Vir: vonardenne.biz
Prvotno objavljeno v Photovoltaics International, izdaja 44, maj 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Povzetek
Tehnologija sončnih celic silicijeve heterojukcije (SHJ) je privlačna tehnologija za obsežno proizvodnjo sončnih celic z visoko učinkovitostjo pretvorbe nad 24%. Eden ključnih elementov sončnih celic SHJ, ki je v nasprotju z današnjo široko razširjeno tehnologijo pasiviziranih oddajnikov in celic zadnjega stika (PERC), je uporaba prozornega prevodnega oksida (TCO), ki predstavlja izzive glede zmogljivosti in stroškov, hkrati pa tudi predstavlja priložnosti. Ta članek razpravlja o teh vidikih in prikazuje potencial za izboljšanje učinkovitosti celic z nižjimi stroški z uporabo novih TCO, nanesenih z enosmernim (DC) brizganjem. V primeru celic SHJ z zadnjim spojem je mogoče zmanjšati ali celo izogniti se uporabi indija v takih TCO, pri čemer je cinkov oksid, dopiran z aluminijem, eden od možnih nadomestkov TCO na osnovi indijskega oksida. Povzeta je razpoložljivost visoko zmogljivih skupnih operativnih strojev za obsežno množično proizvodnjo, ki bodo spodbudile prodor na trg celic SHJ.
Primer opreme za množično proizvodnjo TCO: VON ARDENNE's XEA|nova L
Uvod
Silicijeve sončne celice, ki temeljijo na tehnologiji pasiviziranega oddajnika in zadnjega stika (PERC), so v serijski proizvodnji dosegle raven več gigavatov, z učinkovitostjo pretvorbe (CE) 22% in se zdaj približuje 23%. Za še višje CE velja, da so pasivizirani kontakti naslednja generacija celične tehnologije. Tu je tehnologija silicijevega heterojunkcije (SHJ) obetavna kandidatka in tekmuje pred začetnimi vrati, pri čemer je bila CE na ravni 24–24% že dokazana na napolitankah polne velikosti, ne samo na pilotnih linijah, temveč tudi pri veliki proizvodnji [ 1]. Medtem ko je bil Panasonic (nekdanji Sanyo) pionir te tehnologije, so medtem različni igralci po vsem svetu gradili lastne proizvodne linije, kot sta ENEL Green Energy in Hevel Solar v Evropi ter REC, Jinergy, GS-Solar in številni drugi. v Aziji. O glavnih prednostih tehnologije SHJ so razpravljali v nedavnem članku Ballif in sod. [2]. Poleg visokega CE je ključna prednost SHJ tudi vitko proizvodno zaporedje, pri čemer so za simetrično obdelavo obeh strani potrebni le štirje glavni koraki:
1. Mokro čiščenje in oblikovanje oblat.
2. Nanašanje a-Si: H s plazemskim kemičnim nanašanjem s paro (PECVD).
3. Nanašanje plasti prozornega prevodnega oksida (TCO) s fizičnim nanašanjem s paro (PVD, običajno brizganje).
4. Sitotisk srebrnih mrež.
Zaradi nizkotemperaturnih postopkov (& lt; 200 ° C) in simetričnega sklada naprav se izognemo upogibanju in razpokanju rezin zaradi stresa, kar pomeni, da lahko uporabimo tanke rezine, s čimer prihranimo materialne stroške in energijo. Sklop SHJ se naravno pojavi v dvofazni zasnovi celic; poleg tega imajo celice SHJ najnižji temperaturni koeficient na terenu, običajno –0,28% / ° C. Kombinacija dvofaznosti in koeficienta nizke temperature poveča donos energije PV sistema.
Po drugi strani pa so nekateri dejavniki, ki omejujejo hitro povečanje uvajanja tehnologije SHJ, sorazmerno visoki stroški opreme, večinoma za PECVD (pa tudi za PVD), in prilagojeno stikanje celic za izdelavo modulov (ni standardnih visokotemperaturnih temperatur) spajkanje). Zaradi nizkotemperaturnega utrjevanja in prstov z nižjo prevodnostjo je potrebno več Ag paste kot za običajne celice Si; to pa je odvisno od pristopa medsebojnega povezovanja, zlasti od tega, ali se uporabljajo vodila ali ne. Nazadnje in podrobneje obravnavani v tem članku so potrebni cilji za brizganje slojev TCO na obeh straneh, kar je drago za materiale, ki se običajno uporabljajo.
Indij oksid (In2O3), dopiran s kositrom (Sn), imenovan ITO, je trenutno najpogosteje uporabljen TCO [3–5]. Ta prosojni prevodni oksid je dobro znan iz množične proizvodnje ploskih zaslonov (FPD) in ima ustrezne opto-elektronske lastnosti, kot sta majhna upornost tankih slojev in zadostna preglednost v vidnem območju. Pomemben vidik pri proizvodnji FPD je, da je ITO mogoče obdelati s fotolitografijo, saj je v stanju nanašanja jedkljiv in je dolgotrajno stabilen po kristalizaciji v trdni fazi pri termičnem žarjenju pri 150–200 ° C. Na splošno se ITO nanese z enosmernim (DC) magnetronskim brizganjem na velikih površinah. Čeprav razprševanje z enosmernim tokom sprva povzroči nekaj škode na pasivaciji silicijeve površine, je ta popolnoma žarjena pri temperaturah okoli 200 ° C, ki jih dosežemo bodisi med razprševanjem bodisi kasneje med strjevanjem Ag paste po sitotisku.
