Izvor: vonardenne.biz
Prvobitno objavljeno u Photovoltaics International, izdanje 44, maj 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& pojačalo; Bernd Stannowski1
Sažetak
Tehnologija solarnih ćelija silicijumske heterojukcije (SHJ) atraktivna je tehnologija za veliku proizvodnju solarnih ćelija sa visokom efikasnošću konverzije većom od 24%. Jedan od ključnih elemenata SHJ solarnih ćelija, za razliku od današnje' široko rasprostranjene tehnologije pasiviziranih emitora i stražnjih kontakata (PERC), je upotreba prozirnog provodljivog oksida (TCO), koji predstavlja izazove u performansama i troškovima, ali takođe predstavlja mogućnosti. Ovaj rad raspravlja o ovim aspektima i pokazuje potencijal za poboljšanje ćelijske efikasnosti po smanjenim troškovima upotrebom novih TCO-a nanesenih raspršivanjem jednosmerne struje (DC). U slučaju SHJ ćelija stražnjeg spoja, moguće je smanjiti ili čak izbjeći upotrebu indijuma u takvim TCO-ima, pri čemu je cinkov oksid dopiran aluminijumom (AZO) jedna od mogućih zamjena za TCO na bazi indijum-oksida. Rezimirana je dostupnost TCO visokih performansi za masovnu masovnu proizvodnju, što će potaknuti prodor na tržište SHJ ćelija.
Primjer opreme za masovnu proizvodnju TCO: VON ARDENNE-ov XEA|nova L
Uvod
Silicijske solarne ćelije zasnovane na tehnologiji pasiviziranog emitora i zadnjeg kontakta (PERC) dostigle su nivo od nekoliko gigavata u masovnoj proizvodnji, sa efikasnošću konverzije (CE) od 22% i sada se približavaju 23%. Za još više CE, pasivizirani kontakti se smatraju sljedećom generacijom ćelijske tehnologije. Ovdje je tehnologija silicijumske heterojukcije (SHJ) perspektivan kandidat i utrkuje sa startnih vrata, s CE od 23–24% koji je već demonstriran na oblatnama pune veličine, ne samo na pilot linijama već i u velikoj proizvodnji [ 1]. Iako je Panasonic (nekadašnji Sanyo) bio pionir ove tehnologije, različiti igrači širom svijeta u međuvremenu su izgradili vlastite proizvodne linije, poput ENEL Green Energy i Hevel Solar u Europi, te REC, Jinergy, GS-Solar i razni drugi u Aziji. O glavnim blagodatima SHJ tehnologije govorili su u nedavnom članku Ballif i sur. [2]. Pored visokog CE, ključna prednost SHJ je i vitki slijed proizvodnje, sa samo četiri glavna koraka potrebna za simetričnu obradu obje strane:
1. Vlažno čišćenje i teksturiranje oblatni.
2. a-Si: taloženje H taloženjem hemijskim isparavanjem pojačanim plazmom (PECVD).
3. Taloženje prozirnih slojeva provodljivog oksida (TCO) fizičkim taloženjem parom (PVD, obično prskanjem).
4. Sitotisak srebrnih rešetki.
Zbog procesa s niskim temperaturama (& lt; 200 ° C) i simetričnog slaganja uređaja, savijanje i pucanje pločica izazvano stresom može se izbjeći, što znači da se mogu koristiti tanke oblatne, čime se štede troškovi materijala i energije. SHJ stog se prirodno javlja u dvofaznom dizajnu ćelija; štaviše, SHJ ćelije imaju najniži temperaturni koeficijent na terenu, obično –0,28% / ° C. Kombinacija dvofaznosti i koeficijenta niske temperature povećava prinos energije PV sistema.
S druge strane, neki od čimbenika koji ograničavaju brzi porast primjene SHJ tehnologije su relativno visoki troškovi opreme, uglavnom za PECVD (ali i za PVD), te prilagođeni kontakt ćelija za proizvodnju modula (nema standardne visoke temperature lemljenje). Potrebno je više Ag paste nego za standardne Si ćelije, zbog stvrdnjavanja na niskim temperaturama, što daje manju provodljivost prstiju; to, međutim, ovisi o pristupu međusobnog povezivanja, posebno o tome koriste li se sabirnice ili ne. Konačno, i o kojima ćemo detaljnije raspravljati u ovom radu, potrebni su ciljevi za prskanje slojeva TCO s obje strane, što je skupo za materijale koji se obično koriste.
Indij-oksid (In2O3) dopingovan kositrom (Sn), koji se naziva ITO, trenutno je najčešće korišteni TCO [3–5]. Ovaj prozirni provodni oksid dobro je poznat iz masovne proizvodnje ravnih zaslona (FPD) i pokazuje prikladna opto-elektronička svojstva, poput male otpornosti tankih slojeva i dovoljne prozirnosti u vidljivom opsegu. Važno razmatranje za proizvodnju FPD-a, ITO se može obraditi fotolitografijom, jer je jetljiv (u taloženom stanju) i dugoročno stabilan nakon kristalizacije u čvrstoj fazi nakon termičkog žarenja na 150–200 ° C. Generalno, ITO se taloži magnetskim raspršivanjem istosmjerne struje (DC) na velike površine. Iako jednosmjerno prskanje u početku uzrokuje određena oštećenja pasivizacije silikonske površine, ono se potpuno žari na temperaturama od oko 200 ° C, koje se postižu ili tijekom prskanja ili kasnije tokom stvrdnjavanja Ag paste nakon sitotiska.
