Izvor: vonardenne.biz
Izvorno objavljeno u Photovoltaics International, izdanje 44, svibanj 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& pojačalo; Bernd Stannowski1
Sažetak
Tehnologija solarnih ćelija silicijske heterojukcije (SHJ) atraktivna je tehnologija za veliku proizvodnju solarnih ćelija s visokom učinkovitošću pretvorbe 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 predstavlja mogućnosti. Ovaj rad raspravlja o tim aspektima i pokazuje potencijal za poboljšanje učinkovitosti stanica uz smanjenu cijenu korištenjem novih TCO-a nanesenih raspršivanjem istosmjerne struje (DC). U slučaju SHJ stanica stražnjeg spoja, moguće je smanjiti ili čak izbjeći upotrebu indija u takvim TCO-ima, s tim da je cinkov oksid dopiran aluminijem (AZO) jedna od mogućih zamjena za TCO na bazi indij-oksida. Sažeta je dostupnost TCO-ova visokih performansi za masovnu masovnu proizvodnju, koji će potaknuti prodor na tržište SHJ stanica.
Primjer opreme za masovnu proizvodnju TCO: VON ARDENNE-ov XEA|nova L
Uvod
Silicijske solarne ćelije temeljene na tehnologiji pasiviziranog zračenja i stražnjeg kontakta (PERC) dostigle su razinu od nekoliko gigavata u masovnoj proizvodnji, s učinkovitošću pretvorbe (CE) od 22% i sada se približavaju 23%. Za još više CE-e pasivizirani kontakti smatraju se sljedećom generacijom stanične tehnologije. Ovdje je tehnologija silicijskog heterojunkcije (SHJ) perspektivan kandidat i juri prema startnim vratima, a CE od 23–24% već je dokazano na oblatnama pune veličine, ne samo na pilot linijama već iu 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]. Osim 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. taloženje a-Si: H taloženjem kemijske pare pojačanim plazmom (PECVD).
3. Taloženje prozirnih slojeva vodljivog oksida (TCO) fizičkim taloženjem para (PVD, obično raspršivanjem).
4. Sitotisak srebrnih rešetki.
Zbog postupaka na niskim temperaturama (& lt; 200 ° C) i simetričnog slaganja uređaja može se izbjeći savijanje i pucanje pločica izazvano stresom, što znači da se mogu koristiti tanke oblatne, čime se štede troškovi materijala i energije. SHJ stog se prirodno javlja u dvofaznom dizajnu stanica; štoviše, SHJ stanice imaju najniži temperaturni koeficijent na terenu, obično –0,28% / ° C. Kombinacija dvofaznosti i koeficijenta niske temperature povećava prinos energije PV sustava.
S druge strane, neki od čimbenika koji ograničavaju nagli porast primjene SHJ tehnologije su relativno visoki troškovi opreme, uglavnom za PECVD (ali i za PVD), te prilagođeni kontakt stanica za proizvodnju modula (nema standardne visoke temperature lemljenje). Potrebno je više Ag paste nego za standardne Si stanice, zbog stvrdnjavanja na niskim temperaturama, što daje nižu vodljivost prstiju; to, međutim, ovisi o pristupu međusobnog povezivanja, posebno o tome koriste li se sabirnice. Konačno, i detaljnije raspravljeni 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) dopiran kositrom (Sn), koji se naziva ITO, trenutno je najčešće korišteni TCO [3–5]. Ovaj prozirni vodljivi 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 području. Važno razmatranje za proizvodnju FPD-a, ITO se može obraditi fotolitografijom, jer je jetljiv (u taloženom stanju) i dugotrajno stabilan nakon kristalizacije u čvrstoj fazi nakon termičkog žarenja na 150-200 ° C. Općenito, ITO se taloži magnetskim raspršivanjem istosmjerne (DC) struje na velikim površinama. Iako istosmjerno prskanje u početku uzrokuje određena oštećenja pasivizacije silicijske površine, ono se u potpunosti žari na temperaturama od oko 200 ° C, koje se postižu tijekom raspršivanja ili kasnije tijekom stvrdnjavanja Ag paste nakon sitotiska.