V nasprotju s FPD-ji mora TCO izpolniti dodatne zahteve, če se nanaša na sprednjo stran celic SHJ, in sicer odlično preglednost v širšem območju valovnih dolžin 300–1.100 nm. Na sliki 1 so prikazani absorpcijski spektri različnih slojev TCO, ki prikazujejo razlike v parazitski absorpciji v kratko- in dolgovalovnih režimih. Poleg te nizke absorpcije so za sloje TCO na obeh straneh obvezne tudi majhne kontaktne odpornosti tako s sloji silicija, ki vsebujejo n- in p, kot tudi s kovinsko mrežo. Nenazadnje so omejitve stroškov sončnih celic izjemno stroge in, če si predstavljamo PV na teravatni lestvici, je bistveno zmanjšati (ali še bolje izogniti se) uporabo kritičnih ali redkih materialov, kot je indij ( V). Slednjega pa je še vedno težko obravnavati, saj večina TCO-jev kakovosti naprav vsebuje indij. Ena od možnosti je zmanjšati debelino takih TCO, kar zahteva nanos druge plasti, da se ohranijo idealne optične (antirefleksne) lastnosti. To pa povečuje število korakov postopka in s tem kompleksnost postopka in stroške.
Ta članek obravnava optimizacijo TCO za vgradnjo v sončne celice SHJ. Predstavljena je meritev za ocenjevanje in primerjavo različnih TCO glede na njihovo primernost za uporabo v celicah SHJ. Za zmanjšanje optičnih izgub v sprednjem TCO je obvezna uporaba materialov z visoko preglednostjo. Visoka mobilnost nosilca naboja, običajno> 100 cm2/ Vs, omogoča zmanjšanje gostote nosilca (pri stalni upornosti), s čimer se zmanjša optična izguba zaradi absorpcije prostega nosilca (FCA).
V preteklosti so bili raziskani različni TCO materiali z visoko mobilnostjo na osnovi indijevega oksida z različnimi dopingi [6–13]. Vsi ti imajo odlične lastnosti kot sloji TCO na steklu, večina pa jih ima tudi visoko CE. Ciljna proizvodnja pa je težka in stroški za mnoge od teh materialov so visoki.
Zdaj so na voljo novi TCO, ki jih je mogoče obdelati v obsežni proizvodnji iz vrtljivih tarč, kar zagotavlja visoko mobilnost in proizvaja celice SHJ z visokim CE. O okoliščinah, v katerih je mogoče AZO kot brezindijsko in poceni alternativo uvesti v visoko učinkovite celice SHJ, bomo razpravljali kasneje. Predstavljena bo tudi primerjava stroškov ciljev na osnovi In in ZnO.
Slika 1. Optični spektri absorpcije za različne vrste debeline sloja TCO
TCO za sončne celice SHJ
V preteklosti je bilo raziskanih več materialov TCO za uporabo v sončnih celicah SHJ. Pomembne zahteve za to izvedbo so visoka prevodnost in visoka prosojnost s temperaturami obdelave pod 200 ° C (zaradi občutljivosti tankoplastnih pasivacijskih slojev silicija) ter dobra tvorba stika s sosednjimi plastmi [14].
Med nekaterimi ustreznimi TCO je polikristalni Sn dopiran In2O3(ITO), gojene pri temperaturah pod 200 ° C, ki dosežejo gibljivost elektronov (μe) približno 40 cm2/ Vs [3–5], je našel široko uporabo v sončnih celicah SHJ. TCO na osnovi dopingov z drugimi kovinami, kot so titan (Ti) [15,16], cirkonij (Zr) [6,12,13], molibden (Mo) [15,17–19] in volfram (W) [ 10,11], vrednosti donosa μe večje od 80 cm2/ Vs pri gostoti nosilca naboja (ne) v območju od 1 × 1020 do 3 × 1020 cm-3.
Te plasti se lahko nanesejo z magnetronskim brizganjem, pulznim laserskim nanašanjem (PLD) in ionskim nanašanjem z enosmernim oblokom ali reaktivnim nanosom plazme (RPD). Od teh je brizganje najbolj uveljavljena metoda za množično proizvodnjo. Še večja gibljivost μe> 100 cm2/ Vs je mogoče doseči za trdno fazno kristaliziran (SPC) vodik (H) dopiran In2O3(IOH) [6–9] in cerijev (Ce) ICeO: H [7] filmi z 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Ti filmi se nalagajo pri nizkih temperaturah v amorfni matrici in nato žarijo pri temperaturah nad 150 ° C, kar ima za posledico visoke vrednosti μe zaradi tvorbe velikih zrn.
Zgoraj predstavljeni TCO so privlačni zaradi izjemnih optoelektričnih zmogljivosti, toda do danes sta se v industrijski proizvodnji znašli predvsem ITO in IWO: H. Pomanjkanje indija pa je motivacija za izvajanje alternativnih TCO. AZO ponuja prednost obilnejših kompozitnih materialov. AZO plasti z debelino nekaj sto nanometrov, razpršene pri povišanih temperaturah> 250 ° C, dajejo dobre opto-elektronske lastnosti [20] in tudi stabilnost [21].
