Kilde: vonardenne.biz
Opprinnelig publisert i Photovoltaics International, utgave 44, mai 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstrakt
Silicon heterojunction (SHJ) solcelle-teknologi er en attraktiv teknologi for produksjon av solceller i stor skala med høy konverteringseffektivitet utover 24%. Et sentralt element i SHJ solceller, i motsetning til i dag' s utbredte passiverte emitter og bakre kontakt (PERC) celle teknologi, er bruken av transparent ledende oksid (TCO), som gir utfordringer i ytelse og kostnader, men gir muligheter. Denne artikkelen diskuterer disse aspektene og viser potensialet for å forbedre celleeffektiviteten til reduserte kostnader ved å bruke nye TCOs deponert av likestrøm (DC). Når det gjelder bakre kryss-SHJ-celler, er det mulig å redusere, eller til og med unngå, indiumbruk i slike TCO-er, med aluminium-dopet sinkoksyd (AZO) som en mulig erstatning for indium-oksid-baserte TCO-er. Tilgjengeligheten av TCOs med høy ytelse for masseproduksjon i stor skala, som vil oppmuntre markedet til penetrasjon av SHJ-celler, er oppsummert.
Eksempel på TCO masseproduksjonsutstyr: VON ARDENNEs XEA|nova L
Introduksjon
Silisiumsolceller basert på passivert emitter og PERC-teknologi (bakkontakt) har nådd multi-gigawatt-nivåer i masseproduksjon, med konverteringseffektivitet (CEs) på 22% og nærmer seg nå 23%. For enda høyere CE-er anses passiverte kontakter å være neste generasjon av celleteknologi. Her er silisium heterojunction (SHJ) teknologi en lovende kandidat og løper ut av startporten, med en CE på 23–24% som allerede er demonstrert på wafers i full størrelse, ikke bare i pilotlinjer, men også i storskalaproduksjon [ 1]. Mens det var Panasonic (tidligere Sanyo) som var banebrytende for denne teknologien, har forskjellige aktører over hele verden i mellomtiden bygget opp sine egne produksjonslinjer, som ENEL Green Energy og Hevel Solar i Europa, og REC, Jinergy, GS-Solar og diverse andre I asia. De viktigste fordelene med SHJ-teknologi ble diskutert i en fersk artikkel av Ballif et al. [2]. Foruten den høye CE-verdien, er en nøkkelfordel med SHJ den magre produksjonssekvensen, med bare fire hovedtrinn som kreves for å behandle begge sider symmetrisk:
1. Våtrengjøring og strukturering av vafler.
2. a-Si: H-avsetning ved plasmaforbedret kjemisk dampavsetning (PECVD).
3. Deponering av gjennomsiktige ledende oksydlag (TCO) ved fysisk dampavsetning (PVD, vanligvis forstøvning).
4. Silketrykk av sølvrist.
På grunn av lavtemperatur (& lt; 200 ° C) prosesser og den symmetriske enhetsstakken, kan spenningsindusert bøyning og sprekker av wafer unngås, noe som betyr at tynne wafere kan brukes, og dermed spares materialkostnader og energi. SHJ-stakken forekommer naturlig i en bifacial celledesign; dessuten har SHJ-celler den laveste temperaturkoeffisienten i feltet, typisk –0,28% / ° C. Kombinasjonen av bifacialitet og lav temperaturkoeffisient øker energiutbyttet til et PV-system.
På den annen side er noen av faktorene som begrenser en rask økning i opptaket av SHJ-teknologi, de relativt høye utstyrskostnadene, hovedsakelig for PECVD (men også for PVD), og den tilpassede cellekontakten for modulproduksjon (ingen standard høy temperatur lodding). Mer Ag-pasta er nødvendig enn for standard Si-celler på grunn av herdingen ved lav temperatur, noe som gir lavere ledningsevne fingre; dette avhenger imidlertid av samtrafikk-tilnærmingen, spesielt om samleskinner brukes eller ikke. Til slutt, og diskutert mer detaljert i denne artikkelen, kreves mål for sputtering av TCO-lagene på begge sider, noe som er kostbart for materialene som vanligvis brukes.