Za razliku od FPD-ova, TCO mora ispuniti dodatne zahtjeve kada se primijeni na prednju stranu SHJ ćelija, naime izvrsnu prozirnost u širem rasponu talasnih dužina 300–1,100 nm. Slika 1 prikazuje spektre apsorpcije različitih slojeva TCO, pokazujući razlike u parazitskoj apsorpciji u režimima kratkih i dugih talasa. Pored ove niske apsorpcije, za TCO slojeve s obje strane obvezni su mali otpori na dodir s slojevima silicija kao što su dopirani n i p, kao i s metalnom rešetkom. I na kraju, ali ne najmanje važno, ograničenja troškova solarnih ćelija izuzetno su stroga i, za predviđanje PV-a na teravatnoj skali, neophodno je smanjiti (ili još bolje izbjeći) upotrebu kritičnih ili oskudnih materijala, poput indijuma ( In). Međutim, potonji aspekt je još uvijek teško adresirati, jer većina TCO-a kvaliteta uređaja sadrži indijum. Jedna od mogućnosti je smanjenje debljine takvih TCO, što zatim zahtijeva nanošenje drugog sloja kako bi se održale idealne optičke (antirefleksne) performanse. To, pak, povećava broj koraka procesa, a time i složenost procesa i troškove.
Ovaj rad se bavi optimizacijom TCO za ugradnju u SHJ solarne ćelije. Prikazana je metrika za procjenu i usporedbu različitih TCO s obzirom na njihovu pogodnost za primjenu u SHJ ćelijama. Da bi se smanjio optički gubitak u prednjem TCO, upotreba materijala s velikom prozirnošću je obavezna. Visoka pokretljivost nosača naboja, obično> 100 cm2/ Vs, omogućava smanjenje gustine nosača (pri konstantnom otporu), smanjujući tako optički gubitak uslijed apsorpcije slobodnog nosača (FCA).
U prošlosti su ispitivani različiti TCO materijali sa velikom pokretljivošću na bazi indijum oksida sa različitim dozama [6–13]. Svi ovi pokazuju izvrsna svojstva kao TCO slojevi na staklu, a većina njih ima i visoku CE. Ciljna proizvodnja je, međutim, teška i troškovi su visoki za mnoge od ovih materijala.
Sada su dostupni novi TCO-i koji se mogu obraditi u velikoj proizvodnji iz rotiranih ciljeva, što daje visoku pokretljivost i proizvodi SHJ ćelije sa visokim CE. O okolnostima pod kojima se AZO kao bezindijska i jeftina alternativa može primijeniti u visokoefikasnim SHJ ćelijama bit će riječi kasnije. Također će biti predstavljena usporedba troškova In-based i ZnO-based ciljeva.
Slika 1. Optički spektri apsorpcije za različite tipove TCO sloja debljine
TCO za solarne ćelije SHJ
U prošlosti je ispitivano nekoliko TCO materijala za upotrebu u SHJ solarnim ćelijama. Važni zahtjevi za ovu izvedbu su visoka provodljivost i velika prozirnost, s temperaturama obrade ispod 200 ° C (zbog osjetljivosti tankoslojnih slojeva pasivizacije silicija), kao i dobro stvaranje kontakata sa susjednim slojevima [14].
Među nekim od relevantnih TCO, polikristalni In-donirani Sn2O3(ITO) uzgaja se na temperaturama ispod 200 ° C, što doseže pokretljivost elektrona (μe) oko 40 cm2/ Vs [3-5], pronašao je široku primjenu u SHJ solarnim ćelijama. TCO bazirani na drugim lekovima, kao što su titan (Ti) [15,16], cirkonij (Zr) [6,12,13], molibden (Mo) [15,17–19] i volfram (W) [ 10,11], prinos μe veći od 80 cm2/ Vs pri gustini nosača naboja (ne) u rasponu od 1 × 1020 do 3 × 1020 cm-3.
Ti se slojevi mogu taložiti magnetronskim raspršivanjem, impulsnim laserskim taloženjem (PLD) i jonskim platiranjem istosmjernim lučnim pražnjenjem ili reaktivnim taloženjem u plazmi (RPD). Među njima je prskanje najutvrđenija metoda za masovnu proizvodnju. Još veća pokretljivost od μe> 100 cm2/ Vs mogu se postići za kruto kristalizirani (SPC) vodonik (H) dopiran In2O3(IOH) [6–9] i cerijum (Ce) ICeO: H [7] filmovi sa 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Ti se filmovi talože na niskim temperaturama u amorfnoj matrici i potom žare na temperaturama iznad 150 ° C, što rezultira visokim μe vrijednostima zbog stvaranja velikih zrna.
Gore predstavljeni TCO atraktivni su zbog svojih izvanrednih opto-električnih performansi, ali do danas su uglavnom ITO i IWO: H pronašli svoj put u industrijskoj proizvodnji. Nedostatak indijuma, međutim, motivacija je za primjenu alternativnih TCO. AZO nudi prednost u obilju kompozitnih materijala. AZO slojevi debljine nekoliko stotina nanometara, raspršeni na povišenim temperaturama> 250 ° C, daju dobra opto-elektronička svojstva [20], a takođe i stabilnost [21].
Tanki slojevi debljine manje od 100 nm naneseni na temperaturama ispod 200 ° C, kako je potrebno za SHJ ćelije, za razliku od njih pokazuju lošu kristalnu strukturu, što rezultira niskim vrijednostima pokretljivosti oko 20 cm2 / Vs i lošom dugotrajnom stabilnošću [22]. Međutim, poboljšana stabilnost solarnih ćelija SHJ pokazala se primjenom amorfnog silicijevog oksida (a-SiO2) capping [23].