Tanke plasti debeline manj kot 100 nm, nanesene pri temperaturah pod 200 ° C, kot je potrebno za SHJ celice, v nasprotju s tem kažejo slabo kristalno strukturo, kar ima za posledico nizke vrednosti gibljivosti okoli 20 cm2 / Vs in slabo dolgoročno stabilnost [22]. Izboljšana stabilnost sončnih celic SHJ pa se je pokazala z uporabo amorfnega silicijevega oksida (a-SiO2) omejevanje [23].
Kot kaže μevrednosti in glede na pogoje obdelave različni TCO kažejo širok razpon gibljivosti elektronov. Odpornost pločevine TCO (R▫) območja lahko razvrstimo, kot je prikazano v tabeli 1. Tu je območje koncentracije nosilca 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3je to dober kompromis za doseganje nizke FCA, dobre električne prevodnosti in dobrega oblikovanja stikov s sosednjimi plastmi ter 75 nm debeline TCO za odsevne lastnosti.
Simetrija pri obdelavi celic SHJ in uporaba rezin (n-tipa) z zelo dolgo življenjsko dobo nosilca omogoča prosto izbiro, kateri kontakt (n ali p) je obrnjen spredaj. Položaj p kontakta (križišča) vpliva na optimizacijo sprednjega TCO za doseganje tako velike prosojnosti kot nizke serijske odpornostiscelice [24–27]. Da bi to dokazali, slika 2 prikazuje shematske prereze dvofaznih in monofaznih SHJ sončnih celic v konfiguraciji zadnjega križišča z navedenimi vsemi prispevki Rs. Podrobno analizo komponent Rs in njihovega prispevka v sončnih celicah SHJ najdete v Basset et al. [25] in Wang et al. [28]. Visoka prevodnost, tj. Gostota in gibljivost elektronov v rezini c-Si, skupaj z zelo nizko kontaktno upornostjo kontakta n / TCO, daje prednost izbiri n kontakta spredaj („zadnji spoj“), saj bočni tokovni prevoz močno podpira napolitanka. To sprošča zahtevo po prevodnosti TCO (odpornost pločevine) in tako omogoča optimizacijo do največje preglednosti.
Za ponazoritev učinka zgoraj omenjene svobode pri oblikovanju celic je na sliki 3 predstavljena simulirana krivulja Rs skupaj z eksperimentalnimi vrednostmi, pridobljenimi iz sončnih celic, z variacijo procesa ITO v odvisnosti od odpornosti sprednje strani TCO. Eksperimentalne vrednosti potrjujejo trende modela [27]. Kot je jasno razvidno, zasnova zadnjega križišča ponuja prednost visokoodpornim TCO-jem, saj izkorišča bočno oporo pri prevodnosti elektronov v rezini Si. Po drugi strani je zasnova sprednjega križišča ugodnejša za sloje TCO z nizko upornostjo; ta zasnova izkorišča spodnji prispevek transverzalnih Rs, saj elektroni, ki imajo večjo gibljivost kot luknje, potujejo na zadnji del rezine (pri čemer se fotogeneracija pojavlja predvsem v bližini sprednje strani). Kompromis med stranskim in prečnim prispevkom Rs bo določil, katera zasnova sončne celice je najprimernejša, odvisno od razpoložljive odpornosti pločevine TCO.
R▫območja za različne TCO, o katerih poročajo v literaturi in kot so opredeljena v tabeli 1, so prikazana na sliki 3 z ustreznim barvnim senčenjem. TCO z nizkim R▫(rdeče) so bolj koristne, če so vgrajene v sprednji spoj, medtem ko imajo TCO s srednjim R▫(modre) so v prehodnem območju, kjer Rsrazlika med napravami za sprednji in zadnji spoj je dokaj majhna. Nasprotno pa TCO z visokim R▫(sive) so očitno ugodne, če so vgrajene v zasnovo zadnjega križišča; to je na primer ugodno za AZO, saj je zelo prozorno, vendar ne preveč prevodno, vendar še vedno ustvarja enako učinkovitost celic SHJ> 23% kot referenčna celica ITO [23]. V Helmholtz-Zentrum Berlin so sončne celice SHJ s sprednjim TCO na osnovi ITO in AZO dosegle certificiran CE nad 23,5% [29].
Drug pristop, ki izkorišča podporo bočnega prevoza rezin, ki so jo pokazale nekatere raziskovalne skupine [27,30] in v pilotni proizvodnji [31], je izvajanje tanjših TCO, ki zmanjšujejo parazitsko absorpcijo in s tem ohranjajo ali izboljšujejo CE sončne celice. Izvajanje tanjšega sloja TCO pa zahteva drugo plast na vrhu - na primer SiO2ali Si3N4- za vzdrževanje optimalne protirefleksije (AR) [32–34].
Za natančno kvantifikacijo optične učinkovitosti različnih TCO, ko so vgrajeni v celični sklad, tj. Določitev specifične izgube v gostoti toka kratkega stika (Jsc), so bile izvedene simulacije s programskim orodjem za sledenje žarkom (GenPro4 [35]). Ob upoštevanju izgube moči, povezane s TCO v celici zaradi povečanja Rs in zmanjšanja Jsc, so bili primerjani različni TCO materiali, kot je prikazano na sliki 4. V ta namen je bila referenčna sončna celica s CE=23,3 %, brez izgub, povezanih s TCO v Jscin Rs(FF). IOH, ITO in AZO so bili preučeni kot primeri nizkega R▫, sredi R▫in visoko-R▫režimov.