Indiumoksid (In2O3) dopet med tinn (Sn), referert til som ITO, er for tiden den mest brukte TCO [3–5]. Dette gjennomsiktige ledende oksydet er velkjent fra masseproduksjonen av flatskjermdisplayer (FPD) og viser passende opto-elektroniske egenskaper, slik som lav resistivitet av tynne lag og tilstrekkelig gjennomsiktighet i det synlige området. Et viktig hensyn for FPD-produksjon, ITO kan behandles ved fotolitografi, da det er etsbart (i avleiret tilstand) og er langsiktig stabilt etter fastfase-krystallisering ved termisk gløding ved 150-200 ° C. Generelt blir ITO avsatt ved likestrøm (DC) magnetronforstøvning på store områder. Selv om DC-sputtering opprinnelig forårsaker en viss skade på silisiumoverflatens passivering, blir dette fullstendig glødet ved temperaturer på rundt 200 ° C, som oppnås enten under sputtering eller senere under herding av Ag-pastaen etter silketrykk.
I motsetning til FPD-er, må TCO oppfylle tilleggskrav når de brukes på forsiden av SHJ-celler, nemlig en utmerket gjennomsiktighet i det bredere bølgelengdeområdet 300–1100 nm. Fig. 1 viser absorpsjonsspektrene til forskjellige TCO-lag, som viser forskjellene i parasittabsorpsjon i kort- og langbølgelengderegimene. I tillegg til denne lave absorpsjonen er lave kontaktmotstander med både n- og p-dopet silisiumlag, så vel som med metallrist, obligatoriske for TCO-lagene på begge sider. Sist, men ikke minst, er kostnadsbegrensningene for solceller ekstremt strenge, og for å se for seg PV i terawatt-skala er det viktig å redusere (eller enda bedre, unngå) bruken av kritiske eller knappe materialer, for eksempel indium ( I). Det sistnevnte aspektet er imidlertid fortsatt vanskelig å adressere, ettersom de fleste TCOer for enhetskvalitet inneholder indium. Et alternativ er å redusere tykkelsen på slike TCOer, som deretter krever at et annet lag deponeres for å opprettholde ideell optisk (antireflekterende) ytelse. Dette øker igjen antall prosesstrinn og dermed prosessens kompleksitet og kostnader.
Denne artikkelen tar for seg optimaliseringen av TCO for inkorporering i SHJ solceller. En beregning presenteres for evaluering og benchmarking av forskjellige TCOs med hensyn til deres egnethet for anvendelse i SHJ-celler. For å redusere det optiske tapet i TCO foran, er bruk av materialer med høy gjennomsiktighet obligatorisk. En mobilitet med høy ladningsbærer, vanligvis> 100 cm2/ Vs, tillater en reduksjon i bærertetthet (ved konstant resistivitet), og derved reduserer det optiske tapet på grunn av fri bærerabsorpsjon (FCA).
Ulike 'høy mobilitet' TCO-materialer basert på indiumoksid med forskjellige dopinger har blitt undersøkt tidligere [6–13]. Alle disse har utmerkede egenskaper som TCO-lag på glass, og de fleste av dem har også høy CE. Målproduksjon er imidlertid vanskelig, og kostnadene er høye for mange av disse materialene.
Nye TCOer som kan behandles i stor skala fra roterbare mål er nå tilgjengelig, noe som gir høy mobilitet og produserer SHJ-celler med høy CE. Omstendighetene der AZO som et indiumfritt og billig alternativ kan implementeres i SHJ-celler med høy effektivitet, vil bli diskutert senere. En kostnadssammenligning av In-baserte og ZnO-baserte mål vil også bli presentert.
Figur 1. Optisk absorpsjonsspektre for forskjellige typer TCO-lag med tykkelse
TCO for SHJ solceller
Tidligere har flere TCO-materialer blitt undersøkt for bruk i SHJ-solceller. Viktige krav til denne implementeringen er høy ledningsevne og høy gjennomsiktighet, med prosesseringstemperaturer under 200 ° C (på grunn av følsomheten til tynnfilms silisiumpassiveringslag), samt god kontaktdannelse med de nærliggende lagene [14].
