heterojuncție de siliciu”, Proc. 36th EU PVSEC, Marseille, France, pp. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. și colab. 2013, „Proiectarea și fabricarea unui strat antireflexiv cu strat dublu SiOx / ITO pentru celule solare din siliciu heterojuncțional”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 117, p. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. și colab. 2014, „Celule solare cu heterojuncție de siliciu cu electrozi de rețea placate cu cupru: stare și comparație cu tehnicile de film gros de argint”, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 4, pp. 1055-1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY și colab. 2016, „ITO / SiOx: stive H pentru celule solare cu heterojuncție de siliciu”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 158, Partea 1, pp. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, „Manual for solar cell optic simulation software: GENPRO4”, Photovoltaic Materials and Devices, Delft University of Technology.
[36] Haschke, J. și colab. 2020, „Transport lateral în celule solare din siliciu”, J. Appl. Phys., Vol. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. și colab. 2012, „Îmbunătățirea contactului emițătorului spate a-Si: H (p) al celulelor solare de siliciu de tip n”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 106, pp. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. și colab. 2018, „Evaluarea teoretică a stivei de contact pentru celule solare IBC-SHJ de înaltă eficiență”, Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 186, pp. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. și colab. 2019, „Rezistivitatea la contact a heterocomandei TCO / a-Si: H / c-Si”, Proc. 36th EU PVSEC, Marseille, France, pp. 538-540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. și colab. 2019, „Influența oxizilor interfațiali la contactele cu film subțire TCO / Si dopat pe transportul încărcător al contactelor pasivante”, IEEE J. Photovolt., Pp. 1-8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, amplificator RH &; Strack, H. 1967, „Contacte ohmice pentru dispozitive GaAs”, Electron în stare solidă, Vol. 10, nr. 12, pp. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, „Modelarea analitică a celulelor solare din siliciu legate de industrie”, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 1, pp. 504-513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