Proučene so bile izvedbe standardnih 75 nm debelih ("debelih") in optično optimiziranih tanjših ("tankih") TCO. Za pravično primerjavo (tj., Da v vsakem primeru ostanejo v AR optimalni) so bile vse celice (z „debelimi“ in „tankimi“ TCO) obdelane z a-SiO2zgornja plast. Uporovne kontaktne upornosti na vmesnikih TCO / Ag in TCO / Si naj bi bile (nizke in) enake za vse tri TCO, kar je seveda poenostavitev. O tem bomo razpravljali kasneje in je predstavljeno v Haschke et al. [36]. Nadaljnje podrobnosti o optimiziranih debelinah slojev in rezultatih simulacij najdete v Cruz in sod. [27].
Grafi na sliki 4 prikazujejo izgubo moči, povezano s TCO, zaradi zmanjšanja Jsc in povečanja Rs, za naprave z zadnjim križiščem (slika 4 (a)) in sprednjim križiščem (slika 4 (b)). Jasno je, da IOH zaradi svojih izjemnih opto-elektronskih lastnosti v obeh primerih prekaša druga dva operaterja prenosnega omrežja. Na sliki 4 (a), ki prikazuje debel ITO in AZO, materiali kompenzirajo svoje izgube CE, saj nižja prevodnost AZO kaže manjšo parazitsko absorpcijo kot ITO. Ko to primerjamo s tanjšimi različicami TCO, lahko opazimo, da se izguba CE nekoliko zmanjša zaradi zmanjšane parazitske absorpcije TCO. ITO ima očitno večjo korist od tega redčenja zaradi njegove sorazmerno večje parazitske absorpcije, ki na koncu vodi do nekoliko boljše CE kot pri AZO. To kaže, da lahko tanjše TCO-je z izboljšano optiko izvedemo v konfiguraciji zadnjega križišča in bodo koristne glede na CE.
V nasprotju s tem, če pogledamo zasnovo sprednjega križišča na sliki 4 (b), lahko vidimo, da IOH z visoko prevodnostjo ne bo trpel zaradi nižjega bočnega transportnega prispevka rezine. Manj prevodna ITO in AZO pa povečata uporovne izgube. Zmanjšanje debeline ITO ne vodi do prednosti CE, medtem ko je v primeru AZO očitno neugodno. Zaključimo lahko, da lahko visokoprevodni TCO, tukaj IOH v primeru, uporabimo na konfiguracijah sončnih celic na zadnjem in sprednjem križišču brez večjih razlik v izgubah CE. TCO z nižjo prevodnostjo - kot sta ITO in AZO - bodo trpeli zaradi višjih stranskih R-jev, ki so prisotni v konfiguraciji sprednjega križišča. Razredčevanje TCO na sončnih celicah z zadnjim križiščem je ugodno, če TCO preseže določen absorpcijski prag, tudi za TCO z nizko prevodnostjo, v tem primeru AZO. Pri zasnovi sprednjega križišča bo redčenje prineslo le majhne koristi ali pa bo celo škodljivo za TCO z nižjo prevodnostjo, kot je AZO.
Uspešnost industrijskih operaterjev TCO z visoko mobilnostjo
Za preskušanje visoko mobilnih TCO-jev, razpršenih z visoko hitrostjo z enosmernim brizganjem iz cevnih tarč, kot je bilo izvedeno v obsežni množični proizvodnji, so bili uporabljeni različni materiali za sprednji TCO v dvofaznih sončnih celicah SHJ z zadnjim križiščem. Preizkušeni sta bili dve vrsti visokomobilnih TCO, in sicer indij-oksid (ITiO), dopiran s titanom, in indij-oksid z nerazkrito vrsto dopinga ("Y"). Poleg tega je bil testiran ITO z različnimi koncentracijami dopinga, in sicer je v tarčo vseboval 97% indijevega oksida in 3% kositrovega oksida ('97 / 3 ') ter ITO 99/1. Kot referenčni material je bil ITO 97/3 izveden na zadnji strani vseh celic. Vključena je bila tudi skupina celic z ITO 95/5 na sprednji in zadnji strani.
Ustrezni preskusni sloji na steklu so pokazali odpornost listov TCO v območju 36–136 Ω po nanašanju in žarjenju 30 minut pri 200 ° C v okolju, kar je primerljivo s strjevanjem, izvedenim po sitotisku. To je primeren obseg za izvedbo kot sprednji kontakt v sončnih celicah SHJ v zadnjem križišču, kot smo že omenili (glej sliko 3). Upoštevati pa je treba, da lahko sloji TCO, naneseni na steklo, kažejo lastnosti (mobilnost nosilca), drugačne od tistih, ko se plasti nalagajo na silicij, kot je potrebno za sončne celice. To je bilo pripisano dvema učinkoma [29]: (1) različni nukleaciji kristalov in s tem strukturi zrn; (2) različna vsebnost vodika, ki se iz silicijeve plasti difundira v TCO.