Blant noen av de relevante TCOene, er polykrystallinsk Sn-dopet In2O3(ITO) vokst ved temperaturer under 200 ° C, som når elektronmobilitet (μe) rundt 40 cm2/ Vs [3–5], har funnet bred anvendelse i SHJ solceller. In-baserte TCOer dopet med andre metaller, slik som titan (Ti) [15,16], zirkonium (Zr) [6,12,13], molybden (Mo) [15,17–19] og wolfram (W) [ 10,11], gi μe-verdier større enn 80 cm2/ Vs med en ladetetthet (ne) fra 1 × 1020 til 3 × 1020 cm-3.
Disse lagene kan deponeres via magnetronforstøvning, pulserende laseravsetning (PLD) og ioneplating med DC-lysbueutladning eller reaktiv plasmadeponering (RPD). Av disse er sputtering den mest etablerte metoden for masseproduksjon. Enda høyere mobilitet på μe> 100 cm2/ Vs kan oppnås for fastfase krystallisert (SPC) hydrogen (H) -doped In2O3(IOH) [6-9] og cerium (Ce) ICeO: H [7] filmer med 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Disse filmene blir avsatt ved lave temperaturer i en amorf matrise og deretter glødet ved temperaturer over 150 ° C, noe som resulterer i høye μe-verdier på grunn av dannelsen av store korn.
TCOene som er introdusert ovenfor er attraktive på grunn av deres enestående optoelektriske ytelse, men hittil har hovedsakelig ITO og IWO: H funnet veien til industriell produksjon. Knappheten på indium er imidlertid en motivasjon for implementering av alternative TCO. AZO tilbyr fordelen av å ha mer overflod av komposittmaterialer. AZO-lag med en tykkelse på flere hundre nanometer, forstøvet ved forhøyede temperaturer> 250 ° C, gir gode opto-elektroniske egenskaper [20] og også stabilitet [21].
Tynne lag med tykkelse mindre enn 100 nm avsatt ved temperaturer under 200 ° C, som kreves for SHJ-celler, viser derimot en dårlig krystallstruktur, noe som resulterer i lave mobilitetsverdier rundt 20 cm2 / Vs og dårlig langvarig stabilitet [22]. Forbedret stabilitet for SHJ-solceller har imidlertid blitt vist ved å påføre et amorft silisiumoksid (a-SiO2) capping [23].
Som angitt av μeoppnådde verdier, og avhengig av prosesseringsbetingelser, viser de forskjellige TCOene et bredt spekter av elektronmobiliteter. TCO-arkmotstanden (R▫) områder kan klassifiseres som vist i tabell 1. Her kan et bærerkonsentrasjonsområde 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3anses: dette representerer et godt kompromiss for å oppnå lav FCA, god elektrisk ledningsevne og god kontaktdannelse med nabolag, og en 75 nm TCO tykkelse for antireflekterende egenskaper.
Symmetrien i SHJ-cellebearbeiding og bruken av (n-type) wafere med veldig høy bærelevetid tillater en å velge hvilken kontakt (n eller p) som vender mot fronten. P-kontaktens (kryss) posisjon har en innvirkning på optimaliseringen av den fremre TCO for å oppnå både høy gjennomsiktighet og lav seriemotstand Rsav cellen [24–27]. For å demonstrere dette, viser figur 2 skjematiske tverrsnitt av bifaciale og monofaciale SHJ-solceller i en bakre krysskonfigurasjon med alle Rs-bidrag indikert. En detaljert analyse av Rs-komponenter og deres bidrag i SHJ-solceller finnes i Basset et al. [25] og Wang et al. [28]. Den høye ledningsevnen, dvs. tetthet og mobilitet, til elektroner i c-Si-waferen, sammen med den meget lave kontaktmotstanden til n / TCO-kontakten, favoriserer valget av n-kontakten på fronten ('bakre kryss'), siden sidestrømstransporten er betydelig støttet av skiven. Dette avslapper konduktivitetskravet til TCO (arkmotstand), og muliggjør en optimalisering mot høyeste gjennomsiktighet.
