Allikas: vonardenne.biz
Algselt avaldati Photovoltaics Internationali väljaandes 44, mai 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstraktne
Silicon heterojunction (SHJ) päikesepatareide tehnoloogia on atraktiivne tehnoloogia päikesepatareide suuremahuliseks tootmiseks, mille muundamise efektiivsus ületab 24%. SHJ päikesepatareide üks põhielement, vastupidiselt tänapäeva' laialt levinud passiivse emitteri ja tagakontakti (PERC) rakutehnoloogiale, on läbipaistva juhtiva oksiidi (TCO) kasutamine, mis esitab väljakutseid nii jõudluses kui ka kuludes, aga ka esitab võimalusi. Selles artiklis käsitletakse neid aspekte ja näidatakse potentsiaali rakkude efektiivsuse parandamiseks vähendatud kuludega, kasutades uusi alalisvoolu (DC) pihustamisel hoiule antud TCO-sid. Tagumiste ristmike SHJ-rakkude puhul on võimalik vähendada või isegi vältida indiumi kasutamist sellistes TCO-des, kusjuures alumiiniumiga legeeritud tsinkoksiid (AZO) on üks võimalik asendaja indiumoksiidil põhinevatele TCO-dele. Kokkuvõtlikult on esitatud suure jõudlusega TCO-de kättesaadavus suuremahuliseks masstootmiseks, mis soodustab SHJ-rakkude turule jõudmist.
Näide TCO masstootmisseadmetest: VON ARDENNE's XEA|nova L
Sissejuhatus
Passiivse emitteri ja tagakontakti (PERC) tehnoloogial põhinevad räni päikesepatareid on masstootmises saavutanud mitme gigavattise taseme, muundamise efektiivsus (CE) on 22% ja nüüd läheneb see 23% -le. Veelgi kõrgemate CE-de puhul peetakse passiivseid kontakte järgmise põlvkonna rakutehnoloogiaks. Siinkohal on räniheterosõlme (SHJ) tehnoloogia lootustandev kandidaat ja kihutab stardiväravast välja, kusjuures 23–24% CE on juba näidatud täissuuruses vahvlitel, mitte ainult pilootliinidel, vaid ka suuremahulises tootmises 1]. Kui selle tehnoloogia eestvedajaks oli Panasonic (endine Sanyo), siis kogu maailmas on erinevad mängijad vahepeal ehitanud oma tootmisliine, näiteks ENEL Green Energy ja Hevel Solar Euroopas ning REC, Jinergy, GS-Solar ja paljud teised Aasias. SHJ-tehnoloogia peamisi eeliseid käsitleti Ballif et al. [2]. Lisaks kõrgele CE-le on SHJ peamine eelis lahja tootmise järjestus, kusjuures mõlema poole sümmeetriliseks töötlemiseks on vaja ainult nelja peamist etappi:
1. Vahvlite märgpuhastus ja tekstuurimine.
2. a-Si: H sadestamine plasmaga tõhustatud keemilise aurustamise teel (PECVD).
3. Läbipaistva juhtiva oksiidi (TCO) kihtide sadestamine auru füüsikalise sadestamise (PVD, tavaliselt pihustamine) abil.
4. Hõbevõrkude siiditrükk.
Madalatemperatuuriliste (& lt 200 ° C) protsesside ja sümmeetrilise seadme virna tõttu on võimalik vältida pingetest põhjustatud vahvlite painutamist ja pragunemist, mis tähendab, et saab kasutada õhukesi vahvleid, säästes sellega materjalide kulusid ja energiat. SHJ-virn esineb loomulikult bifatsiaalsete rakkude kujunduses; pealegi on SHJ-rakkudel välitingimustes madalaim temperatuurikoefitsient, tavaliselt –0,28% / ° C. Bifatsiaalsuse ja madala temperatuuri koefitsiendi kombinatsioon suurendab PV-süsteemi energiatoodangut.
Teisest küljest on mõned tegurid, mis piiravad SHJ-tehnoloogia kasutuselevõtu kiiret kasvu, suhteliselt kõrged seadmekulud, peamiselt PECVD (aga ka PVD) jaoks, ja kohandatud rakkude kokkupuude moodulite tootmiseks (standardse kõrge temperatuuriga jootmine). Madalal temperatuuril kõvenemise tõttu on madalama temperatuuriga kõvastumise tõttu vaja rohkem Ag-pasta kui standardsete Si-rakkude puhul; see sõltub aga vastastikuse ühendamise lähenemisviisist, täpsemalt kas siinide kasutamisest või mitte. Lõpuks, mida on käesolevas dokumendis üksikasjalikumalt käsitletud, on vaja mõlemal küljel TCO kihtide pihustamiseks sihtmärke, mis on tavaliselt kasutatavate materjalide jaoks kallid.
Indiumoksiid (in2O3) tinaga legeeritud (Sn), mida nimetatakse ITO-ks, on praegu kõige sagedamini kasutatav TCO [3–5]. See läbipaistev juhtiv oksiid on hästi tuntud lamekuvarite (FPD) masstoodangust ja sellel on sobivad optoelektroonilised omadused, nagu õhukeste kihtide madal takistus ja piisav läbipaistvus nähtavas piirkonnas. Oluline kaalutlus FPD tootmisel on ITO töödeldav fotolitograafia abil, kuna see on söövitav (ladestunud olekus) ja on pärast tahke faasi kristallimist pikaajalisel stabiilsel temperatuuril 150-200 ° C kuumutamisel. Üldiselt ladestatakse ITO alalisvoolu (DC) magnetroni laiali puistamisel suurtele aladele. Ehkki alalisvoolu pihustamine põhjustab ränipinna passiivistumise esialgu mõningaid kahjustusi, lõõmutatakse see täielikult temperatuuril umbes 200 ° C, mis saavutatakse kas pritsimise ajal või hiljem Ag-pasta kõvenemise ajal pärast siiditrükki.