Plasti ITiO in Y kažejo visoko gibljivost do 90 cm2 / Vs, vendar z različno gostoto nosilca naboja, in sicer 2 × 1020cm-3in ~ 0,8 × 1020cm-3oz. Za filma ITO97 / 3 in ITO99 / 1 so nižje vrednosti gibljivosti približno 60 in 70 cm2/ Vs pri gostotah nosilcev naboja 2,7 × 1020 cm-3in 1,8 × 1020cm-3so bili izmerjeni. Zaradi zelo nizke gostote nosilca naboja so Y-filmi pokazali najnižjo parazitsko absorpcijo v bližnjem infrardečem območju (glej sliko 1), zaradi česar je ta material najbolj obetaven za doseganje najvišje Jsc in, verjetno, najvišji CE v sončnih celicah.
TheI–Vparametri vsake preskusne skupine so prikazani na sliki 5. Vse celice imajo primerljive napetosti odprtega kroga (Vok), z medianami v ozkem območju 737–738 mV. To potrjuje, da se pasivizacija ni poslabšala zaradi različnih poškodb brizganja. Po pričakovanjih so sončne celice z visoko mobilnimi TCO dale največ Jscvrednosti z mediano 39,0 mA / cm2in 39,2 mA / cm2za ITiO oziroma Y. To je do 0,5 mA / cm2višja od tiste, dosežene z referenco ITO97 / 3.
Kljub visokiJscin dobroVokvrednosti pa celice z Y-sprednjim kontaktom niso dosegle najvišje učinkovitosti. Najvišja mediana CE 22,9% je bila dejansko dobljena za ITO99 / 1, medtem ko je bila najvišja vrednost CE 23,3% izmerjena za celico z ITiO. Nižji CE v primeru vzorcev Y izhaja iz spodnje srednje vrednosti FF le okoli 77%, kar je posledica občutno večje vrednosti Rs; pravzaprav celice z Y-sprednjim kontaktom dajejo najvišje mediane vrednosti Rs 1,3–1,6 Ω cm2. V nasprotju s tem je mediana vrednosti Rs 0,9 Ω cm2za celice ITO99 / 1, kar ima za posledico znatno višjo medianoFF79,5%.
Tabela 1. Primerjava električnih lastnosti različnih TCO.
Slika 2. Shematski prečni pregledi sončnih celic silicijevega heterojunkcijskega (SHJ) zadnjega križišča: (a) dvofazna zasnova celic; (b) monofacialna zasnova celic s prikazanimi komponentami serijske odpornosti (Rs).
Slika 3. Serijska odpornost proti odpornosti na sprednji TCO za sončne celice SHJ s sprednjim in zadnjim križem. Krivulje predstavljajo simulirane rezultate, medtem ko polja označujejo rezultate za izmerjene celice z variacijo ITO.
Pomen nizke kontaktne odpornosti
Visoka serijska odpornost celic s (nizko gostoto nosilca in) visoko mobilnostjo TCO je pravzaprav vidik, ki se ga je treba lotiti. Natančneje, dve glavni komponenti Rstu je kontaktna odpornost TCO s kontaktnimi plastmi silicija, dopiranimi z n in p, ki so bile podrobno raziskane v literaturi [37–40]. V primeru sončnih celic na osnovi doziranja c-Si lahko kontaktno odpornost TCO s plastmi dopiranega n-a Si označimo z različnimi, razmeroma enostavnimi tehnikami, kot sta Cox in Strack [41] ali prenos -line [42] metode. Nasprotno pa je kontaktna upornost TCO s slojem Si, dopiranim s p (TCO / p), težje dostopna, ker nastane križišče. Kot kažejo Basset in sod. [21] in Wang et al. [24], na primer preprosta metoda za pridobivanje vrednosti Rskomponenta je izpeljati vse dostopne komponente Rs, preostala vrednost pa se nato ugotovi kot kontaktni upor TCO / p.
Kontaktna upornost ρcje odvisno od natančne poravnave pasu in upogibanja pasu ter od okvarnih vmesniških stanj; zato je pomembnih več parametrov, zlasti energija aktivacije dopirane plasti Si in gostota nosilca naboja, pa tudi razlika v delovni funkciji med obema materialoma. Procel in sod. [38] je pokazala, da je ρcje minimalna, kadar dopirane plasti kažejo nizke vrednosti aktivacijske energije, kot so tiste, pridobljene s plastmi nanokristalnega silicija namesto z amorfnimi plastmi.
Poleg tega bi morala biti gostota nosilca naboja TCO precej nad 1 × 1020cm-3; to je še posebej pomembno za kontakt TCO / p, za katerega je nujna učinkovita rekombinacija luknje in elektronov na kontaktu. Kar zadeva izbiro in optimizacijo slojev TCO, to pomeni iskanje optimalnega za ne, ki mora biti dovolj visok, da se doseže dovolj nizkacvrednosti, vendar morajo biti hkrati čim nižje, da se omeji parazitska absorpcija (FCA).
V novejšem poskusu je bila izbrana plast Y z večjo nosilno gostoto; Slika 8 prikazuje lastnosti, ki so na voljo s prilagoditvijo postopka. Dejansko se je za prilagojeni TCO celica FF opomogla, vendar za ceno majhnega zmanjšanja Jsczaradi dodatnega FCA. Na splošno se je CE še vedno povečal na podobno raven kot pri najboljših skupinah na sliki 5, kar dokazuje pomembnost natančne nastavitve lastnosti plasti in vmesnika.