For å illustrere effekten av den ovennevnte friheten i celledesign, viser figur 3 simulerte Rs-kurver sammen med eksperimentelle verdier ekstrahert fra solceller, med en ITO-prosessvariasjon som en funksjon av front-TCO-arkmotstanden. De eksperimentelle verdiene validerer trendene i modellen [27]. Som det tydelig kan sees, gir den bakre kryssdesignen en fordel for høyresistive TCOer ved å dra nytte av sidestøtten i elektronledning i Si-waferen. Frontkryssingsdesignet er derimot gunstigere for TCO-lag med lav motstand; denne utformingen utnytter det lavere tverrgående Rs-bidraget, siden elektroner, som har høyere mobilitet enn hull, beveger seg til baksiden av waferen (med fotogenerering hovedsakelig nær forsiden). Avveiningen mellom de laterale og tverrgående Rs-bidragene vil avgjøre hvilken solcelledesign som er best egnet, avhengig av tilgjengelig TCO-arkmotstand.
R▫Områder for forskjellige TCO-er rapportert i litteraturen og som definert i tabell 1 er vist i figur 3 med den tilsvarende fargeskyggingen. TCO med lav R▫(rød) er mer fordelaktig når de implementeres i en frontkryssingsenhet, mens totalkostnader med mellomklasse R▫(blå) er i en overgangsregion hvor Rsforskjellen mellom frontkryss og bakkryssingsenheter er ganske liten. I motsetning til dette er TCO med høy R▫(grå) er klart fordelaktig når de implementeres i en bakre kryssdesign; Dette er gunstig for AZO, for eksempel, da det er svært gjennomsiktig, men ikke veldig ledende, men fremdeles produserer den samme SHJ-celleeffektiviteten> 23% som ITO-referansecellen [23]. På Helmholtz-Zentrum Berlin har SHJ-solceller med både ITO- og AZO-basert front-TCO oppnådd en sertifisert CE over 23,5% [29].
En annen tilnærming som utnytter wafer lateral transport support, demonstrert av noen forskningsgrupper [27,30] og i pilotproduksjon [31], er å implementere tynnere TCO, noe som reduserer parasittabsorpsjon, og dermed opprettholder eller forbedrer solcelle-CE. Implementeringen av et tynnere TCO-lag krever imidlertid et andre lag på toppen - for eksempel SiO2eller Si3N4- for å opprettholde optimal antirefleksjon (AR) [32–34].
For å nøyaktig kvantifisere den optiske ytelsen til forskjellige TCOer når de implementeres i cellestakken, dvs. bestemme det spesifikke tapet i kortslutningsstrømtetthet (Jsc), ble simuleringer med et programvareverktøy for strålesporing (GenPro4 [35]) utført. Tatt i betraktning det TCO-relaterte effekttapet i cellen på grunn av både en økning i Rs og en reduksjon i Jsc, ble forskjellige TCO-materialer benchmarket, som vist i figur 4. For dette formålet ble en referansesolcelle med CE=23,3 % ble vurdert, uten TCO-relaterte tap i Jscog Rs(FF). IOH, ITO og AZO ble studert som eksempler på low-R▫, midt på R▫og high-R▫regimer henholdsvis.
Implementeringer av både standard 75 nm tykk ('tykk') og optisk optimalisert tynnere ('tynn') TCO ble studert. For en rettferdig sammenligning (dvs. for å holde seg i AR-optimum i alle tilfeller), ble alle celler (med 'tykke' og 'tynne' TCO) ferdig med en a-Si2kappelag. Kontaktmotstandene ved TCO / Ag- og TCO / Si-grensesnittene ble antatt å være (lave og) like for alle tre TCOene, noe som selvfølgelig er en forenkling. Dette vil bli diskutert senere og presenteres i Haschke et al. [36]. Ytterligere detaljer om de optimaliserte lagtykkelsene og simuleringsresultatene finner du i Cruz et al. [27].