Vastupidiselt FPD-dele peab TCO vastama SHJ-rakkude esiküljele kandmisel täiendavatele nõuetele, nimelt suurepärane läbipaistvus laiemas lainepikkuste vahemikus 300–1 100 nm. Joonisel 1 on kujutatud erinevate TCO kihtide neeldumisspektrid, näidates parasiitide neeldumise erinevusi lühi- ja pika lainepikkuse režiimides. Lisaks sellele madalale neeldumisele on TCO kihtide jaoks mõlemal küljel kohustuslikud madalad kokkupuutetakistused nii n- kui p-dopeeritud räni kihtidega, aga ka metallvõrega. Viimaseks, kuid mitte vähem tähtsaks, päikesepatareide kulupiirangud on äärmiselt ranged ning PV kujutamiseks teravatt-skaalal on hädavajalik vähendada (või veel parem - vältida) kriitiliste või väheste materjalide, näiteks indium ( Sisse). Viimast aspekti on aga endiselt raske käsitleda, kuna enamik seadme kvaliteediga TCO-sid sisaldab indiumi. Üheks võimaluseks on vähendada selliste TCO-de paksust, mis nõuab ideaalse optilise (peegeldumisvastase) jõudluse säilitamiseks teise kihi ladestamist. See omakorda suurendab protsessi etappide arvu ning seeläbi protsessi keerukust ja kulusid.
Selles artiklis käsitletakse TCO optimeerimist SHJ päikesepatareide ühendamiseks. Esitatakse mõõdik erinevate TCO-de hindamiseks ja võrdlemiseks nende sobivuse suhtes SHJ-rakkudes kasutamiseks. Eesmise TCO optiliste kadude vähendamiseks on kõrge läbipaistvusega materjalide kasutamine kohustuslik. Suur laadimiskandja liikuvus, tavaliselt> 100 cm2/ Vs võimaldab vähendada kandja tihedust (pideva takistuse korral), vähendades seeläbi vabakandja neeldumisest (FCA) tulenevat optilist kadu.
Varem on uuritud mitmesuguseid erineva dopinguga indiumoksiidil põhinevaid „suure liikuvusega” TCO materjale [6–13]. Kõigil neil on klaasi TCO kihtidena suurepärased omadused ja enamikul neist ka kõrge CE. Sihtotstarbeline tootmine on aga keeruline ja paljude nende materjalide kulud on suured.
Nüüd on saadaval uued TCO-d, mida saab pöörlevatest sihtmärkidest suurtootmises töödelda, mis annab suure liikuvuse ja toodab kõrge CE-ga SHJ-rakke. Asjaolusid, mille korral AZO-d kui indiumivaba ja odavat alternatiivi saab rakendada kõrge efektiivsusega SHJ-rakkudes, arutatakse hiljem. Samuti esitatakse In-põhiste ja ZnO-põhiste sihtmärkide kulude võrdlus.
Joonis 1. Optilise neeldumise spektrid erinevat tüüpi paksuse TCO kihi jaoks
TJ SHJ päikesepatareide jaoks
Varem on uuritud mitmete TCO materjalide kasutamist SHJ päikesepatareides. Olulised nõuded selle rakendamise jaoks on kõrge juhtivus ja kõrge läbipaistvus, töötlemistemperatuur on alla 200 ° C (õhukese räni passivatsioonikihtide tundlikkuse tõttu), samuti hea kontakti moodustumine naaberkihtidega [14].
Mõnede asjakohaste TCO-de hulgas on polükristalliline Sn-dopeeritud In2O3(ITO) kasvanud temperatuuril alla 200 ° C, mis saavutab elektronide liikuvuse (μe) umbes 40 cm2/ Vs [3–5] on leidnud laialdast rakendust SHJ päikesepatareides. Teiste metallidega, näiteks titaan (Ti) [15,16], tsirkoonium (Zr) [6,12,13], molübdeen (Mo) [15,17–19] ja volfram (W), legeeritud TCO-d 10,11], saagis μe väärtused on suuremad kui 80 cm2/ V laadija kandetiheduse (ne) korral vahemikus 1 × 1020 kuni 3 × 1020 cm-3.
Neid kihte saab ladestada magnetroni pihustamise, impulsslaserdamise (PLD) ja ioonplaadistamise abil alalisvoolu kaarlahenduse või reaktiivse plasmasadestusega (RPD). Nendest on masstootmise jaoks kõige levinum meetod pritsimine. Veel suurem liikuvus μe> 100 cm2/ V saab saavutada tahkefaasilise kristalliseeritud (SPC) vesinik (H) -dopseeritud sisendi korral2O3(IOH) [6–9] ja tseerium (Ce) ICeO: H [7] kiled 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Need kiled ladestatakse madalatel temperatuuridel amorfses maatriksis ja seejärel lõõmutatakse temperatuuril üle 150 ° C, mille tulemuseks on suurte terade moodustumise tõttu suured μe väärtused.
Eespool tutvustatud TCO-d on atraktiivsed optiliste elektritoimivuste tõttu, kuid tänaseks on peamiselt ITO ja IWO: H leidnud tee tööstustoodangusse. Indiumi nappus on aga ajend alternatiivsete TCO-de rakendamiseks. AZO pakub eeliseks rikkalikumate komposiitmaterjalide olemasolu. AZO kihid, mille paksus on mitusada nanomeetrit ja mis on pihustatud kõrgendatud temperatuuridel> 250 ° C, annavad head optoelektroonilised omadused [20] ja ühtlasi stabiilsuse [21].