Kao što pokazuje μedobijene vrijednosti, a ovisno o uvjetima obrade, različiti TCO pokazuju širok raspon pokretljivosti elektrona. Otpor TCO lima (R▫) rasponi se mogu klasificirati kao što je prikazano u Tabeli 1. Ovdje je raspon koncentracije nosača 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3smatra se: ovo predstavlja dobar kompromis za postizanje niskog FCA, dobru električnu provodljivost i dobro stvaranje kontakata sa susjednim slojevima, te 75 nm debljine TCO za antirefleksna svojstva.
Simetrija u obradi SHJ ćelija i upotreba oblatni (n-tipa) s vrlo dugim vijekom trajanja omogućava slobodan izbor kontakta (n ili p) okrenut prema prednjoj strani. Položaj p kontakta (spoja) utječe na optimizaciju prednjeg TCO za postizanje visoke prozirnosti i male serijske otpornosti Rsćelije [24–27]. Da bi se to demonstriralo, slika 2 prikazuje shematski presjek dvofaznih i monofacijalnih SHJ solarnih ćelija u konfiguraciji stražnjeg spoja sa svim naznačenim Rs doprinosima. Detaljnu analizu komponenata RS i njihovog doprinosa u SHJ solarnim ćelijama možete pronaći u Basset i sur. [25] i Wang i sur. [28]. Velika provodljivost, tj. Gustoća i pokretljivost elektrona u c-Si pločici, zajedno s vrlo malim kontaktnim otporom n / TCO kontakta, favorizira odabir n kontakta s prednje strane ('stražnji spoj'), jer bočni strujni transport značajno podržava oblatna. Ovo opušta zahtjev za provodljivošću TCO (otpor lima), omogućavajući tako optimizaciju prema najvećoj transparentnosti.
Da bi se ilustrirao učinak gore spomenute slobode u dizajnu ćelija, slika 3 predstavlja simulirane Rs krivulje zajedno s eksperimentalnim vrijednostima ekstrahiranim iz solarnih ćelija, s varijacijom ITO procesa u funkciji otpora prednjeg TCO lista. Eksperimentalne vrijednosti potvrđuju trendove modela [27]. Kao što se jasno može vidjeti, dizajn stražnjeg spoja nudi prednost za visokootporne TCO-ove tako što koristi bočnu potporu u provodljivosti elektrona u Si pločici. S druge strane, dizajn prednjeg spoja povoljniji je za slojeve TCO s malim otporom; ovaj dizajn iskorištava niži doprinos transverzalnih Rs, jer elektroni, koji imaju veću pokretljivost od rupa, putuju prema stražnjem dijelu pločice (s fotogeneracijom koja se uglavnom javlja blizu prednje strane). Kompromis između bočnog i poprečnog Rs doprinosa odredit će koji je dizajn solarnih ćelija najprikladniji, ovisno o raspoloživom otporu TCO listova.
The R▫rasponi za različite TCO prijavljene u literaturi i kako su definirani u Tabeli 1 prikazani su na slici 3 sa odgovarajućim nijansama u boji. TCO sa niskim R▫(crvene) su korisnije kada se implementiraju u uređaj sa prednjim spojem, dok su TCO sa srednjim rasponom R▫(plave) nalaze se u prijelaznom području gdje je Rsrazlika između prednjeg i stražnjeg spoja je prilično mala. Suprotno tome, TCO sa visokim R▫(sive) su očigledno korisne kada su ugrađene u dizajn stražnjeg spoja; ovo je povoljno za AZO, na primjer, s obzirom na to da je visoko prozirno, ali ne i vrlo provodljivo, a opet proizvodi istu učinkovitost SHJ ćelije> 23% kao referentna ćelija ITO [23]. U Helmholtz-Zentrum Berlinu, SHJ solarne ćelije sa prednjim TCO na bazi ITO i AZO postigle su certificirani CE iznad 23,5% [29].
Sljedeći pristup koji koristi prednost bočnog transporta oblatne, koji su pokazale neke istraživačke grupe [27,30] i u pilot proizvodnji [31], jest primjena tanjih TCO-a, koji smanjuju parazitsku apsorpciju, čime se održava ili poboljšava CE solarnih ćelija. Implementacija tanjeg sloja TCO, međutim, zahtijeva drugi sloj na vrhu - na primjer, SiO2ili Si3N4- da bi se održao optimum antirefleksije (AR) [32–34].
Da bi se precizno kvantificirale optičke performanse različitih TCO kada se implementiraju u stanični skup, tj. Utvrdio specifični gubitak u gustoći struje kratkog spoja (Jsc), izvršene su simulacije pomoću softverskog alata za traženje zraka (GenPro4 [35]). Uzimajući u obzir gubitak snage povezan sa TCO u ćeliji zbog povećanja Rs i smanjenja Jsc, različiti TCO materijali su referentni, kao što je prikazano na slici 4. U tu svrhu, referentna solarna ćelija sa CE=23,3 %, bez gubitaka povezanih s TCO u Jsci Rs(FF). IOH, ITO i AZO su proučavani kao primjeri niskog nivoa R▫, sredina R▫i visoki R▫režima.