Za razliku od FPD-ova, TCO mora ispuniti dodatne zahtjeve kada se primijeni na prednju stranu SHJ stanica, naime izvrsnu prozirnost u širem rasponu valnih duljina 300–1,100 nm. Slika 1 prikazuje spektre apsorpcije različitih slojeva TCO, pokazujući razlike u parazitskoj apsorpciji u režimima kratkih i dugih valova. Uz ovu nisku apsorpciju, 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, a za predviđanje PV-a na teravatnoj ljestvici, neophodno je smanjiti (ili još bolje, izbjeći) upotrebu kritičnih ili oskudnih materijala, kao što je indij ( U). Međutim, potonji je aspekt još uvijek teško riješiti, jer većina TCO-ova s kvalitetom uređaja sadrži indij. Jedna od mogućnosti je smanjenje debljine takvih TCO-a, 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 se rad bavi optimizacijom TCO za ugradnju u SHJ solarne ćelije. Prikazana je metrika za procjenu i usporedbu različitih TCO-a s obzirom na njihovu prikladnost za primjenu u SHJ stanicama. Da bi se smanjio optički gubitak u prednjem TCO, obvezna je upotreba materijala s velikom prozirnošću. Visoka pokretljivost nosača naboja, obično> 100 cm2/ Vs, omogućuje smanjenje gustoće nosača (uz konstantni otpor), čime se smanjuju optički gubici uslijed apsorpcije slobodnog nosača (FCA).
U prošlosti su ispitivani različiti TCO materijali s velikom pokretljivošću na bazi indij-oksida s različitim dozama [6-13]. Svi oni pokazuju izvrsna svojstva kao TCO slojevi na staklu, a većina njih također ima 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 rotacijskih ciljeva, što daje visoku pokretljivost i proizvodi SHJ stanice s visokim CE. O okolnostima pod kojima se AZO kao bez-indijska i jeftina alternativa može implementirati u SHJ stanice visoke učinkovitosti bit će riječi kasnije. Također će biti predstavljena usporedba troškova In-based i ZnO-based ciljeva.
Slika 1. Optički spektri apsorpcije za različite vrste debljine sloja TCO
TCO za SHJ solarne ćelije
U prošlosti je istraženo nekoliko TCO materijala za upotrebu u SHJ solarnim ćelijama. Važni zahtjevi za ovu izvedbu su visoka vodljivost i velika prozirnost, s temperaturama obrade ispod 200 ° C (zbog osjetljivosti tankoslojnih slojeva pasivizacije silicija), kao i dobro stvaranje kontakta sa susjednim slojevima [14].
Među nekim od relevantnih TCO-a, 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 na bazi dopiranih s drugim metalima, poput titana (Ti) [15,16], cirkonija (Zr) [6,12,13], molibdena (Mo) [15,17-19] i volframa (W) [ 10,11], vrijednosti prinosa μe veće od 80 cm2/ Vs pri gustoći 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 ionskim platiranjem istosmjernim lučnim pražnjenjem ili reaktivnim taloženjem u plazmi (RPD). Među njima je raspršivanje najutvrđenija metoda za masovnu proizvodnju. Još veća pokretljivost od μe> 100 cm2/ Vs mogu se postići za kruto kristalizirani (SPC) vodik (H) dopiran In2O3(IOH) [6–9] i cerium (Ce) ICeO: H [7] filmovi s 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 se uglavnom ITO i IWO: H našli u industrijskoj proizvodnji. Nedostatak indija, međutim, motivacija je za primjenu alternativnih TCO-a. 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 također i stabilnost [21].
Tanki slojevi debljine manje od 100 nm naneseni na temperaturama ispod 200 ° C, kako je potrebno za SHJ stanice, 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) pokrivanje [23].
Kao što pokazuje μedobivene 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 tablici 1. Ovdje je raspon koncentracije nosača 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3smatra se: ovo predstavlja dobar kompromis za postizanje niskog FCA, dobru električnu vodljivost i dobro stvaranje kontakata sa susjednim slojevima te TCO debljinu od 75 nm za antirefleksna svojstva.