Õhukestel alla 100 nm paksustel kihtidel, mis on sadestatud temperatuuril alla 200 ° C, nagu nõutakse SHJ rakkude jaoks, on seevastu halb kristallstruktuur, mille tagajärjeks on madalad liikuvuse väärtused umbes 20 cm2 / Vs ja halb pikaajaline stabiilsus [22]. SHJ päikesepatareide paremat stabiilsust on siiski näidatud amorfse ränidioksiidi (a-SiO2) piiramine [23].
Nagu näitab μesaadud väärtused ja sõltuvalt töötlemistingimustest näitavad erinevad TCO-d laia valikut elektronide liikuvust. TCO lehe takistus (R▫) vahemikke saab klassifitseerida, nagu on näidatud tabelis 1. Siinkohal võib kandja kontsentratsioonivahemik 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3peetakse heaks: see on hea kompromiss madala FCA, hea elektrijuhtivuse ja hea kontakti moodustumise naaberkihtidega saavutamiseks ning peegeldusvastaste omaduste jaoks 75 nm TCO paksus.
Sümmeetria SHJ-rakkude töötlemisel ja väga kõrge kandeajaga (n-tüüpi) vahvlite kasutamine võimaldab vabalt valida, milline kontakt (n või p) on ees. P kontakti (ristmiku) positsioon mõjutab eesmise TCO optimeerimist nii suure läbipaistvuse kui ka madala seeriatakistuse R saavutamiseksslahtrist [24–27]. Selle demonstreerimiseks on joonisel 2 näidatud kahe- ja monofatsiaalsete SHJ päikesepatareide skemaatilised ristlõiked tagumise ristmiku konfiguratsioonis koos kõigi Rs-i panustega. Rs komponentide ja nende panuse SHJ päikesepatareides üksikasjaliku analüüsi leiate Basset et al. [25] ja Wang jt. [28]. C-Si vahvlites olevate elektronide kõrge juhtivus, st tihedus ja liikuvus, koos n / TCO kontakti väga väikese kokkupuutetakistusega soosib eesmise n-kontakti valimist ("tagumine ristmik"), kuna vahesein toetab oluliselt külgvoolu vedu. See leevendab TCO (lehe takistuse) juhtivusnõudeid, võimaldades seeläbi optimeerida suurimat läbipaistvust.
Eespool nimetatud vabaduse mõju näitamiseks rakkude kujundamisel näitab joonis 3 simuleeritud Rs-kõveraid koos päikesepatareidest ekstraheeritud eksperimentaalsete väärtustega koos ITO protsessi variatsiooniga eesmise TCO-lehe takistuse funktsioonina. Eksperimentaalsed väärtused kinnitavad mudeli suundumusi [27]. Nagu selgelt näha, pakub tagumise ristmiku konstruktsioon eelise kõrge takistusega TCO-de jaoks, kasutades Si-vahvelis elektronide juhtivuse külgmist tuge. Esise ristmiku konstruktsioon on seevastu soodsam madala takistusega TCO kihtide jaoks; selles konstruktsioonis kasutatakse ära Rs-i madalam panus, kuna elektronid, millel on suurem liikuvus kui aukudel, liiguvad vahvli tagaküljele (fotogeneratsioon toimub peamiselt esikülje lähedal). Külgmiste ja põiksuunaliste Rs-panuste kompromiss määrab sõltuvalt TCO-lehe takistusest, milline päikesepatarei disain on kõige sobivam.
R▫kirjanduses toodud ja tabelis 1 määratletud erinevate TCO-de vahemikud on näidatud joonisel 3 koos vastava värvivarjundiga. TCO madala R-ga▫(punased) on kasulikumad, kui neid rakendatakse esisõlmeseadmes, samas kui keskmise vahemiku R-ga TCO-d▫(sinine) on üleminekupiirkonnas, kus Rserinevus eesmise ja tagumise ristmiku seadmete vahel on üsna väike. Seevastu kõrge R-ga TCO-d▫(hallid) on selgelt kasulikud, kui neid rakendada tagumise ristmiku konstruktsioonis; see on näiteks AZO jaoks soodne, kuna see on väga läbipaistev, kuid mitte eriti juhtiv, kuid annab siiski sama SHJ-raku efektiivsuse> 23% kui ITO võrdlusrakk [23]. Berliini Helmholtz-Zentrum'is on nii ITO- kui ka AZO-põhise eesmise TCO-ga SHJ päikesepatareid saavutanud sertifitseeritud CE üle 23,5% [29].
Teine lähenemisviis, mis kasutab ära mõnede uurimisrühmade [27,30] ja piloottootmisel [31] näidatud vahvlite külgsuunalise transpordi tuge, on õhemate TCO-de rakendamine, mis vähendab parasiitide imendumist, säilitades või parandades seega päikesepatareide CE-d. Õhema TCO kihi rakendamine nõuab aga teist kihti - näiteks SiO2või Si3N4- peegeldumisvastase (AR) optimaalsuse säilitamiseks [32–34].
Erinevate TCO-de optilise toimivuse täpne kvantifitseerimine raku virnas rakendatuna, st lühisvoolu tiheduse (Jsc) viidi läbi simulatsioonid kiirte jälgimise tarkvaraga (GenPro4 [35]). Võttes arvesse nii Rs-i suurenemisest kui ka Jsc-i vähenemisest tingitud TCO-ga seotud voolukadu rakus, võrreldi erinevaid TCO-materjale, nagu on näidatud joonisel 4. Selleks kasutati võrdluspäikeseelementi, mille CE=23,3 Arvesse võeti% ilma JCO-ga seotud TCO-ga seotud kadudetascja Rs(FF). Madala R-i näitena uuriti IOH-d, ITO-d ja AZO-d▫, R keskel▫ja kõrge R-ga▫vastavalt režiimidele.