Proučavane su primjene standardnih TCO debelih 75 nm i „optički optimizovanih tanjih“. Radi poštene usporedbe (tj. Da bi u svakom slučaju ostali u AR optimalnom), sve ćelije (s 'debelim' i 'tankim' TCO) završene su a-SiO2poklopni sloj. Pretpostavljeno je da su kontaktne otpornosti na sučeljima TCO / Ag i TCO / Si jednake (niske i) jednake za sva tri TCO-a, što je, naravno, pojednostavljenje. O tome će biti riječi kasnije, a prikazat će ga Haschke et al. [36]. Daljnji detalji optimizirane debljine sloja i rezultati simulacije mogu se naći u Cruz i sur. [27].
Grafikoni na slici 4 prikazuju gubitak snage povezan sa TCO uslijed smanjenja Jsc i povećanja Rs, za uređaje sa stražnjim spojem (slika 4 (a)) i prednjim spojem (slika 4 (b)). Jasno je da IOH nadmašuje druga dva TCO-a zbog svojih izvanrednih opto-elektroničkih svojstava u oba slučaja. Na slici 4 (a), prikazujući guste ITO i AZO, materijali nadoknađuju svoje CE gubitke, jer niža provodljivost AZO pokazuje manju apsorpciju parazita od ITO. Kada se ovo uporedi s tanjim verzijama TCO, može se primijetiti da se gubitak CE lagano smanjuje kao rezultat smanjene parazitske apsorpcije TCO. ITO očito ima više koristi od ovog prorjeđivanja zbog njegove usporedno veće apsorpcije parazita, što u konačnici dovodi do malo boljeg CE nego kod AZO. To pokazuje da se tanji TCO-ovi s poboljšanom optikom mogu implementirati u konfiguraciji stražnjeg spoja i bit će korisni u smislu CE.
Suprotno tome, gledajući dizajn prednjeg spoja na slici 4 (b), može se vidjeti da IOH visoke provodljivosti neće patiti od nižeg bočnog transportnog doprinosa oblatne. Međutim, niži vodljivi ITO i AZO povećavaju otporne gubitke. Smanjivanje debljine ITO ne dovodi do CE prednosti, dok je u slučaju AZO očito nepovoljno. Može se zaključiti da se TCO visoke provodljivosti, ovdje IOH u primjeru, može primijeniti na konfiguracijama solarnih ćelija sa stražnjim i prednjim spojem bez većih razlika u gubicima CE. TCO niže provodljivosti - kao što su ITO i AZO - patiće od viših bočnih R-a prisutnih u konfiguraciji prednjeg spoja. Razrjeđivanje TCO na solarnim ćelijama sa povratnim spojem je povoljno ako TCO premaši određeni prag apsorpcije, čak i za TCO s niskom provodnošću, ovdje AZO u primjeru. U izvedbi prednjeg spoja, stanjivanje će donijeti samo male koristi, ili čak može biti nepovoljno za TCO s manjom provodljivošću, kao što je AZO.
Učinak industrijskih TCO-a visoke pokretljivosti
Kako bi se testirali TCO-i velike pokretljivosti, raspršeni velikom brzinom istosmjernim raspršivanjem iz cijevnih ciljeva, kao što se izvodi u masovnoj masovnoj proizvodnji, korišteni su različiti materijali za prednji TCO u dvofaznim solarnim ćelijama SHJ sa stražnjim spojem. Testirane su dvije vrste visoko pokretljivih TCO, a to su indij-oksid (ITiO) dopiran od titana i indijum-oksid sa neotkrivenim tipom dopinga ('Y'). Pored toga, testiran je ITO s različitim koncentracijama dopinga, koji sadrži 97% indijum oksida i 3% kalaj oksida u cilju ('97 / 3 ') i ITO 99/1. Kao referentni materijal, ITO 97/3 je implementiran na stražnjoj strani svih ćelija. Uključena je i grupa ćelija s ITO 95/5 na prednjoj i stražnjoj strani.
Odgovarajući ispitni slojevi na staklu otkrili su otpore TCO listova u opsegu 36–136 Ω nakon taloženja i žarenja tokom 30 minuta na 200 ° C u ambijentalnim uslovima, što je uporedivo sa očvršćavanjem provedenim nakon sitotiska. Ovo je pogodan opseg za primenu kao prednji kontakt u solarnim ćelijama SHJ sa stražnjim spojem, kao što je prethodno rečeno (vidi sliku 3). Međutim, mora se uzeti u obzir da TCO slojevi naneseni na staklo mogu pokazivati svojstva (pokretljivost nosača) različita od onih kada se slojevi talože na silicijumu, kako je potrebno za solarne ćelije. To se pripisuje dvama efektima [29]: (1) različitoj nukleaciji kristala i, prema tome, strukturi zrna; (2) različiti sadržaji vodonika koji se iz sloja silicijuma difundira u TCO.
Slojevi ITiO i Y pokazuju visoku pokretljivost do 90 cm2 / Vs, ali sa različitim gustoćama nosača naboja, naime 2 × 1020cm-3i ~ 0,8 × 1020cm-3respektivno. Za filmove ITO97 / 3 i ITO99 / 1, niže vrijednosti pokretljivosti, od oko 60 i 70 cm2/ Vs pri gustinama nosača naboja od 2,7 × 1020 cm-3i 1,8 × 1020cm-3odnosno izmjereni su. Kao rezultat vrlo niske gustine nosača naboja, Y filmovi su pokazali najmanju parazitsku apsorpciju u blizini infracrvenog područja (vidi sliku 1), što ovaj materijal čini najperspektivnijim za postizanje najvišeg Jsc i, možda, najviši CE u solarnim ćelijama.