Simetrija u obradi SHJ stanica i upotreba oblatnica (n-tipa) s vrlo dugim vijekom trajanja omogućuje slobodan odabir kontakta (n ili p) okrenut prema naprijed. Položaj p kontakta (spoja) utječe na optimizaciju prednjeg TCO za dobivanje i velike prozirnosti i male serijske otpornosti Rsstanice [24–27]. Da bi to demonstrirao, 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 vodljivost, tj. Gustoća i pokretljivost elektrona u c-Si pločici, zajedno s vrlo malim otporom kontakta n / TCO kontakta, favorizira odabir n kontakta s prednje strane ('stražnji spoj'), jer bočni strujni transport značajno podržava oblatna. To opušta zahtjev za provodnošću TCO (otpor lima), omogućujući tako optimizaciju prema najvećoj prozirnosti.
Da bi ilustrirao učinak gore spomenute slobode u dizajnu ćelija, slika 3 prikazuje simulirane Rs krivulje zajedno s eksperimentalnim vrijednostima ekstrahiranim iz solarnih ćelija, s varijacijom ITO procesa u ovisnosti o otporu prednjeg TCO sloja. Eksperimentalne vrijednosti potvrđuju trendove modela [27]. Kao što se jasno može vidjeti, dizajn stražnjeg spoja nudi prednost za visokootporne TCO-ove iskorištavanjem bočne potpore u provođenju elektrona u pločici Si. S druge strane, dizajn prednjeg spoja povoljniji je za slojeve TCO s malim otporom; ovaj dizajn koristi prednost donjeg doprinosa transverzalnih Rs, jer elektroni, imaju veću pokretljivost od rupa, putuju prema stražnjem dijelu oblatne (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.
R▫rasponi za različite TCO zabilježeni u literaturi i kako su definirani u tablici 1. prikazani su na slici 3. uz odgovarajuće sjenčanje u boji. TCO s niskim R▫(crvene) su korisnije kada se implementiraju u uređaj s prednjim spojem, dok TCO sa srednjim rasponom R▫(plave) nalaze se u prijelaznom području gdje Rsrazlika između prednjeg i stražnjeg spoja je prilično mala. Suprotno tome, TCO s visokim R▫(sive) su očito korisne kada su ugrađene u dizajn stražnjeg spoja; ovo je povoljno za AZO, na primjer, s obzirom da je visoko prozirno, ali ne i vrlo provodljivo, a opet proizvodi istu učinkovitost SHJ ćelija> 23% kao referentna stanica ITO [23]. U Helmholtz-Zentrum Berlin, solarne ćelije SHJ s prednjim TCO-om na osnovi ITO i AZO postigle su certificirani CE iznad 23,5% [29].
Sljedeći pristup koji koristi prednost bočnog transporta oblatne, koji su pokazale neke istraživačke skupine [27,30] i u pilot proizvodnji [31], jest primjena tanjih TCO-a, koji smanjuju parazitsku apsorpciju, čime se održava ili poboljšava CE solarnih ćelija. Međutim, za primjenu tanjeg sloja TCO potreban je drugi sloj na vrhu - na primjer, SiO2ili Si3N4- za održavanje optimalnog proturefleksnog (AR) [32–34].
Da bi se točno kvantificirala optička izvedba različitih TCO-a kada se implementiraju u stanični skup, tj. Utvrdio specifični gubitak u gustoći struje kratkog spoja (Jsc), izvršene su simulacije softverskim alatom za traženje zraka (GenPro4 [35]). Uzimajući u obzir gubitak snage povezan sa TCO u stanici zbog povećanja Rs i smanjenja Jsc, različiti TCO materijali su referentni, kao što je prikazano na slici 4. U tu svrhu referentna solarna ćelija s CE=23,3 %, bez gubitaka povezanih s TCO u Jsci Rs(FF). IOH, ITO i AZO proučavani su kao primjeri niskog R▫, sredina R▫i visoki-R▫režima.