Grafene i figur 4 viser det TCO-relaterte strømtapet på grunn av en reduksjon i Jsc og en økning i Rs, for bakre kryss (Fig. 4 (a)) og frontkryss (Fig. 4 (b)) enheter. Det er klart at IOH overgår de to andre TCOene på grunn av dens fremragende opto-elektroniske egenskaper i begge tilfeller. I figur 4 (a), som viser den tykke ITO og AZO, kompenserer materialene deres CE-tap, siden AZO med lavere ledningsevne viser lavere parasittabsorpsjon enn ITO. Når dette sammenlignes med de tynnere versjonene av TCO, kan det observeres at CE-tapet avtar noe som et resultat av redusert TCO-parasittabsorpsjon. ITO drar tydeligvis mer ut av denne tynningen, på grunn av den sammenlignbare høyere parasittabsorpsjonen, noe som til slutt fører til litt bedre CE enn med AZO. Dette viser at tynnere totalkostnader med forbedret optikk kan implementeres i en bakre krysskonfigurasjon og vil være gunstig når det gjelder CE.
I motsetning til det, når man ser på frontkryssdesignet i fig. 4 (b), kan det sees at IOH med høy ledningsevne ikke vil lide av det lavere laterale transportbidraget fra waferen. Den lavere ledningsevnen ITO og AZO øker imidlertid de resistive tapene. Å redusere tykkelsen på ITO fører ikke til en CE-fordel, mens det for AZO er åpenbart ufordelaktig. Det kan konkluderes med at en TCO med høy ledningsevne, her IOH i eksemplet, kan implementeres på både bak- og frontkryss solcellekonfigurasjoner uten store forskjeller i CE-tap. TCOer med lavere ledningsevne - som ITO og AZO - vil lide av de høyere laterale R-ene som er tilstede i frontkryssingskonfigurasjonen. Tynning av TCO på bakkryss solceller er fordelaktig hvis TCO overskrider en viss absorpsjonsterskel, selv for en TCO med lav ledningsevne, her AZO i eksemplet. I et frontkryssdesign vil tynningen bare gi små fordeler, eller til og med være ufordelaktig for TCOer med lavere ledningsevne som AZO.
Ytelse av industrielle TCOer med høy mobilitet
For å teste TCOs med høy mobilitet som er forstøvet med høy hastighet ved DC-sputring fra rørmål, som utført i storskala masseproduksjon, ble forskjellige materialer brukt til den fremre TCO i bifacial bakkryss SHJ solceller. To typer TCO med høy mobilitet ble testet, nemlig titandopet indiumoksid (ITiO) og indiumoksid med en ukjent dopingtype ('Y'). I tillegg ble ITO med forskjellige dopingkonsentrasjoner testet, nemlig inneholdende 97% indiumoksyd og 3% tinnoksyd i målet ('97 / 3 ') og ITO 99/1. Som referansemateriale ble ITO 97/3 implementert på baksiden av alle celler. En gruppe celler med ITO 95/5 på både for- og baksiden ble også inkludert.
Tilsvarende testlag på glass avslørte TCO-arkmotstand i området 36–136 Ω etter avsetning og gløding i 30 minutter ved 200 ° C under omgivelsesforhold, noe som er sammenlignbart med herdingen utført etter silketrykk. Dette er et passende område for implementering som frontkontakt i bakre kryss SHJ solceller, som diskutert tidligere (se fig. 3). Det må imidlertid tas i betraktning at TCO-lag avsatt på glass kan utvise egenskaper (bærermobilitet) som er forskjellige fra lagene når lagene avsettes på silisium, som kreves for solceller. Dette har blitt tilskrevet to effekter [29]: (1) forskjellig krystallkjerner og dermed kornstruktur; (2) forskjellig hydrogeninnhold som diffunderer fra silisiumlaget til TCO.
ITiO- og Y-lagene har høy mobilitet på opptil 90 cm2 / V, men med forskjellige ladningsbærertettheter, nemlig 2 × 1020cm-3og ~ 0,8 × 1020cm-3henholdsvis. For ITO97 / 3 og ITO99 / 1 filmer, lavere mobilitetsverdier, på rundt 60 og 70 cm2/ Vs ved ladningsbærertetthet på 2,7 × 1020 cm-3og 1,8 × 1020cm-3ble målt. Som et resultat av den svært lave ladningsbærertettheten, viste Y-filmene den laveste parasittabsorpsjonen i det nærmeste infrarøde området (se fig. 1), noe som gjør dette materialet til det mest lovende for å oppnå den høyeste Jsc og muligens høyeste CE i solceller.