Uuriti nii standardsete 75 nm paksuste ("paksude") kui ka optiliselt optimeeritud õhemate ("õhukeste") TCO-de rakendamist. Õiglaseks võrdluseks (st et püsida AR optimaalses olukorras igal juhul) viidi kõik lahtrid (paksude ja õhukeste TCO-dega2kattekiht. Eeldati, et TCO / Ag ja TCO / Si liideste kontakttakistused on kõigi kolme TCO puhul (madalad) ja võrdsed, mis on muidugi lihtsustus. Seda arutatakse hiljem ja see on esitatud Haschke jt. [36]. Lisateavet optimeeritud kihi paksuste ja simulatsioonitulemuste kohta leiate Cruz et al. [27].
Joonisel 4 toodud graafikud näitavad TCO-ga seotud võimsuskadu, mis on tingitud Jsc vähenemisest ja R suurenemisests, tagumise ristmiku (joonis 4 (a)) ja eesmise ristmiku (joonis 4 (b)) seadmete jaoks. Ilmselt edestab IOH kahte ülejäänud TCO-d oma suurepäraste optoelektrooniliste omaduste tõttu mõlemal juhul. Joonisel 4 (a), mis näitab paksu ITO-d ja AZO-d, kompenseerivad materjalid nende CE-kadusid, kuna madalama juhtivusega AZO-l on madalam parasiitide imendumine kui ITO-l. Kui võrrelda seda TCO õhemate versioonidega, võib täheldada, et vähenenud TCO parasiitide imendumise tagajärjel väheneb CE kadu veidi. ITO-l on sellest hõrenemisest ilmselgelt rohkem kasu, kuna selle parasiitide imendumine on suhteliselt suurem, mis lõppkokkuvõttes annab veidi parema CE kui AZO-l. See näitab, et õhemaid täiustatud optikaga TCO-sid saab rakendada tagumise ristmiku konfiguratsioonis ja see on CE seisukohalt kasulik.
Seevastu joonise 4 (b) esiosa konstruktsiooni vaadates on näha, et suure juhtivusega IOH ei kannata vahvli madalama külgsuunalise transpordi mõju. Madalama juhtivusega ITO ja AZO aga suurendavad takistuskaod. ITO paksuse vähendamine ei too kaasa CE-eelist, samas kui AZO puhul on see selgelt ebasoodne. Võib järeldada, et kõrge juhtivusega TCO-d, siin näites IOH, saab rakendada nii tagumise kui ka eesmise ristmiku päikesepatareide konfiguratsioonides, ilma et CE-kadudes oleks suuri erinevusi. Madalama juhtivusega TCO-d - näiteks ITO ja AZO - kannatavad eesmise ristmiku konfiguratsioonis esinevate kõrgemate külgmiste R-de all. TCO lahjendamine tagumise ristmiku päikesepatareidel on kasulik, kui TCO ületab teatud absorptsiooniläve isegi madala juhtivusega TCO puhul, siin näites AZO. Esisõlme konstruktsioonis toob hõrenemine kaasa ainult väikeseid eeliseid või võib olla madalama juhtivusega TCO-de, näiteks AZO, jaoks isegi ebasoodne.
Tööstuslike suure liikuvusega TCO-de jõudlus
Suure massitootmise korral suure liikuvusega TCO-de suure hulga pihustamisel toru sihtmärkidest pihustamisega TCO-de jaoks kasutati bifatsiaalsete tagumiste ristmike SHJ päikesepatareide eesmise TCO jaoks erinevaid materjale. Testiti kahte tüüpi kõrge liikuvusega TCO-d, nimelt titaaniga legeeritud indiumoksiidi (ITiO) ja avalikustamata dopingutüübiga indiumoksiidi ('Y'). Lisaks testiti mitmesuguste dopingukontsentratsioonidega ITO-d, nimelt sisaldades sihtmärgis 97% indiumoksiidi ja 3% tinaoksiidi ('97 / 3 ') ning ITO 99/1. Võrdlusmaterjalina rakendati ITO 97/3 kõigi lahtrite tagaküljel. Lisati ka rakkude rühm, mille esiküljel ja tagumisel küljel oli ITO 95/5.
Klaasil olevad vastavad katsekihid näitasid TCO lehe takistusi vahemikus 36–136 Ω pärast sadestamist ja lõõmutamist 30 minutit temperatuuril 200 ° C ümbritseva keskkonna tingimustes, mis on võrreldav pärast sõeltrüki läbiviimist. See on sobiv vahemik tagumise ristmiku SHJ päikesepatareide eesmise kontaktina rakendamiseks, nagu varem käsitletud (vt joonis 3). Tuleb siiski arvestada, et klaasile ladestunud TCO-kihtidel võivad olla omadused (kandja liikuvus) kui päikeseelementide jaoks nõutavad omadused (kui kandjad kantakse räni peale). Seda on seostatud kahe toimega [29]: (1) erinev kristallide tuumastumine ja seega ka terade struktuur; (2) erinev vesinikusisaldus, mis difundeerub ränikihist TCO-sse.
ITiO ja Y kihtidel on kõrge liikuvus kuni 90 cm2 / Vs, kuid erineva laengukandja tihedusega, nimelt 2 × 1020cm-3ja ~ 0,8 × 1020cm-3vastavalt. ITO97 / 3 ja ITO99 / 1 filmide puhul on madalamad liikuvuse väärtused umbes 60–70 cm2/ Vs laengukandja tihedusel 2,7 × 1020 cm-3ja 1,8 × 1020cm-3vastavalt mõõdeti. Väga madala laengukandjatiheduse tagajärjel näitasid Y-filmid parasiitide imendumist madalaima infrapunakiirkonna piirkonnas (vt joonis 1), mis muudab selle materjali kõige lootustandvaks kõrgeima Jsc ja võimalusel ka kõrgeim CE päikesepatareides.