Proučavane su primjene standardnih TCO debelih 75 nm („debelih“) i optički optimiziranih tanjih („tankih“) TCO. Radi poštene usporedbe (tj. Da bi u svakom slučaju ostali u AR optimalnom), sve stanice (s 'debelim' i 'tankim' TCO-ima) završene su s 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 i sur. [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 s TCO uslijed smanjenja Jsc i povećanja Rs, za uređaje stražnjeg spoja (slika 4 (a)) i prednjeg spoja (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 vodljivost AZO pokazuje manju parazitsku apsorpciju od ITO. Kada se ovo usporedi s tanjim verzijama TCO-a, može se primijetiti da se gubitak CE lagano smanjuje kao rezultat smanjene parazitske apsorpcije TCO-a. ITO očito ima više koristi od ovog stanjivanja zbog njegove usporedno veće parazitske apsorpcije, 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 vodljivosti 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 straga i na prednjem spoju bez većih razlika u gubicima CE. TCO niže vodljivosti - kao što su ITO i AZO - patit će od viših bočnih R-a prisutnih u konfiguraciji prednjeg spoja. Razrjeđivanje TCO na solarnim ćelijama sa stražnjim spojem je povoljno ako TCO premaši određeni prag apsorpcije, čak i za TCO s niskom vodljivošću, ovdje AZO u primjeru. U izvedbi prednjeg spoja, stanjivanje će donijeti samo male koristi, ili čak može biti nepovoljno za TCO s manjom vodljivošću, kao što je AZO.
Izvedba industrijskih TCO-a visoke pokretljivosti
Kako bi se ispitali TCO s velikom pokretljivošću, raspršeni velikom brzinom istosmjernim raspršivanjem iz ciljevnih 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 dopiran s titanom (ITiO) i indij-oksid s neotkrivenim tipom dopinga ('Y'). Uz to je testiran ITO s različitim koncentracijama dopinga, naime koji je sadržavao 97% indij oksida i 3% kalaj oksida u cilju ('97 / 3 ') i ITO 99/1. Kao referentni materijal, ITO 97/3 implementiran je na stražnjoj strani svih stanica. Uključena je i skupina stanica s ITO 95/5 na prednjoj i stražnjoj strani.
Odgovarajući ispitni slojevi na staklu otkrili su otpore TCO listova u rasponu 36–136 Ω nakon taloženja i žarenja tijekom 30 minuta na 200 ° C u ambijentalnim uvjetima, što je usporedivo s otvrdnjavanjem provedenim nakon sitotiska. Ovo je prikladno područje za primjenu kao prednji kontakt u solarnim ćelijama SHJ sa stražnjim spojem, kao što je prethodno spomenuto (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 nanose na silicij, kako je potrebno za solarne ćelije. To se pripisuje dvama učincima [29]: (1) različitoj nukleaciji kristala i, prema tome, strukturi zrna; (2) različiti udjeli vodika koji se dificira iz sloja silicija u TCO.
Slojevi ITiO i Y pokazuju visoku pokretljivost do 90 cm2 / Vs, ali s različitim gustoćama nosača naboja, naime 2 × 1020cm-3i ~ 0,8 × 1020cm-3odnosno. Za filmove ITO97 / 3 i ITO99 / 1, niže vrijednosti pokretljivosti, od oko 60 i 70 cm2/ Vs kod gustoće nosača naboja od 2,7 × 1020 cm-3i 1,8 × 1020cm-3odnosno izmjereni. Kao rezultat vrlo male gustoće 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, vjerojatno, najviši CE u solarnim ćelijama.
TheI–Vparametri svake od ispitnih skupina prikazani su na slici 5. Sve stanice pokazuju usporedivi napon otvorenog kruga (Voc), s medijanima u uskom rasponu od 737–738 mV. To potvrđuje da se pasivizacija nije smanjila zbog različitih oštećenja raspršivanjem. Kao što se i očekivalo, solarne ćelije s visokim TCO pokretljivosti dale su najveći Jscvrijednosti, s medijanom od 39,0 mA / cm2i 39,2 mA / cm2za ITiO odnosno Y. To je do 0,5 mA / cm2veća od one postignute referencom ITO97 / 3.