DeI–Vparametrene til hver av testgruppene er vist i fig. 5. Alle celler har sammenlignbare åpne kretsspenninger (Voc), med medianer i det smale området 737–738 mV. Dette bekrefter at passiveringen ikke forringet seg på grunn av forskjellige skader på sputter. Som forventet ga solcellene med høy mobilitet TCO den høyeste Jscverdier, med medianer på 39,0 mA / cm2og 39,2 mA / cm2for henholdsvis ITiO og Y. Dette er opptil 0,5 mA / cm2høyere enn det som oppnås med referansen ITO97 / 3.
Til tross for det høyeJscog braVocverdier, men cellene med Y-frontkontakt ga ikke den høyeste effektiviteten. Den høyeste median CE på 22,9% ble faktisk oppnådd for ITO99 / 1, mens den høyeste verdien av CE på 23,3% ble målt for en celle med ITiO. Lavere CE i tilfelle av Y-prøvene er fra den nedre medianen FF på bare rundt 77%, noe som skyldes en verdi på Rs som er betydelig høyere; faktisk gir cellene med en Y-frontkontakt de høyeste median Rs-verdiene på 1,3-1,6 Ω cm2. I motsetning er median Rs-verdien 0,9 Ω cm2for ITO99 / 1-cellene, noe som resulterer i en betydelig høyere medianFFpå 79,5%.
Tabell 1. Sammenligning av de elektriske egenskapene til forskjellige TCOer.
Figur 2. Skjematisk tverrsnitt av solceller med bakkryss silisium heterojunksjon (SHJ): (a) bifacial celledesign; (b) monofacial celledesign, med seriemotstandskomponentene (Rs) vist.
Figur 3. Seriemotstand mot TCO-arkmotstand foran for og bak-kryss SHJ solceller. Kurvene representerer simulerte resultater, mens boksene indikerer resultater for målte celler med en ITO-variasjon.
Viktigheten av lav kontaktmotstand
Den høye seriemotstanden til cellene med (lav bærertetthet og) høy mobilitet TCO er faktisk et aspekt som må takles. Mer presist, de to hovedkomponentene i Rsher er kontaktmotstanden til TCO-ene med de n- og p-dopede silisiumkontaktlagene, som er undersøkt i detalj i litteraturen [37–40]. Når det gjelder n-dopede c-Si-baserte solceller, kan kontaktmotstanden til TCO med de n-dopede Si-lagene karakteriseres av forskjellige, relativt enkle teknikker, slik som Cox og Strack [41] eller overføring -line [42] metoder. Kontaktmotstanden til TCO med det p-dopede Si-laget (TCO / p) er derimot vanskeligere å få tilgang til, fordi det dannes et kryss. Som vist av Basset et al. [21] og Wang et al. [24], for eksempel, en enkel metode for å trekke ut verdien av Rskomponent er å utlede alle tilgjengelige komponenter i Rsog den gjenværende verdien konkluderes så med å være TCO / p-kontaktmotstanden.
Kontaktmotstanden ρcavhenger av detaljert båndjustering og bøying av bånd, så vel som på grensesnittfeiltilstandene; derfor er flere parametere viktige, spesielt aktiveringsenergien til det dopede Si-laget og ladningsbærertettheten, men også arbeidsfunksjonsforskjellen mellom begge materialene. Procel et al. [38] viste at ρcer minimal når de dopede lagene utviser lave aktiveringsenergiverdier, slik som de som oppnås med nanokrystallinske silisiumlag i stedet for amorfe lag.
Videre bør ladebærertettheten til TCO være godt over 1 × 1020cm-3; dette er spesielt viktig for TCO / p-kontakten, for hvilken effektiv rekombinasjon av hull og elektroner ved kontakten er viktig. Når det gjelder valg og optimalisering av TCO-lag, innebærer dette å finne et optimalt for ne, som må være høyt nok til å oppnå tilstrekkelig lav ρcverdier, men må samtidig være så lave som mulig for å begrense parasittabsorpsjon (FCA).