TheI–Vparametri svake od test grupa prikazani su na slici 5. Sve ćelije pokazuju uporedive napone otvorenog kruga (Voc), s medijanama u uskom rasponu od 737–738 mV. Ovo potvrđuje da se pasivizacija nije smanjila zbog različitih oštećenja prskanja. Kao što se očekivalo, solarne ćelije sa visokim TCO-ima visoke pokretljivosti dale su najveći Jscvrijednosti, sa medijanom od 39,0 mA / cm2i 39,2 mA / cm2za ITiO odnosno Y. To je do 0,5 mA / cm2veći od postignutog uz referencu ITO97 / 3.
Uprkos visokojJsci dobroVocvrijednosti, međutim, ćelije s Y-prednjim kontaktom nisu dale najveću efikasnost. Najveća srednja vrijednost CE od 22,9% zapravo je dobivena za ITO99 / 1, dok je najveća vrijednost CE od 23,3% izmjerena za ćeliju s ITiO. Niži CE u slučaju uzoraka Y rezultat je nižeg medijana FF od samo oko 77%, što je zbog vrijednosti Rs koja je znatno veća; u stvari, ćelije s Y-prednjim kontaktom daju najveće srednje vrijednosti Rs od 1,3–1,6 Ω cm2. Suprotno tome, medijan Rs vrijednosti je 0,9 Ω cm2za ćelije ITO99 / 1, što rezultira značajno većom medijanomFFod 79,5%.
Tabela 1. Usporedba električnih svojstava različitih TCO.
Slika 2. Shematski prikaz poprečnog presjeka solarnih ćelija silicijumskog heterojunkcijskog (SHJ) zadnjeg spoja: (a) dvofazni dizajn ćelija; (b) monofacijalni dizajn ćelija, sa prikazanim komponentama serijske rezistencije (Rs).
Slika 3. Serijski otpor u odnosu na otpor prednjeg TCO lista za prednje i stražnje spojeve solarnih ćelija SHJ. Krive predstavljaju simulirane rezultate, dok okviri označavaju rezultate za izmjerene ćelije s ITO varijacijom.
Važnost niskog otpora na kontaktima
Visoka serijska rezistencija ćelija sa (niskom gustinom nosača i) visokom pokretljivošću TCO je zapravo aspekt s kojim se treba pozabaviti. Tačnije, dvije glavne komponente Rsovdje su kontaktni otpori TCO-a sa slojevima kontaktnih slojeva dopiranih sa n- i p-om, koji su detaljno istraženi u literaturi [37-40]. U slučaju solarnih ćelija na bazi c-Si dopiranih n, kontaktni otpor TCO sa slojevima Si dopiranim n može se okarakterizirati raznim, relativno jednostavnim tehnikama, poput Coxa i Stracka [41] ili prijenosa -line [42] metode. Suprotno tome, kontaktni otpor TCO-a sa p-dopiranim slojem Si (TCO / p) teže je pristupiti jer je stvoren spoj. Kao što pokazuju Basset i dr. [21] i Wang i sur. [24], na primjer, jednostavna metoda za izdvajanje vrijednosti Rskomponenta je izvesti sve dostupne komponente Rs, a preostala vrijednost se zatim zaključuje kao TCO / p kontaktni otpor.
Otpornost kontakta ρcovisi o detaljnom poravnavanju opsega i savijanju opsega, kao i o stanjima kvarova na sučelju; stoga je nekoliko parametara važno, posebno energija aktiviranja dopiranog Si sloja i gustoća nosača naboja, ali i razlika u radnoj funkciji između oba materijala. Procel i dr. [38] pokazao je da je ρcje minimalan kada dopirani slojevi pokazuju niske vrijednosti energije aktivacije, poput onih dobivenih sa slojevima nanokristalnog silicija umjesto amorfnih slojeva.
Štoviše, gustina nosača punjenja TCO trebala bi biti znatno iznad 1 × 1020cm-3; ovo je posebno važno za TCO / p kontakt, za koji je bitna efikasna rekombinacija rupe i elektrona na kontaktu. Što se tiče izbora i optimizacije TCO slojeva, ovo podrazumijeva pronalaženje optimalnog za ne, koji mora biti dovoljno visok da se postigne dovoljno nizak ρcvrijednosti, ali, istovremeno, moraju biti što niže kako bi se ograničila parazitska apsorpcija (FCA).
U novijem eksperimentu odabran je Y sloj s većom gustinom nosača; Slika 8 prikazuje svojstva dostupna podešavanjem procesa. Zapravo, za adaptirani TCO, ćelijski FF se oporavio, ali po cijenu malog smanjenja Jsczbog dodatnog FCA. Sve u svemu, CE se i dalje povećavao na sličan nivo kao onaj za najbolje grupe na slici 5, što pokazuje važnost pažljivog podešavanja svojstava sloja i interfejsa.
Slika 4. Gubitak snage povezan sa gustinom struje (Ploss J) i gubitak snage povezan sa serijskim otporom (Ploss R) za (a) stražnji spoj i (b) SHJ ćelije prednjeg spoja. Vrijednosti gubitaka konverzijske efikasnosti (CE) označene su isprekidanim linijama; ti su gubici u odnosu na referentnu solarnu ćeliju sa 23,3% CE, predstavljenu ljubičastim dijamantom na (0,0). Ispunjeni simboli predstavljaju TCO debele 75nm (standardno), ali sa antirefleksnim premazom (ARC) na vrhu, dok otvoreni simboli predstavljaju tanji (optimizovani) TCO slojevi, takođe sa ARC-om.