Unatoč visokojJsci dobroVocvrijednosti, međutim, stanice s Y-prednjim kontaktom nisu postigle najveću učinkovitost. 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 Y uzoraka proizlazi iz nižeg medijana FF od samo oko 77%, što je zbog vrijednosti Rs koja je znatno veća; zapravo, stanice s Y-prednjim kontaktom daju najveće srednje vrijednosti Rs od 1,3–1,6 Ω cm2. Suprotno tome, medijan vrijednosti Rs je 0,9 Ω cm2za stanice ITO99 / 1, što je rezultiralo značajno većom medijanomFFod 79,5%.
Tablica 1. Usporedba električnih svojstava različitih TCO-a.
Slika 2. Shematski prikazi poprečnih presjeka solarnih ćelija silicijskog heterojunkcijskog (SHJ) stražnjeg spoja: (a) dvofazni dizajn ćelija; (b) dizajn monofacijalnih stanica s prikazanim komponentama serijske rezistencije (Rs).
Slika 3. Serijski otpor u odnosu na otpor prednjeg TCO lista za solarne ćelije SHJ na prednjem i stražnjem spoju. Krivulje predstavljaju simulirane rezultate, dok okviri označavaju rezultate za izmjerene stanice s ITO varijacijom.
Važnost niskog kontaktnog otpora
Visoka serijska rezistencija stanica s (niskom gustoćom nosača i) visokom pokretljivošću TCO zapravo je aspekt kojem se treba pozabaviti. Točnije, dvije glavne komponente Rsovdje su kontaktni otpor TCO-a s n- i p-dopiranim silicijskim kontaktnim slojevima, koji su detaljno istraženi u literaturi [37-40]. U slučaju solarnih ćelija na bazi c-Si doziranih n, kontaktni otpor TCO-a sa slojevima dopiranim n-om Si 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 su pokazali Basset i sur. [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 kontaktni otpor TCO / p.
Kontaktni otpor ρcovisi o detaljnom poravnavanju i savijanju pojasa, 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 sur. [38] pokazao je da je ρcje minimalan kada dopirani slojevi pokazuju niske vrijednosti energije aktivacije, poput onih dobivenih s nanokristalnim slojevima silicija umjesto s amorfnim slojevima.
Štoviše, gustoća nosača naboja TCO trebala bi biti znatno iznad 1 × 1020cm-3; ovo je posebno važno za TCO / p kontakt, za koji je bitna učinkovita rekombinacija rupe i elektrona na kontaktu. S obzirom na odabir i optimizaciju slojeva TCO, to podrazumijeva pronalaženje optimalnog za ne, koji mora biti dovoljno visok da se postigne dovoljno nizak ρcvrijednosti, ali, istodobno, moraju biti što niže kako bi se ograničila parazitska apsorpcija (FCA).
U novijem eksperimentu odabran je Y sloj s većom gustoćom nosača; Slika 8 prikazuje svojstva dostupna podešavanjem procesa. Zapravo, za adaptirani TCO, stanični FF se oporavio, ali po cijenu malog smanjenja Jsczbog dodatnog FCA. Sveukupno, CE se i dalje povećavao na sličnu razinu kao ona za najbolje skupine na slici 5, što pokazuje važnost pažljivog podešavanja svojstava sloja i sučelja.