TheI–Viga katserühma parameetrid on näidatud joonisel 5. Kõigil rakkudel on võrreldavad avatud ahela pinged (Vokt), mediaanidega kitsas vahemikus 737–738 mV. See kinnitab, et passiivsus ei lagunenud erinevate pihustuskahjustuste tõttu. Ootuspäraselt andsid kõrge liikuvuse TCO-ga päikesepatareid kõrgeima Jscmediaanidega 39,0 mA / cm2ja 39,2 mA / cm2vastavalt ITiO ja Y jaoks. See on kuni 0,5 mA / cm2kõrgem kui see, mis saavutati viitega ITO97 / 3.
Vaatamata kõrgeleJscja heaVoktväärtused, kuid Y-rindkontaktiga rakud ei andnud siiski suurimat efektiivsust. Suurim keskmine mediaan CE - 22,9% - saadi tegelikult ITO99 / 1 puhul, samas kui kõrgeim CE väärtus 23,3% mõõdeti ITiO-ga raku jaoks. Madalam CE Y-proovide korral tuleneb madalamast mediaanfragmast ainult umbes 77%, mis on tingitud Rs väärtusest, mis on oluliselt suurem; tegelikult annavad Y-rindkontaktiga rakud kõrgeimad mediaan-Rs väärtused 1,3–1,6 Ω cm2. Seevastu keskmine Rs väärtus on 0,9 Ω cm2rakkude jaoks, mille tulemuseks on oluliselt suurem mediaanFF79,5%.
Tabel 1. Erinevate TCO elektriliste omaduste võrdlus.
Joonis 2. Tagumise ristmiku räni heterosõlme (SHJ) päikesepatareide skemaatilised ristlõikevaated: (a) kahetahulise elemendi kujundus; b) ühe näo raku kujundus, näidatud seeria resistentsuse (Rs) komponente.
Joonis 3. Seeria takistus eesmise ja tagumise ristmiku SHJ päikesepatareide vastupanu eesmise TCO lehe takistusele Kõverad esindavad simuleeritud tulemusi, kastid aga ITO variatsiooniga mõõdetud rakkude tulemusi.
Madal kontakttakistuse tähtsus
Rakkude kõrge seeriaresistentsus (madala kandjatiheduse ja) suure liikumisvõimega TCO on tegelikult aspekt, millega tuleb tegeleda. Täpsemalt R kaks peamist komponentissiin on TCO-de kokkupuutekindlus n- ja p-dopeeritud räni kontaktkihtidega, mida on üksikasjalikult uuritud kirjanduses [37–40]. N-legeeritud c-Si-põhiste päikesepatareide korral saab TCO kontakttakistust n-legeeritud Si-kihtidega iseloomustada mitmesuguste suhteliselt lihtsate tehnikatega, näiteks Cox ja Strack [41] või ülekandega -liini [42] meetodid. TCO kontakttakistus p-dopeeritud Si kihiga (TCO / p) on seevastu raskemini kättesaadav, kuna moodustub ristmik. Nagu näitavad Basset jt. [21] ja Wang jt. [24] näiteks lihtne meetod R väärtuse eraldamiseksskomponent on tuletada kõik R-i juurdepääsetavad komponendidsja siis järeldatakse, et järelejäänud väärtus on TCO / p kontakttakistus.
Kontakttakistus ρcsõltub riba üksikasjalikust joondamisest ja riba painutamisest, samuti liidese defektide olekutest; seetõttu on olulised mitmed parameetrid, täpsemalt legeeritud Si kihi aktiveerimisenergia ja laengukandja tihedus, aga ka tööfunktsioonide erinevus mõlema materjali vahel. Procel jt. [38] näitas, et ρcon minimaalne, kui legeeritud kihtidel on madal aktivatsioonienergia väärtus, näiteks need, mis on saadud amorfsete kihtide asemel nanokristalliliste ränikihtidega.
Pealegi peaks TCO laengukandja tihedus olema tublisti üle 1 × 1020cm-3; see on eriti oluline TCO / p kontakti jaoks, mille jaoks on kontakti ava ja elektronide tõhus rekombinatsioon hädavajalik. Mis puutub TCO kihtide valimisse ja optimeerimisse, siis tähendab see optimaalse ne leidmist, mis peab olema piisavalt kõrge, et saavutada piisavalt madal ρcparasiitide imendumise (FCA) piiramiseks peavad need olema võimalikult madalad.
Värskemas katses valiti suurema kandjatihedusega Y kiht; Joonis 8 näitab protsessi häälestamisel saadaolevaid omadusi. Tõepoolest, kohandatud TCO jaoks lahter FF taastus, kuid J-i väikese languse hinnagasctäiendava FCA tõttu. Üldiselt kasvas CE ikkagi sarnasele tasemele, mis leiti parimate rühmade jaoks joonisel 5, mis näitab kihi ja liidese omaduste hoolika häälestamise tähtsust.
Joonis 4. Voolutihedusega seotud võimsuskadu (Ploss J) ja seeriatakistusega seotud võimsuskadu (Ploss R) (a) tagumise ristmiku ja (b) eesmise ristmiku SHJ-rakkude jaoks. Teisendustõhususe (CE) kaduväärtused on näidatud katkendjoonega; need kaod on suhtelised võrdlus-päikesepatareiga, mille CE on 23,3% ja mida tähistab lilla teemant (0,0). Täidetud sümbolid tähistavad 75 nm paksust TCO-d (standard), kuid peal on peegeldumisvastane kate (ARC), avatud sümbolid aga õhemaid (optimeeritud) TCO-kihte, ka ARC-ga.