Industrijski aspekti: ciljni troškovi
Uobičajeni tipovi TCO meta koji se koriste u PV industriji kristalnog silicija su rotirajuće mete, koje su cilindrične ljuske od TCO materijala povezane na potpornu cijev izrađenu od metala. Što je duža cijev, to se više meta mora koristiti za ciljanje cijevi. Razlog zašto industrija preferira ovu vrstu meta za raspršivanje TCO-a je mnogo veća stopa iskorišćenja ciljnog materijala TCO-a od one za ravni tip TCO-meta. Stepen iskorišćenja ciljnog materijala koji se može postići rotiranom metom je obično ≥80%; ovo je posebno zanimljivo u slučaju kada su TCO materijali skupi, poput TCO na bazi indijuma. Što se tiče TCO u PV industriji kristalnog silicija, TCO na bazi indijuma su dominantni zbog svojih izvrsnih svojstava slojeva (kao što je i ranije pokazano). Ipak, neki tržišni igrači u istu svrhu nude i TCO na bazi cinka. Zaista, postoje prednosti i nedostaci za upotrebu TCO na bazi cinka. Jedna od prednosti je niži trošak ciljne cijevi na bazi cinka, dimenzija identičnih dimenzijama ciljane na osnovi indijuma, dok niža vodljivost cinka predstavlja neka ograničenja u dizajnu solarnih ćelija, kao što je prethodno objašnjeno i prikazano na slici 3.
Slika 6 prikazuje specifične ciljne troškove po cm3cijevnih ciljeva za TCO na bazi cinka i TCO na bazi indijuma; imajte na umu da je cijena potporne cijevi isključena iz ciljanog troška. Podaci su prikupljeni od ciljnih dobavljača širom svijeta. Manji broj podataka za TCO na bazi cinka može se pripisati nedostatku interesa za taj materijal koji je do sada pokazala industrija kristalnog silicijuma.
Neko rasipanje u ciljanim troškovima postoji zbog različitih materijala unutar grupe cinka i unutar grupe indija, ili zbog različitih dobavljača. Podaci koji označavaju veći ciljni trošak u obje skupine mogu se objasniti rjeđim sastavima i / ili skupim proizvodnim procesima i / ili visokim maržama. Tačke podataka s nižim troškovima uočene u obje skupine trebale bi biti reprezentativne vrijednosti troškova za proizvođače solarnih ćelija sa nekoliko stotina godišnjih ciljnih potreba.
Usporedba najniže vrijednosti u obje grupe otkriva da su TCO na bazi Zn (ciljni trošak ~ 0,6 USD / cm3) može biti oko četvrtine cijene TCO-a sa sjedištem (ciljni trošak ~ 2,6 USD / cm)3). Treba, međutim, naglasiti da su ove točke podataka trenutna situacija i da će uskoro vjerojatno zastarjeti, ovisno o volatilnosti berze s obzirom na sirovine, posebno indij.
Slika 5. I – V parametri bifacijalnih SHJ solarnih ćelija veličine 4 cm2 s raznim prednjim TCO i ITO 97/3 na stražnjoj strani. Kao referenca uključen je ITO 95/5, istosmjerno istrošen iz cijevnog cilja na HZB-u.
Industrijski aspekti: masovna proizvodnja
Pored želje da se implementiraju TCO bez indija s ciljem poboljšanja operativnih troškova (OPEX), u najboljem je interesu imati alat za prskanje velikog obima koji može proizvesti visokokvalitetni TCO premaz po niskim troškovima. Na slici 7 prikazan je visokoproduktivan sistem za nanošenje XEA|nova L kompanije VON ARDENNE, koji u osnovnoj verziji može nanositi TCO slojeve s protokom od 8.000 oblatnica M6 na sat, a sa još većim protokom pomoću paketa za nadogradnju. Tokom 2019. godine oprema XEA|nova postala je dio industrijske proizvodne linije dostigavši najveću efikasnost ćelija iznad 24% koristeći TCO filmove slične onima koji su ovdje istraženi.
Da bi se postigla velika propusnost, brzina taloženja TCO slojeva mora biti velika, što se može ostvariti primjenom velike istosmjerne snage na cijevnu metu. Međutim, svojstva TCO i dalje se moraju održavati kada se TCO priprema na većim gustinama snage. Slika 8 prikazuje elektronsku pokretljivost i gustinu nosača naboja TCO filmova, raspršenih na 4kW i 8kW iz keramičkih cijevnih meta TCO tipa 'Y'. Velike pokretljivosti od oko 80 cm2/ Vs se mogu postići na nivou snage od 4kW nakon taloženja. Povećanje snage prskanja na 8 kW smanjuje maksimalnu pokretljivost za najviše 10%. Zanimljivo je da bi se pokretljivosti mogle dodatno povećati, do 100 cm2/ Vs, žarenjem filmova 30 minuta na 200 ° C, kao što je prikazano na slici 8.
Slika 6. Specifični ciljni trošak po cm3 ciljnog materijala za TCO na bazi indijuma i cinka.
Zaključci
SHJ tehnologija solarnih ćelija pokazala se važnim igračem na putu povećanja svog udjela u velikoj proizvodnji. To je zbog vrlo visoke postignute efikasnosti konverzije i vitkog proizvodnog procesa.