Slika 4. Gubitak snage povezan s gustoćom struje (Ploss J) i gubitak snage povezan s serijskim otporom (Ploss R) za (a) stražnji spoj i (b) SHJ stanice s prednjim spojem. Vrijednosti gubitaka pretvorbene učinkovitosti (CE) označene su crtkanim crtama; ti su gubici u odnosu na referentnu solarnu ćeliju s 23,3% CE, predstavljenu ljubičastim dijamantom na (0,0). Ispunjeni simboli predstavljaju TCO debele 75nm (standardno), ali s antirefleksnim premazom (ARC) na vrhu, dok otvoreni simboli predstavljaju tanje (optimizirane) TCO slojeve, također s 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 cijev dulja, mora se koristiti više granata za metu cijevi. Razlog zašto industrija preferira ovu vrstu meta za raspršivanje TCO-a je mnogo veća stopa iskorištavanja ciljanog materijala TCO-a od one za ravninske vrste TCO-meta. Stopa iskorištavanja ciljnog materijala koja se može postići rotacijskom metom obično je ≥80%; ovo je posebno zanimljivo u slučaju kada su TCO materijali skupi, kao što su TCO na bazi indija. Što se tiče TCO-a u PV industriji kristalnog silicija, TCO-ovi na osnovi indija dominiraju zbog svojih izvrsnih svojstava slojeva (kao što je također ranije pokazano). Ipak, neki tržišni igrači u istu svrhu nude i TCO na bazi cinka. Doista, postoje prednosti i nedostaci za upotrebu TCO na bazi cinka. Jedna od prednosti je niža cijena cijevnog meta na bazi cinka dimenzija identičnih dimenzijama ciljanog na osnovi indija, dok niža vodljivost cinka predstavlja neka ograničenja u dizajnu solarnih ćelija, kao što je prethodno raspravljeno i prikazano na slici 3.
Slika 6 prikazuje specifični ciljni trošak po cm3cijevnih ciljeva za TCO na bazi cinka i TCO na bazi indija; imajte na umu da je cijena potporne cijevi isključena iz ciljanog troška. Podaci su prikupljeni od ciljanih dobavljača iz cijelog svijeta. Manji broj točaka podataka za TCO na bazi cinka može se pripisati nedostatku interesa za taj materijal koji je do sada pokazala industrija kristalnog silicija PV.
Neko rasipanje u ciljanim troškovima postoji zbog različitih materijala unutar skupine cinka i unutar skupine 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. Podaci s nižim troškovima uočeni u obje skupine trebali bi biti reprezentativne vrijednosti troškova za proizvođače solarnih ćelija s nekoliko stotina godišnjih ciljnih potreba.
Usporedba najniže vrijednosti u obje skupine otkriva da su TCO na bazi Zn (ciljni trošak ~ 0,6 USD / cm3) može biti oko četvrtine cijene TCO-a s ugrađenim podacima (ciljni trošak ~ 2,6 USD / cm3). Treba istaknuti, međutim, da su ove točke podataka trenutna situacija i da će uskoro vjerojatno zastarjeti, ovisno o volatilnosti burze 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
Uz želju za primjenom TCO-a bez indija s ciljem poboljšanja operativnih izdataka (OPEX), u najboljem je interesu imati alat za raspršivanje velike količine koji može proizvesti visokokvalitetni TCO-premaz po niskoj cijeni. Na slici 7 prikazan je visokoproduktivni XEA|nova L sustav za raspršivanje tvrtke VON ARDENNE, koji može položiti TCO slojeve s protokom od 8.000 M6 oblatni na sat u osnovnoj verziji, a s još većim protokom pomoću paketa za nadogradnju. Tijekom 2019. godine oprema XEA|nova postala je dio industrijske proizvodne linije postižući najveću učinkovitost stanica 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 cilj cijevi. Međutim, svojstva TCO i dalje se moraju održavati kada se TCO priprema na većim gustoćama snage. Slika 8 prikazuje pokretljivosti elektrona i gustoće 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 razini snage od 4kW nakon taloženja. Povećanje snage raspršivanja na 8 kW smanjuje maksimalnu pokretljivost za najviše 10%. Zanimljivo je da bi se pokretljivosti mogle dodatno povećati, do 100 cm2/ Vs, žarenjem filmova tijekom 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 indija 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 učinkovitosti pretvorbe 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 ulazak u industriju solarnih ćelija:
1. Dalje poboljšajte performanse stanica.To se može postići primjenom visoko pokretljivih TCO-a koji su prikladni za masovnu proizvodnju. Pokazano je da se TCO s visokom pokretljivošću mogu raspršiti pri velikom protoku, a ti su TCO testirani u SHJ solarnim ćelijama. Iako je CE takvih SHJ stanica visok, još uvijek zaostaje za referentnim stanicama s najboljim ITO prednjim TCO, usprkos manjoj apsorpciji i većoj pokretljivosti. To se pripisuje povećanoj otpornosti TCO-a na kontakt s n- i / ili p-dopirani silicijski kontakti. Trebat će se pozabaviti finim podešavanjem TCO-a i provedbom kontaktnih slojeva i / ili optimizacijom sučelja kako bi se dodatno smanjili otporni gubici na tim sučeljima 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 privlačnije s 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 vodljivosti (AZO u navedenom primjeru) mogu se implementirati u solarne ćelije sa stražnjim spojem bez ugrožavanja CE. To dobiva na značaju kada je u pitanju trošak: u prikazanoj analizi ciljevi temeljeni na ZnO pokazuju niži trošak od 0,6 USD / cm3za ciljani materijal, u usporedbi s 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 proizvodnih linija TCO, s tim što je istosmjerno prskanje spremno za proizvodnju TCO visokih performansi s velikom propusnošću.