Tööstuslikud aspektid: sihtkulud
Kristallilise räni PV tööstuses kasutatavad tavalised TCO-sihtmärkide tüübid on pööratavad sihtmärgid, mis on TCO-materjali silindrilised kestad, mis on ühendatud metallist valmistatud tugitoru külge. Mida pikem toru, seda rohkem tuleb toru sihtmärgi jaoks kasutada kestasid. Põhjus, miks tööstus eelistab seda tüüpi sihtmärke TCO-de pritsimiseks, on TCO sihtmaterjali palju suurem kasutamismäär kui tasapinnaliste TCO-sihtmärkide puhul. Pööratava märklauaga saavutatava sihtmaterjali kasutusmäär on tavaliselt ≥80%; see pakub erilist huvi juhul, kui TCO materjalid on kallid, näiteks indiumil põhinevad TCO-d. Kristallilise räni PV tööstuse TCO-de osas on domineerivad indiumil põhinevad TCO-d tänu oma suurepärastele kihiomadustele (nagu ka varem näidatud). Sellest hoolimata pakuvad mõned turuosalised samal eesmärgil ka tsingipõhiseid TCO-sid. Tsingil põhinevate TCO-de kasutamisel on tõepoolest eeliseid ja puudusi. Üks eelis on tsingipõhise toru sihtmärgi madalam hind, mis on identne indiumil põhineva sihtmärgi mõõtmetega, samas kui tsingi madalam juhtivus seab päikesepatareide projekteerimisel mõningaid piiranguid, nagu varem käsitletud ja joonisel 3 visualiseeritud.
Joonisel 6 on näidatud konkreetne sihtkulu cm kohta3tsinkpõhiste TCO-de ja indiumipõhiste TCO-de torusihtmärgid; pange tähele, et sihttoru maksumus on sihtkulust välja arvatud. Andmepunktid koguti sihttarnijatelt üle kogu maailma. Tsingipõhiste TCO-de väiksema arvu andmepunktide põhjuseks võib olla kristallilise räni PV-tööstuse seni ilmnenud huvi puudumine selle materjali vastu.
Teatud hajumine sihtmaksumuses on tingitud tsingirühma ja indiumirühma erinevatest materjalidest või erinevate tarnijate tõttu. Andmepunkte, mis tähistavad mõlemas rühmas kõrgemat sihtmaksumust, saab seletada vähem levinud koostiste ja / või kulukate tootmisprotsesside ja / või suurte marginaalidega. Mõlemas rühmas täheldatud madalama hinnaga andmepunktid peaksid olema esinduslikud kuluväärtused päikesepatareide tootjatele, kellel on aastas sadu toru sihtmärkide nõudmisi.
Mõlema rühma madalaima väärtuse võrdlemisel selgub, et Zn-põhised TCO-d (sihtmaksumus ~ 0,6 USD / cm)3) võib olla umbes veerand In-põhiste TCO-de hinnast (sihthind ~ 2,6 USD / cm)3). Tuleb siiski märkida, et need andmepunktid on hetkeseis praegusest olukorrast ja lähevad tõenäoliselt vananenuks, sõltuvalt aktsiaturu volatiilsusest lähtematerjali, eriti indiumi osas.
Joonis 5. 4 cm2 suuruste bifatsiaalsete SHJ päikesepatareide I – V parameetrid koos erinevate eesmiste TCO-dega ja tagaküljel ITO 97/3. Võrdlusena lisati HZB-st toru sihtmärgist pihustatud ITO 95/5.
Tööstuslikud aspektid: masstootmine
Lisaks soovile rakendada indiumivabu TCO-sid tegevuskulude (OPEX) suurendamise eesmärgil on kõige parem huvi saada suure mahuga tootmispihustusvahendit, mis suudaks madalate kuludega toota kvaliteetset TCO-katet. Joonisel 7 on kujutatud VON ARDENNE ülitootlik XEA|nova L pihustussüsteem, mis saab põhiversioonis ladestada TCO kihte 8000 M6 vahvli tunnis ja veelgi suurema läbilaskevõimega, kasutades täienduspakette. 2019. aastal muutus XEA|nova seade osaks tööstuslikust tootmisliinist, mis saavutas siin uuritutega sarnaste TCO-kilede abil rakkude efektiivsuse üle 24%.
Suure läbilaskevõime saavutamiseks peab TCO kihtide sadestumiskiirus olema kõrge, mida saab realiseerida, kasutades toru sihtmärgile suurt alalisvoolu võimsust. Kui TCO valmistatakse suurema võimsustihedusega, tuleb TCO omadusi siiski säilitada. Joonisel 8 on kujutatud TCO-tüüpi filmide elektronkilduvused ja laengukandjatihedused 4 kW ja 8 kW juures TCO-tüüpi keraamiliste torude sihtmärkidest. Suur liikuvus umbes 80 cm2/ Vs oli võimalik saavutada pärast sadestamist võimsustasemel 4kW. Pihustusvõimsuse suurendamine 8 kW-ni vähendab maksimaalset liikuvust maksimaalselt 10%. Huvitav on see, et liikuvust saaks veelgi suurendada, kuni 100 cm2/ Vs, anniilides kilesid 30 minutit temperatuuril 200 ° C, nagu on näidatud joonisel 8.
Joonis 6. Sihtmaterjali sihtmaksumus ühe cm3 kohta indiumil ja tsinkil põhinevate TCO-de jaoks
Järeldused
SHJ päikesepatareide tehnoloogia on osutunud oluliseks mängijaks oma osa suurendamisel suurtootmises. Selle põhjuseks on saavutatud väga kõrge muundamistõhusus ja vähene tootmisprotsess.