Slika 4. Izguba moči, povezana z gostoto toka (Ploss J), in izguba moči, povezana s serijsko odpornostjo (Ploss R) za (a) zadnji spoj in (b) celice SHJ s sprednjim stikom. Vrednosti izgub pretvorbene učinkovitosti (CE) so prikazane s črtkanimi črtami; te izgube so glede na referenčno sončno celico s 23,3% CE, ki jo predstavlja vijolični diamant pri (0,0). Izpolnjeni simboli predstavljajo 75nm debele TCO (standardne), vendar z antirefleksnim premazom (ARC) na vrhu, medtem ko odprti simboli predstavljajo tanjše (optimizirane) sloje TCO, tudi z ARC.
Industrijski vidiki: ciljni stroški
Pogosti tipi tarč TCO, ki se uporabljajo v PV industriji kristalnega silicija, so vrtljive tarče, ki so valjaste lupine materiala TCO, pritrjene na podporno cev iz kovine. Dlje ko je cev, več lupin je treba uporabiti za tarčo cevi. Razlog, zakaj ima industrija raje to vrsto tarče za brizganje TCO, je veliko višja stopnja izkoriščenosti ciljnega materiala TCO kot tista za ravninske vrste tarča TCO. Stopnja izkoriščenosti ciljnega materiala, ki jo je mogoče doseči z vrtljivo tarčo, je običajno ≥ 80%; to je še posebej zanimivo v primeru, ko so materiali TCO dragi, na primer TCO na osnovi indija. Kar zadeva TCO v kristalni silicijevi PV industriji, so TCO na osnovi indija prevladujoče zaradi njihovih odličnih lastnosti plasti (kot je bilo že prej prikazano). Kljub temu nekateri udeleženci na trgu za isti namen ponujajo tudi TCO na osnovi cinka. Dejansko obstajajo prednosti in slabosti uporabe TCO na osnovi cinka. Ena od prednosti so nižji stroški tarče na osnovi cinka, katere dimenzije so enake dimenzijam tarče na osnovi indija, medtem ko nižja prevodnost cinka predstavlja nekatere omejitve pri zasnovi sončnih celic, kot smo že omenili in prikazali na sliki 3.
Slika 6 prikazuje specifične ciljne stroške na cm3cevnih tarč za TCO na osnovi cinka in TCO na osnovi indija; upoštevajte, da so stroški podporne cevi izključeni iz ciljnih stroškov. Podatkovne točke so bile zbrane od ciljnih dobaviteljev po vsem svetu. Manjše število podatkov za TCO na osnovi cinka lahko pripišemo pomanjkanju zanimanja za ta material, ki ga je do zdaj pokazala kristalna silicijeva PV industrija.
Nekaj razpršenosti v ciljnih stroških obstaja zaradi različnih materialov znotraj skupine cinka in znotraj skupine indij ali zaradi različnih dobaviteljev. Podatkovne točke, ki označujejo višje ciljne stroške v obeh skupinah, je mogoče razložiti z manj običajnimi sestavami in / ali dragimi proizvodnimi postopki in / ali visokimi maržami. Podatki z nižjimi stroški, opaženi v obeh skupinah, bi morali biti reprezentativne vrednosti stroškov za proizvajalce sončnih celic z več sto letnimi cilji povpraševanja po ceveh.
Primerjava najnižje vrednosti v obeh skupinah razkriva, da TCO na osnovi Zn (ciljni stroški ~ 0,6 USD / cm3) je lahko približno četrtino cene TCO-jev na osnovi (ciljni stroški ~ 2,6 USD / cm3). Vendar je treba poudariti, da so te podatkovne točke posnetek trenutnega stanja in bodo kmalu verjetno zastarele, odvisno od nestanovitnosti delniškega trga glede surovin, zlasti indija.
Slika 5. Parametri I – V dvofaznih sončnih celic SHJ velikosti 4 cm2 z različnimi sprednjimi TCO in ITO 97/3 na zadnji strani. Kot referenca je bil vključen ITO 95/5, enosmerni tok, razpršen iz cevne tarče pri HZB.
Industrijski vidiki: množična proizvodnja
Poleg želje po uvajanju TCO brez indija z namenom izboljšanja operativnih odhodkov (OPEX) je v najboljšem interesu, da imamo na voljo veliko orodje za brizganje, ki lahko z nizkimi stroški izdela visokokakovostni premaz TCO. Na sliki 7 je prikazan visoko produktiven sistem za brizganje XEA|nova L podjetja VON ARDENNE, ki lahko v osnovni različici nanese sloje TCO pri pretoku 8000 oblatov M6 na uro, pri paketih za nadgradnjo pa še večji pretok. V letu 2019 je oprema XEA|nova postala del industrijske proizvodne linije, ki je dosegla najvišjo učinkovitost celic nad 24% z uporabo filmov TCO, podobnih tistim, ki smo jih preiskovali tukaj.
Da bi dosegli visoko prepustnost, mora biti hitrost nanašanja slojev TCO visoka, kar je mogoče doseči z uporabo visoke enosmerne moči na tarčo cevi. Vendar je treba lastnosti TCO še vedno ohranjati, ko se TCO pripravlja pri večji gostoti moči. Slika 8 prikazuje elektronsko gibljivost in gostoto nosilcev naboja filmov TCO, razpršenih pri 4kW in 8kW iz tarč iz keramičnih cevi tipa TCO 'Y'. Visoka gibljivost okoli 80 cm2/ Vs je mogoče doseči pri ravni moči 4kW po nanašanju. Povečanje moči brizganja na 8 kW zmanjša največjo mobilnost za največ 10%. Zanimivo je, da bi se gibljivost lahko še povečala, do 100 cm2/ Vs z žarjenjem filmov 30 minut pri 200 ° C, kot je prikazano na sliki 8.