I et nyere eksperiment ble et Y-lag med høyere bærertetthet valgt; Fig. 8 viser egenskapene som er tilgjengelige ved å stille prosessen. Faktisk, for den tilpassede TCO, gjenopprettet cellen FF, men på bekostning av en liten reduksjon i Jscpå grunn av den ekstra FCA. Samlet sett økte CE fremdeles til et lignende nivå som det som ble funnet for de beste gruppene i figur 5, noe som viser viktigheten av nøye innstilling av laget og grensesnittegenskapene.
Figur 4. Strømtetthetsrelatert strømtap (Ploss J) og seriemotstandsrelatert krafttap (Ploss R) for (a) bakre kryss og (b) SHJ-celler foran kryss. Verdier for tap av konverteringseffektivitet (CE) er angitt med de stiplede linjene; disse tapene er relativt til en referansesolcelle med 23,3% CE, representert av den lilla diamanten ved (0,0). De fylte symbolene representerer 75 nm tykke TCOer (standard), men med et antirefleksbelegg (ARC) på toppen, mens de åpne symbolene representerer tynnere (optimaliserte) TCO-lag, også med en ARC.
Industrielle aspekter: målkostnader
De vanlige typene TCO-mål som brukes i den krystallinske silisium PV-industrien er roterbare mål, som er sylindriske skall av TCO-materiale bundet på et støtterør laget av metall. Jo lenger røret er, jo flere skall må brukes til rørmålet. Årsaken til at næringen foretrekker denne typen mål for sputtering av TCO er den mye høyere utnyttelsesgraden av TCO-målmaterialet enn for plane typer TCO-mål. Utnyttelsesgraden for målmaterialet som kan oppnås med et roterbart mål er vanligvis ≥80%; dette er av spesiell interesse i tilfelle der TCO-materialer er dyre, slik som indiumbaserte TCOer. Når det gjelder TCO i den krystallinske silisium-PV-industrien, er indium-baserte TCO-er dominerende på grunn av deres utmerkede lagegenskaper (som også ble vist tidligere). Likevel tilbyr noen markedsaktører også sinkbaserte TCOer for samme formål. Det er faktisk fordeler og ulemper ved bruk av sinkbaserte TCO. En fordel er den lavere kostnaden for et sinkbasert rørmål med dimensjoner som er identiske med de for et indiumbasert mål, mens den lavere ledningsevnen til sink gir noen begrensninger i solcelledesign, som diskutert tidligere og visualisert i figur 3.
Fig. 6 viser den spesifikke målkostnaden per cm3av rørmål for sinkbaserte TCOer og indiumbaserte TCOer; Vær oppmerksom på at kostnaden for støtterøret er ekskludert fra målkostnaden. Datapunktene ble samlet inn fra målleverandører over hele verden. Det mindre antall datapunkter for sinkbaserte TCO kan tilskrives mangelen på interesse for det materialet som er vist av den krystallinske silisium PV industrien så langt.
Noe spredning i målkostnadene eksisterer på grunn av de forskjellige materialene i sinkgruppen og i indiumgruppen, eller på grunn av forskjellige leverandører. Datapunktene som angir høyere målkostnad i begge grupper kan forklares med mindre vanlige sammensetninger og / eller kostbare produksjonsprosesser og / eller høye marginer. Datapunktene med lavere kostnader som ble observert i begge grupper, bør være representative kostnadsverdier for solcelleprodusenter med flere hundre årlige etterspørsel etter rørmål.
En sammenligning av den laveste verdien i begge gruppene avslører at Zn-baserte TCO (målkostnad ~ $ 0,6 / cm3) kan være rundt en fjerdedel av prisen på In-baserte TCO (målkostnad ~ $ 2,6 / cm3). Det skal imidlertid påpekes at disse datapunktene er et øyeblikksbilde av den nåværende situasjonen og snart vil trolig bli foreldet, avhengig av volatiliteten i aksjemarkedet med hensyn til råvaremateriale, spesielt indium.
Figur 5. I – V-parametere for bifaciale SHJ solceller med 4 cm2 størrelse med forskjellige TCOer foran og ITO 97/3 på baksiden. ITO 95/5, DC forstøvet fra et rørmål på HZB, ble inkludert som referanse.