Mis puudutab TCO-de rolli, siis tuleb SHJ-tehnoloogia väljavaadete edendamiseks päikeseelementide tööstuses täiendavaid jõupingutusi käsitleda veel kolme aspekti:
1. Parandage veelgi rakkude jõudlust.Seda saab saavutada masstootmiseks sobivate suure liikuvusega TCO-de rakendamisega. Näidati, et suure liikuvusega TCO-sid saab suure läbilaskevõime korral pihustada ja neid TCO-sid testiti SHJ päikesepatareides. Kuigi selliste SHJ-rakkude CE on kõrge, jääb see vaatamata madalamale neeldumisele ja suuremale liikuvusele vaatamata parima ITO eesmise TCO-ga võrdlusrakkude omale. Selle põhjuseks on TCO-de suurenenud kontakttakistus n- ja / või p-legeeritud räni kontaktid. Tuleb käsitleda TCO täpsustamist ja kontakteeruvate kihtide rakendamist ja / või liidese optimeerimist, et vähendada nende liideste takistuskaod veelgi ja saada täielike TCO omaduste täielikku kasu.
2. Vähendage nappide (ja kallite) materjalide, eriti indiumi kasutamist.Materiaalsete kulude kokkuhoiu saavutamiseks on atraktiivne võimalus vähendada TCO paksust; see on veelgi atraktiivsem kulukate kõrge juhtivusega (suure liikuvusega) TCO-de korral. Kuid peegelduskao vähendamiseks on vaja teist protsessi peegeldusvastast (katmist) kihti (ARC) ladestada TCO peale. Alternatiivina, nagu on näidatud käesolevas dokumendis, saab madalama juhtivusega TCO-sid (toodud näites AZO) rakendada tagumise ristmiku päikesepatareides, ilma et see kahjustaks CE-d. See on olulisem kulude osas: esitatud analüüsis näitavad ZnO-põhised sihtmärgid madalamat hinda - 0,6 dollarit / cm3sihtmaterjali jaoks, võrreldes 2,6 dollariga / cm3In-põhiste sihtmärkide jaoks. AZO piiratud stabiilsusega saab hakkama näiteks selle katmisega dielektrilise kihiga (a-SiO2või a-SiNx).
3. Vähendage PVD-seadmete kulusid.TCO tootmisliinide suurendamine ja läbilaskevõime suurendamine on õige tee, kusjuures alalisvoolu pihustamine on valmis suure jõudlusega TCO-de suure tootlikkusega tootmiseks.
Tänusõnad
Tänuga tunnustatakse Saksamaa majandus- ja energeetikaministeeriumi (BMWi) rahastamist Dynasto projekti raames # 0324293 all.
Joonis 8. TCO-tüüpi Y keraamiliste torude sihtmärkidest 4kW ja 8kW juures pihustatud TCO-kihtide elektrilised omadused, ladestunud olekus ja pärast 30-minutist lõõmutamist keskkonnatingimustes temperatuuril 200 ° C.
Tänusõnad
Tänuga tunnustatakse Saksamaa majandus- ja energeetikaministeeriumi (BMWi) rahastamist Dynasto projekti raames # 0324293 all.
Viited
[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. jt. 2019, „Kõigi kitsaskohtade lahendamine räni heterosõlme tehnoloogia jaoks“, Photovoltaics International, 42. väljaanne, lk. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, “tinaga legeeritud indiumoksiidikihtide elektrilised omadused ja defektide mudel”, Appl. Füüsiline A, kd 27, nr 4, lk 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, „Aurustunud Sn“ legeeritud In2O3-kiled: põhilised optilised omadused ja rakendused energiasäästlikele akendele, J. Appl. Phys., Kd 60, nr 11, lk R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. jt. 2011, „Indiumtinaoksiidkilede iseloomustus ja optimeerimine heterosõlmeliste päikesepatareide jaoks”, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 95, nr 8, lk 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, „Läbipaistva juhtiva Ti-, Zr- ja Sn-dopinguga In2O3 võrdlevad uuringud kombinatoriaalse lähenemisviisi abil”, J. Appl. Phys., Kd 101, nr 6, lk. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, „Suure liikuvusega läbipaistvad juhtivad õhukesed kiletid tseeriumiga legeeritud hüdrogeenitud indiumoksiidist”, Appl. Füüsiline Nt, kd. 8, nr 1, lk. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. jt. 2014, „Suure liikuvusega In2O3: H läbipaistvad juhtivad oksiidid, mis on valmistatud aatomkihi sadestamise ja tahke faasi kristallisatsiooni teel”, Physica status solidi (RRL), kd 8, nr 12, lk 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. jt. 2019, „Impulss-alalisvoolu magnetroni pihustatud vesinikuga legeeritud indiumoksiidi elektrilised omadused pärast õhus lõõmutamist”, Mater. Sci. Semikoon. Proc., Kd. 89, lk 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, „Volframiga legeeritud indiumoksiidkile: valmis räni heterosõlme päikesepatarei bifatsiaalseks vaskmetalliseerimiseks“, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 144, lk 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF jt. 2005, „Suure elektronide liikuvusega W2-legeeritud õhukesed kiled impulsslaseriga“, Appl. Füüsiline Lett., Kd 87, nr 11, lk. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, “Tsirkooniumiga legeeritud In2O3 kilede aatomkihi sadestumise kasv”, Thin Solid Films, Vol. 440, nr 1, lk 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. jt. 2018, “Kõrge juhtivusega ja lairibaühendusega läbipaistev Zr-lisega In2O3 päikesepatareide eesmise elektroodina”, IEEE J. Photovolt., Lk 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales ‐ Masis, M. jt. 2017, “Läbipaistvad elektroodid tõhusa optoelektroonika jaoks”, Adv. Elektron. Mater., Kd 3, nr 5, lk. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, „Läbipaistev ja poolläbipaistev juhtiv kile sadestamine reaktiivkeskkonnas, õõnes katoodi pihustamine”, J. Vac. Sci. Technol. A, kd 23, nr 4, lk 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM jt. 2005, „Titaandopeeritud indiumoksiid: suure liikuvusega läbipaistev juht”, Appl. Füüsiline Lett., Kd 87, nr 3, lk. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. jt. 2001, “Uus läbipaistev juhtiv õhuke kile In2O3: Mo”, Thin Solid Films, Vol. 394, nr 1–2, lk 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Raadiosagedusliku magnetrooni pihustatud indium-molübdeenoksiidi arendamine", J. Vac. Sci. Technol. A, kd 21, nr 4, lk 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. jt. 2004, “Suure mobiilsusega läbipaistvad juhtivad Mo-lisandeid sisaldavad In2O3 õhukesed kiled impulsslaseriga”, J. Appl. Phys., Kd 95, nr 7, lk 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. jt. 2010, „Al-legeeritud tsinkoksiidi elektritranspordi täiustamine termilise töötlemisega“, J. Appl. Phys., Kd 107, nr 1, lk. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. jt. 2014, „Niiskes kuumuses stabiilsed legeeritud tsinkoksiidkiled“, õhukesed tahked kiled, kd. 555, lk 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. jt. 2011, “Al-legeeritud tsinkoksiidkilede niiske kuumuse stabiilsus siledatel ja karedatel aluspindadel”, Thin Solid Films, Vol. 520, nr 4, lk 1285–1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB jt. 2018, “ITO-vabad räni heterosõlmelised päikesepatareid koos ZnO: Al / SiO2 esielektroodidega, mille muundamise efektiivsus on 23%”, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, nr 1, lk 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. jt. 2014, „Räni heterosõlme tagumised emitter-päikesepatareid: vähem piiranguid esipoolsete TCO-de optoelektrilistele omadustele”, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 122, lk 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. jt. 2018, “CEA-INES pilootliinil toodetud räni heterosõlmeliste päikesepatareide seeria resistentsuse jaotus”, Proc. 35. EL PVSEC, Brüssel, Belgia, lk 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP jt. 2015, “Heterosõlme tagumiste punktidega kontaktidega hübriidse heterosõlme ränivahvli päikesepatareide kolmemõõtmeline arvuline analüüs”, AIP Adv., Vol. 5, nr 7, lk. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. jt. 2019, „Esiosa TCO mõju tagumise ristmiku räni heterosõlme päikesepatareide jõudlusele: Insulte simulatsioonidest ja katsetest“, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 195, lk 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. jt. 2019, „Analüütilise mudeliga lihtne meetod heterosõlmeliste päikesepatareide seeria resistentsuskomponentide ekstraheerimiseks ja A-Si: H (i / p) eraldamiseks läbipaistva juhtiva oksiidi kontakttakistuseni“, AIP Conf. Proc., Kd. 2147, nr 1, lk. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. jt. 2019, “Räni kihtide mõju ITO ja AZO kasvule räni heterosõlmes päikesepatareides”, IEEE J. Photovolt., Lk 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, „Võitlus tootmise kõrge efektiivsuse nimel: miks heterosõlm on nüüd turuks valmis“, Proc. 36. EL PVSEC, Marseille, Prantsusmaa, lk 1–20.
[31] Strahm, B. jt. 2019, “HJT 2.0” jõudluse täiustamine ja ränisiseste heterliikumisrakkude tootmise kulueelistused, Proc. 36. EL PVSEC, Marseille, Prantsusmaa, lk 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. jt. 2013, “SiOx / ITO kahekihilise peegeldusvastase katte kujundamine ja valmistamine heterosõlmega räni päikesepatareide jaoks”, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 117, lk 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. jt. 2014, „Räni heterosõlmelised päikesepatareid vasega kaetud elektroodide abil: staatus ja võrdlus hõbeda pakskile tehnikatega“, IEEE J. Photovolt., Kd 4, nr 4, lk 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY jt. 2016, “ITO / SiOx: H korstnad räni heterosõlmeliste päikesepatareide jaoks”, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 158, 1. osa, lk 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, “Päikesepatareide optilise simulatsiooni tarkvara käsiraamat: GENPRO4”, Delfti tehnikaülikooli fotogalvaanilised materjalid ja seadmed.
[36] Haschke, J. jt. 2020, “Külgtransport räni päikesepatareides”, J. Appl. Phys., Kd 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. jt. 2012, “n-tüüpi räni päikesepatareide a-Si: H (p) tagumise emitteri kontakti parandamine”, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 106, lk 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. jt. 2018, “Kõrge kasuteguriga IBC-SHJ päikesepatareide kontaktpinu teoreetiline hindamine”, Sol. Energy Mater. Sol. Rakud, kd 186, lk 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. jt. 2019, “TCO / a-Si kontakttakistus: H / c-Si heterojunction”, Proc. 36. EL PVSEC, Marseille, Prantsusmaa, lk 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. jt. 2019, “Interfaciaalsete oksiidide mõju TCO / legeeritud Si õhukese klemmiga kontaktidele passiivsete kontaktide laengukandja transpordil”, IEEE J. Photovolt., Lk 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, “GaAs-seadmete oomised kontaktid”, tahkis-elektron, kd. 10, nr 12, lk 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, “Tööstusega seotud räni päikesepatareide analüütiline modelleerimine”, IEEE J. Photovolt., Kd. 4, nr 1, lk 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