Slika 6. Specifični ciljni stroški na cm3 ciljnega materiala za TCO na osnovi indija in cinka.
Zaključki
Tehnologija sončnih celic SHJ se je izkazala za pomembno igralko na poti k povečanju svojega deleža v obsežni proizvodnji. To je posledica zelo visoke učinkovitosti pretvorbe in vitkega proizvodnega procesa.
Glede vloge TCO je treba še vedno obravnavati tri vidike, da bi povečali možnosti tehnologije SHJ za nadaljnje poseganje v industrijo sončnih celic:
1. Nadalje izboljšajte delovanje celic.To je mogoče doseči z uporabo visoko mobilnih TCO, ki so primerni za množično proizvodnjo. Pokazalo se je, da se lahko TCO z visoko mobilnostjo brizgajo pri visoki prepustnosti, in ti TCO so bili testirani v sončnih celicah SHJ. Čeprav je CE takšnih celic SHJ visok, kljub nižji absorpciji in večji mobilnosti še vedno zaostaja za referenčnimi celicami z najboljšim ITO sprednjim TCO, kar pripisuje povečani kontaktni upornosti TCO z n- in / ali p-dopirani silikonski kontakti. Za nadaljnje zmanjšanje uporovnih izgub na teh vmesnikih in s tem izkoriščanje vseh prednosti vrhunskih lastnosti TCO bo treba obravnavati natančno uravnavanje TCO in izvedbo stika s sloji ter / ali optimizacijo vmesnikov.
2. Zmanjšajte uporabo redkih (in dragih) materialov, zlasti indija.Privlačna možnost za prihranek stroškov materiala je zmanjšanje debeline TCO; to je še bolj privlačno pri dragih visokoprevodnih (visoko mobilnih) TCO. Vendar je potreben še en korak postopka, da se na vrh TCO položi druga, odsevna (omejevalna) plast (ARC), da se zmanjšajo odbojne izgube. Kot je prikazano v tem članku, lahko TCO z nižjo prevodnostjo (AZO v navedenem primeru) uporabimo v sončnih celicah z zadnjim križiščem brez ogrožanja CE. To postaja relevantno za stroške: v predstavljeni analizi cilji na osnovi ZnO kažejo nižje stroške pri 0,6 USD / cm3za ciljni material v primerjavi s 2,6 USD / cm3za cilje, ki temeljijo na Omejeno stabilnost AZO lahko rešite tako, da jo na primer pokrijete z dielektrično plastjo (a-SiO2ali a-SiNx).
3. Zmanjšajte stroške PVD opreme.Spreminjanje in povečanje pretočnosti proizvodnih linij TCO je prava pot, pri čemer je enosmerno brizganje pripravljeno na visoko zmogljivo proizvodnjo visoko zmogljivih TCO.
Zahvala
Hvaležno se zahvaljujemo financiranju nemškega zveznega ministrstva za gospodarske zadeve in energijo (BMWi) v okviru projekta Dynasto pod številko 0324293.
Slika 8. Električne lastnosti slojev TCO, razpršenih pri 4kW in 8kW iz tarč iz keramičnih cevi tipa TCO 'Y', v stanju nanosa in po žarjenju 30 minut pri 200 ° C v okolju.
Zahvala
Hvaležno se zahvaljujemo financiranju nemškega zveznega ministrstva za gospodarske zadeve in energijo (BMWi) v okviru projekta Dynasto pod številko 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. et al. 2019, „Reševanje vseh ozkih grl za tehnologijo silicijeve heterojukcije“, Photovoltaics International, 42. izdaja, str. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, “Električne lastnosti in model napak slojev indijevega oksida, dopiranih s kositrom”, Appl. Fiz. A, letn. 27, št. 4, str. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, "Evaporated Sn" dopirani filmi In2O3: Osnovne optične lastnosti in uporaba energetsko učinkovitih oken ", J. Appl. Phys., Letn. 60, št. 11, str. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, »Karakterizacija in optimizacija filmov indijevega kositrovega oksida za heterojukcijske sončne celice«, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 95, št. 8, str. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, "Primerjalne študije prosojnega prevodnega In-, Z2- in Zn-doziranega In2O3 z uporabo kombinacijskega pristopa", J. Appl. Phys., Letn. 101, št. 6, str. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, „Visoko gibljivi prozorni prevodni tanki filmi hidrogeniranega indijevega oksida, dopirane s cerijem“, Appl. Fiz. Ekspr., Letn. 8, št. 1, str. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, „In2O3 z visoko mobilnostjo: H prozorni prevodni oksidi, pripravljeni z nanašanjem atomske plasti in kristalizacijo v trdni fazi“, fizični status solidi (RRL), letn. 8, št. 12, str. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, „Izboljšane električne lastnosti impulznega enosmernega magnetronsko razpršenega vodikovega indijskega oksida po žarjenju v zraku“, Mater. Sci. Semicon. Zbornik, letn. 89, str. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. in sod. 2016, „Film indijskega oksida, dopiran z volframom: pripravljen za dvofazno metaliziranje bakra v silicijevi heterojukcijski sončni celici“, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 144, str. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, „Visoka elektronska gibljivost tankih slojev In2O3, dopiranih z W z impulznim laserskim nanašanjem“, Appl. Fiz. Lett., Vol. 87, št. 11, str. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, “Rast atomske plasti nanašanja filmov In2O3, dopiranih s cirkonijem”, Thin Solid Films, Vol. 440, št. 1, str. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, „Visoko prevodna in širokopasovna prozorna doza Z2 dopirana In2O3 kot sprednja elektroda za sončne celice“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, “Prozorne elektrode za učinkovito optoelektroniko”, Adv. Electron. Mater., Letn. 3, št. 5, str. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, “Prozorno in polprozorno nanašanje prevodnega filma z reaktivnim okoljem, brizganje votle katode”, J. Vac. Sci. Technol. A, letn. 23, št. 4, str. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, „Indij-oksid, dotiran s titanom: prožen vodnik z visoko gibljivostjo“, Appl. Fiz. Lett., Vol. 87, št. 3, str. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, „Nov prozoren prevodni tanek film In2O3: Mo“, Tanki trdni filmi, letn. 394, št. 1–2, str. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Razvoj radiofrekvenčnega magnetronsko razpršenega indijevega molibden oksida", J. Vac. Sci. Technol. A, letn. 21, št. 4, str. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, „Prosojno prevodni tankoplastni filtri In2O3, dopirani z molskim laserjem z impulznim laserskim odlaganjem, J. Appl. Phys., Letn. 95, št. 7, str. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, "Izboljšan električni transport cinkovega oksida, dopiranega z Al s toplotno obdelavo", J. Appl. Phys., Letn. 107, št. 1, str. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, “Vlažne toplotno stabilne dopirane folije cinkovega oksida”, Thin Solid Films, letn. 555, str. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. in sod. 2011, „Vlažna toplotna stabilnost folij cinkovega oksida, dopiranih z Al, na gladkih in hrapavih podlagah“, Thin Solid Films, Vol. 520, št. 4, str. 1285–1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, „Silicijeve heterojunkcijske sončne celice brez ITO z ZnO: sprednje elektrode Al / SiO2 dosežejo učinkovitost pretvorbe 23%“, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, št. 1, str. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, „Silicijeve heterojunkcijske sončne celice z zadnjim oddajnikom: Manj omejitev optoelektričnih lastnosti TCO sprednjih strani“, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 122, str. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, »Razčlenitev serijske odpornosti silicijevih heterojukcijskih sončnih celic, proizvedenih na pilotski liniji CEA-INES«, Proc. 35. EU PVSEC, Bruselj, Belgija, str. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, “Tridimenzionalna numerična analiza hibridnih heterojunkcijskih silicijevih rezin sončnih celic s heterojunkcijskimi kontakti zadnje točke”, AIP Adv., Vol. 5, št. 7, str. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, „Vpliv sprednjega TCO na delovanje silicijevih heterojunkcijskih sončnih celic v zadnjem križišču: vpogledi iz simulacij in poskusov“, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 195, str. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, "Preprosta metoda z analitičnim modelom za pridobivanje heterojunkcijskih komponent odpornih komponent sončnih celic in za ekstrakcijo A-Si: H (i / p) do prosojne prevodne oksidne kontaktne upornosti", AIP Conf. Zbornik, letn. 2147, št. 1, str. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, “Vpliv silicijevih plasti na rast ITO in AZO v silicijevih heterojukcijskih sončnih celicah”, IEEE J. Photovolt., Str. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, "Tekma za visoko učinkovitost v proizvodnji: Zakaj je heterojunction zdaj pripravljen na trg", Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francija, str. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, „Izboljšave zmogljivosti HJT 2.0“ in stroškovne koristi za proizvodnjo silicijevih heterojukcijskih celic “, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francija, str. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, “Oblikovanje in izdelava dvoslojne sijoče-odsevne prevleke SiOx / ITO za heterojukcijske silicijeve sončne celice”, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 117, str. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, „Silicijeve heterojuncijske sončne celice z bakreno prevlečenimi mrežnimi elektrodami: stanje in primerjava s srebrnimi tehnikami debelega filma“, IEEE J. Photovolt. 4, št. 4, str. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, “ITO / SiOx: H skladi za silicijeve heterojukcijske sončne celice”, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 158, 1. del, str. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, “Priročnik za programsko opremo za optično simulacijo sončnih celic: GENPRO4”, Fotonapetostni materiali in naprave, Univerza za tehnologijo Delft.
[36] Haschke, J. et al. 2020, »Bočni transport v silicijevih sončnih celicah«, J. Appl. Phys., Letn. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, “Izboljšanje kontakta a-Si: H (p) zadnjega oddajnika silicijevih sončnih celic tipa n”, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 106, str. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, »Teoretična ocena kontaktnega sklada za visoko učinkovite sončne celice IBC-SHJ«, Sol. Energy Mater. Sol. Celice, letn. 186, str. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, »Kontaktna upornost TCO / a-Si: H / c-Si heterojunkcije«, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Francija, str. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. in sod. 2019, „Vpliv medfaznih oksidov na tankoplastne kontakte TCO / dopirane Si na transport nosilca naboja pasivizirajočih kontaktov“, IEEE J. Photovolt., Str. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, "Ohmični kontakti za naprave GaAs", Solid-State Electron., Vol. 10, št. 12, str. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038-1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, „Analitično modeliranje silicijevih sončnih celic, povezanih z industrijo“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, št. 1, str. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