Što se tiče uloge TCO-a, još uvijek treba riješiti tri aspekta kako bi se povećale šanse SHJ tehnologije za dodatno prodiranje u industriju solarnih ćelija:
1. Dalje poboljšati performanse ćelija.To se može postići primjenom visoko pokretljivih TCO-a koji su pogodni za masovnu proizvodnju. Pokazano je da se TCO velike pokretljivosti mogu prskati velikim protokom, a ovi TCO testirani su u solarnim ćelijama SHJ. Iako je CE takvih SHJ ćelija visok, on i dalje zaostaje za referentnim ćelijama s najboljim ITO prednjim TCO, usprkos manjoj apsorpciji i većoj pokretljivosti. To se pripisuje povećanom kontaktnom otporu TCO s n- i / ili p-dopirani silicijski kontakti. Trebaće se pozabaviti finim podešavanjem TCO-a i implementacijom kontaktnih slojeva i / ili optimizacijom interfejsa kako bi se dalje smanjili otporni gubici na tim interfejsima i, tako, iskoristile sve prednosti superiornih TCO svojstava.
2. Smanjite upotrebu oskudnih (i skupih) materijala, posebno indijuma.Atraktivna opcija za postizanje uštede u trošku materijala je smanjenje debljine TCO; ovo je još atraktivnije sa skupim visokoprovodljivim TCO-ima. Međutim, potreban je još jedan procesni postupak za nanošenje drugog, antirefleksnog (pokrivajućeg) sloja (ARC) na vrh TCO kako bi se smanjili gubici pri refleksiji. Alternativno, kao što je prikazano u ovom radu, TCO niže provodljivosti (AZO u datom primjeru) mogu se implementirati u solarne ćelije sa zadnjim spojem bez ugrožavanja CE. Ovo dobiva na značaju kada je u pitanju trošak: u prikazanoj analizi, ciljevi zasnovani na ZnO pokazuju niži trošak od 0,6 USD / cm3za ciljani materijal, u poređenju sa 2,6 USD / cm3za ciljane ciljeve. Ograničena stabilnost AZO može se riješiti, na primjer, prekrivanjem dielektričnim slojem (a-SiO2ili a-SiNx).
3. Smanjite troškove PVD opreme.Način na koji treba ići skaliranje i povećanje propusnosti linija za proizvodnju TCO, s tim što je jednosmjerno prskanje spremno za proizvodnju TCO visokih performansi s velikom propusnošću.
Zahvalnice
Zahvaljujemo se finansiranju njemačkog saveznog ministarstva za ekonomska pitanja i energiju (BMWi) u okviru projekta Dynasto pod brojem 0324293.
Slika 8. Električna svojstva TCO slojeva raspršenih na 4kW i 8kW iz metaka keramičkih cijevi TCO tipa 'Y', u taloženom stanju i nakon žarenja tokom 30 minuta na 200 ° C u ambijentalnim uvjetima.
Zahvalnice
Zahvaljujemo se finansiranju njemačkog saveznog ministarstva za ekonomska pitanja i energiju (BMWi) u okviru projekta Dynasto pod brojem 0324293.
Reference
[1] Chunduri, SK&pojačalo; Schmela, M. 2019, „Heterojuncijska solarna tehnologija“, Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_EN_ download_version2.pdf].
[2] Ballif, C. i sur. 2019, „Rješavanje svih uskih grla za tehnologiju silicijske heterojukcije“, Photovoltaics International, 42. izdanje, str. 85.
[3] Frank, G.&pojačalo; Köstlin, H. 1982, “Električna svojstva i model defekta slojeva indijskog oksida dopiranih kositrom”, Predstavka br. Phys. A, sv. 27, br. 4, str. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.&pojačalo; Granqvist, CG 1986, "Evaporated Sn" dopirani filmovi In2O3: Osnovna optička svojstva i primjena na energetski efikasne prozore ", J. Appl. Phys. 60, br. 11, str. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. i sur. 2011, „Karakterizacija i optimizacija filmova indijum-kalaj-oksida za heterojukcione solarne ćelije“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 95, br. 8, str. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.&pojačalo; Kondo, M. 2007, „Uporedne studije prozirnog provodljivog Ti2, Zr- i Sn-dopiranog In2O3 kombinovanim pristupom“, J. Appl. Phys. 101, br. 6, str. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, „Prozirni provodljivi tanki filmovi hidrogenizovanog indijumovog oksida dopiranog cerijumom visoke pokretljivosti“, predstavka br. Phys. Ekspr., Knj. 8, br. 1, str. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. i dr. 2014, „In2O3 visoke pokretljivosti: H prozirni provodljivi oksidi pripremljeni taloženjem atomskog sloja i kristalizacijom u čvrstoj fazi“, fizički status solidi (RRL), sv. 8, br. 12, str. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. i dr. 2019, „Poboljšana električna svojstva impulsnog jednosmerno raspršenog indijum oksida dopingiranog vodonikom nakon žarenja u vazduhu“, Mater. Sci. Semicon. Proc., Sv. 89, str. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. i dr. 2016, „Film indijumskog oksida dopiran volframom: spreman za dvofaznu metalizaciju bakra silikonske heterojuncijske solarne ćelije“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 144, str. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF i dr. 2005., „Visoka elektronska pokretljivost tankih slojeva In2O3 dopiranih W pulsnim laserskim taloženjem“, predstavka br. Phys. Lett., Sv. 87, br. 11, str. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, „Rast taloženja atomskog sloja filmova dopiranih cirkonijem In2O3“, Tanki čvrsti filmovi, god. 440, br. 1, str. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. i dr. 2018, „Visoko provodljiva i širokopojasna prozirna In2O3 dopirana Zr-om kao prednja elektroda za solarne ćelije“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales ‐ Masis, M. i dr. 2017, „Prozirne elektrode za efikasnu optoelektroniku“, Adv. Electron. Mater., Vol. 3, br. 5, str. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE&pojačalo; Guo, SY 2005, „Prozirno i poluprozirno taloženje provodljivog filma reaktivnim okruženjem, šuplje katodno prskanje“, J. Vac. Sci. Technol. A, sv. 23, br. 4, str. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM i dr. 2005., „Indijum-oksid dopiran titanom: prozirni provodnik visoke pokretljivosti“, predstavka br. Phys. Lett., Sv. 87, br. 3, str. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. i dr. 2001., „Novi prozirni provodljivi tanki film In2O3: Mo“, tanki čvrsti filmovi, sv. 394, br. 1–2, str. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. i dr., „Razvoj radiofrekventnog magnetrono raspršenog indijum-molibden-oksida“, J. Vac. Sci. Technol. A, sv. 21, br. 4, str. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. i sur. 2004., „Prozirno provodljivi tanki filmovi In2O3 dopirani Mo-dopiranim pulsnim laserskim taloženjem visoke pokretljivosti“, J. Appl. Phys. 95, br. 7, str. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. i dr. 2010, „Poboljšani električni transport u cinkovom oksidu dopiranom Al termičkom obradom“, J. Appl. Phys. 107, br. 1, str. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. i dr. 2014, „Vlažni toplinski dopirani filmovi cinkova oksida“, Tanki čvrsti filmovi, god. 555, str. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. i dr. 2011, „Vlažna stabilnost topline filmova cinkova oksida dopiranih Al na glatkim i hrapavim podlogama“, Tanki čvrsti filmovi, god. 520, br. 4, str. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB i dr. 2018, „Silicijske heterojunkcijske solarne ćelije bez ITO-a sa ZnO: prednjim elektrodama Al / SiO2 koje postižu efikasnost konverzije od 23%“, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, br. 1, str. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. i sur. 2014, „Silicijske heterojunkcije solarnih ćelija sa stražnjim emiterima: Manje ograničenja na optoelektrična svojstva prednjih bočnih TCO“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 122, str. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. i dr. 2018, „Serijski slom otpora silikonskih heterojunkcijskih solarnih ćelija proizvedenih na CEA-INES pilot liniji“, Proc. 35. EU PVSEC, Brisel, Belgija, str. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP i dr. 2015, „Trodimenzionalna numerička analiza hibridnih solarnih ćelija od silicijske pločice od silicijumske pločice sa heterojunkcijskim kontaktima stražnje tačke“, AIP Adv., Vol. 5, br. 7, str. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. i dr. 2019., „Učinak prednjeg TCO na performanse solarnih ćelija silicijum heterojunkcije sa zadnjim spojem: uvidi iz simulacija i eksperimenata“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 195, str. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. i dr. 2019, „Jednostavna metoda s analitičkim modelom za izdvajanje heterojunkcionih komponenata otpornosti serije solarnih ćelija i za izdvajanje A-Si: H (i / p) do prozirnog provodljivog otpornog kontaktnog otpora oksida“, AIP Conf. Proc., Sv. 2147, br. 1, str. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. i dr. 2019, „Uticaj slojeva silicijuma na rast ITO i AZO u silicijumskim heterojukcionim solarnim ćelijama“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.&pojačalo; Roux, D. 2019, „Trka za visokom efikasnošću u proizvodnji: zašto je heterojunkcija sada spremna za tržište“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francuska, str. 1–20.
[31] Strahm, B. i dr. 2019, „Poboljšanja performansi„ HJT 2.0 “i troškovne koristi za proizvodnju silicijumskih heterojukcijskih ćelija“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francuska, str. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. i dr. 2013, „Dizajn i izrada dvoslojne SiOx / ITO dvoslojne antirefleksne prevlake za heterojukcione silicijske solarne ćelije“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 117, str. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. i dr. 2014, „Silicijumske heterojuncijske solarne ćelije s bakarnim mrežama elektroda: stanje i upoređivanje sa srebrnim tehnikama debelog filma“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, br. 4, str. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY i dr. 2016, „ITO / SiOx: H slagovi za silicijumske heterojuncijske solarne ćelije“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 158, 1. deo, str. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, „Priručnik za softver za optičku simulaciju solarnih ćelija: GENPRO4“, Fotonaponski materijali i uređaji, Univerzitet za tehnologiju Delft.
[36] Haschke, J. i dr. 2020, „Bočni transport u silikonskim solarnim ćelijama“, J. Appl. Phys. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. i sur. 2012, „Poboljšanje a-Si: H (p) kontakta stražnjeg emitora silicijskih solarnih ćelija n-tipa“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 106, str. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. i dr. 2018, „Teorijska procjena kontaktnog steka za solarne ćelije visoke efikasnosti IBC-SHJ“, Sol. Energy Mater. Sol. Ćelije, god. 186, str. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. i dr. 2019, „Otpornost otpora TCO / a-Si: H / c-Si heterojukcije“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francuska, str. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. i dr. 2019, „Uticaj međufaznih oksida na TCO / dopiranim tankoslojnim kontaktima Si na transport nosača naelektrisanja pasivizirajućih kontakata“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH&pojačalo; Strack, H. 1967, „Omički kontakti za GaAs uređaje“, Solid-State Electron., Vol. 10, br. 12, str. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038-1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, „Analitičko modeliranje silicijskih solarnih ćelija povezanih s industrijom“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, br. 1, str. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