Zahvalnice
Zahvaljujemo financiranju njemačkog saveznog ministarstva za ekonomske poslove 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 tijekom 30 minuta na 200 ° C u uvjetima okoline.
Zahvalnice
Zahvaljujemo financiranju njemačkog saveznog ministarstva za ekonomske poslove i energiju (BMWi) u okviru projekta Dynasto pod brojem 0324293.
Reference
[1] Chunduri, SK& Schmela, M. 2019, “Heterojunction 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.& Köstlin, H. 1982, “Električna svojstva i model defekta slojeva indijskog oksida dopiranih kositrom”, Appl. Fiz. A, sv. 27, br. 4, str. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986., "Isparivani Sn" dopirani filmovi In2O3: Osnovna optička svojstva i primjena na energetski učinkovite prozore ", J. Appl. Phys., Sv. 60, br. 11, str. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. i sur. 2011, „Karakterizacija i optimizacija filmova indij-oksid-oksida za heterojuncijske solarne ćelije“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 95, br. 8, str. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, „Usporedne studije prozirnog provodljivog Ti2, Zr- i Sn-doziranog In2O3 korištenjem kombinatornog pristupa”, J. Appl. Phys., Sv. 101, br. 6, str. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015., „Prozirni provodljivi tanki filmovi hidrogeniziranog indijskog oksida dopirani cerijem visoke pokretljivosti“, predstavka br. Fiz. Ekspr., Sv. 8, br. 1, str. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. i sur. 2014, „In2O3 visoke pokretljivosti: H prozirni vodljivi oksidi pripremljeni taloženjem atomskog sloja i kristalizacijom u čvrstoj fazi“, physica status solidi (RRL), sv. 8, br. 12, str. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. i sur. 2019., „Poboljšana električna svojstva impulsnog istosmjernog magnetrona raspršenog vodikovog indijskog oksida nakon žarenja u zraku“, Mater. Sci. Semicon. Proc., Sv. 89, str. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. i sur. 2016, „Film indijskog oksida dopiran volframom: spreman za dvofaznu metalizaciju bakra silikonske heterojuncijske solarne ćelije“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 144, str. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF i sur. 2005., „Visoka elektronska pokretljivost tankih slojeva In2O3 dopiranih W pulsnim laserskim taloženjem“, Predstavka br. Fiz. Lett., Sv. 87, broj 11, str. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, „Rast taloženja atomskog sloja filmova In2O3 dopiranih cirkonijem“, Thin Solid Films, Vol. 440, br. 1, str. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. i sur. 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 sur. 2017, „Prozirne elektrode za učinkovitu optoelektroniku“, Adv. Elektron. Mater., Sv. 3, br. 5, str. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, „Prozirno i poluprozirno taloženje provodljivog filma reaktivnom okolinom, raspršivanje šuplje katode“, J. Vac. Sci. Technol. A, sv. 23, br. 4, str. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM i sur. 2005., „Indij-oksid dopiran titanom: prozirni vodič visoke pokretljivosti“, predstavka br. Fiz. Lett., Sv. 87, br. 3, str. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. i sur. 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 sur., "Razvoj radiofrekvencijskog magnetrona raspršenog indij-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., Sv. 95, br. 7, str. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. i sur. 2010, „Poboljšani električni transport u cinkovom oksidu dopiranom Al termičkom obradom“, J. Appl. Phys., Sv. 107, br. 1, str. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. i sur. 2014, „Vlažni toplinski stabilni dopirani filmovi cinkovog oksida“, Thin Solid Films, sv. 555, str. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. i sur. 2011, „Vlažna toplinska stabilnost filmova cinkova oksida dopiranih Al na glatkim i hrapavim podlogama“, Thin Solid Films, Vol. 520, br. 4, str. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB i sur. 2018, „Silicijske heterojuncijske solarne ćelije bez ITO-a sa ZnO: prednjim elektrodama Al / SiO2 postižući učinkovitost pretvorbe 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 heterojunkcijske solarne ćelije sa stražnjim emiterima: Manje ograničenja optoelektričnih svojstava prednjih bočnih TCO-a“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 122, str. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. i sur. 2018, „Serijska razgradnja otpora silicijskih heterojunkcijskih solarnih ćelija proizvedenih na CEA-INES pilot liniji“, Proc. 35. EU PVSEC, Bruxelles, Belgija, str. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP i sur. 2015, „Trodimenzionalna numerička analiza hibridnih solarnih ćelija silicijske pločice s heterojunkcijom od silicijske pločice s heterojunkcijskim kontaktima stražnjih točaka“, AIP Adv., Sv. 5, br. 7, str. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. i sur. 2019., „Učinak prednjeg TCO-a na izvedbu silicijskih heterojunkcijskih solarnih ćelija sa stražnjim spojem: uvidi iz simulacija i eksperimenata“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 195, str. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. i sur. 2019., „Jednostavna metoda s analitičkim modelom za izdvajanje heterojunkcijskih komponenata otpornosti serije solarnih ćelija i za izdvajanje A-Si: H (i / p) do prozirnog vodljivog otpornog kontaktnog otpora oksida“, AIP Conf. Proc., Sv. 2147, br. 1, str. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. i sur. 2019, „Utjecaj slojeva silicija na rast ITO i AZO u silicijskim heterojunkcijskim solarnim ćelijama“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019., „Utrka za visoku učinkovitost u proizvodnji: zašto je heterojunkcija sada spremna za tržište“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francuska, str. 1–20.
[31] Strahm, B. i sur. 2019., „Poboljšanja performansi„ HJT 2.0 “i troškovne koristi za proizvodnju silicijske heterojunkcijske stanice“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francuska, str. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. i sur. 2013, „Dizajn i izrada dvoslojne SiOx / ITO dvoslojne antirefleksne prevlake za heterojuncijske silicijske solarne ćelije“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 117, str. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. i sur. 2014, „Silicijske heterojuncijske solarne ćelije s bakrenim mrežama elektroda: stanje i usporedba 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 sur. 2016, „ITO / SiOx: H slagovi za silicijske heterojuncijske solarne ćelije“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 158, 1. dio, 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, Tehničko sveučilište Delft.
[36] Haschke, J. i sur. 2020, „Bočni transport u silicijskim solarnim ćelijama“, J. Appl. Phys., Sv. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. i sur. 2012., „Poboljšanje a-Si: H (p) kontakta stražnjeg odašiljača silicijskih solarnih ćelija n-tipa“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 106, str. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. i sur. 2018, „Teorijska procjena kontaktnog stoga za solarne ćelije visoke učinkovitosti IBC-SHJ“, Sol. Materija energije. Sol. Stanice, sv. 186, str. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. i sur. 2019., „Kontaktna otpornost heterokonjukcije TCO / a-Si: H / c-Si“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francuska, str. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. i sur. 2019., „Utjecaj međufaznih oksida na TCO / dopiranim tankoslojnim kontaktima Si na transport nosača naboja pasivizirajućih kontakata“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& 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].