Industrielle aspekter: masseproduksjon
Foruten ønsket om å implementere indiumfrie TCOer med sikte på å forbedre driftsutgiftene (OPEX), er det i den beste interesse å ha et høyt volum produksjonsforstøvningsverktøy som kan produsere et høyverdig TCO-belegg til en lav kostnad. Fig. 7 viser det svært produktive XEA|nova L-forstøvningssystemet fra VON ARDENNE, som kan deponere TCO-lag med en gjennomstrømning på 8000 M6 wafers i timen i grunnversjonen, og med enda høyere gjennomstrømning ved hjelp av oppgraderingspakker. I løpet av 2019 ble XEA|nova-utstyret en del av en industriell produksjonslinje som nådde toppcelleeffektivitet på over 24% ved bruk av TCO-filmer som ligner på de som er undersøkt her.
For å oppnå høy gjennomstrømning må avsetningshastigheten til TCO-lagene være høy, noe som kan realiseres ved å påføre rørmålet en høy DC-effekt. Imidlertid må TCO-egenskapene fortsatt opprettholdes når TCO fremstilles ved høyere effekttettheter. Fig. 8 viser elektronmobiliteter og ladningsbærertettheter for TCO-filmer, forstøvet ved 4kW og 8kW fra keramiske rørmål av TCO-type 'Y'. Høy mobilitet på rundt 80 cm2/ Vs kunne oppnås på et effektnivå på 4kW etter avsetning. En økning i forstøvningseffekten til 8 kW reduserer maksimal mobilitet med maksimalt 10%. Det er interessant at mobilitetene kan økes ytterligere, opp til 100 cm2/ Vs, ved å annealing filmene i 30 minutter ved 200 ° C, som vist i fig. 8.
Figur 6. Spesifikk målkostnad per cm3 målmateriale for indiumbaserte og sinkbaserte TCOer.
Konklusjoner
SHJ solcelleteknologi har vist seg å være en viktig aktør på vei til å øke sin andel i storskala produksjon. Dette er på grunn av de høye oppnådde konverteringseffektivitetene og den magre produksjonsprosessen.
Når det gjelder rollen til totalkostnader, må tre aspekter fremdeles tas opp for å øke SHJ-teknologiens muligheter for å gjøre ytterligere inngrep i solcelleindustrien:
1. Forbedre celleytelsen ytterligere.Dette kan oppnås ved å implementere TCOer med høy mobilitet som er egnet for masseproduksjon. Det ble vist at høy mobilitet TCO kan sputteres ved høye gjennomstrømninger, og disse TCOene ble testet i SHJ solceller. Selv om CE for slike SHJ-celler er høy, ligger den fortsatt etter referanseceller med den beste ITO-front-TCO, til tross for lavere absorpsjon og høyere mobilitet. Dette tilskrives en økt kontaktresistivitet av TCO-ene med n- og / eller p-dopede silisiumkontakter. Finjustering av TCO og implementering av kontaktlag og / eller grensesnittoptimalisering vil måtte adresseres for ytterligere å redusere resistive tap ved disse grensesnittene og derved få full fordel av de overlegne TCO-egenskapene.
2. Reduser bruken av knappe (og dyre) materialer, spesielt indium.Et attraktivt alternativ for å realisere en besparelse i materialkostnad er å redusere TCO-tykkelsen; dette er enda mer attraktivt med dyre høye konduktivitetskostnader (høy mobilitet). Imidlertid er det behov for et nytt prosesstrinn for å deponere et andre, antireflekterende (capping), lag (ARC) på toppen av TCO for å redusere refleksjonstap. Alternativt, som vist i denne artikkelen, kan TCOer med lavere ledningsevne (AZO i eksemplet gitt) implementeres i bakkryss solceller uten å gå på kompromiss med CE. Dette får relevans når det gjelder kostnader: i analysen som presenteres viser ZnO-baserte mål lavere kostnad på $ 0,6 / cm3for målmateriale, sammenlignet med $ 2,6 / cm3for In-baserte mål. Den begrensede stabiliteten til AZO kan håndteres ved for eksempel å dekke den med et dielektrisk lag (a-SiO2eller a-SiNx).
3. Reduser PVD-utstyrskostnadene.Å skalere og øke gjennomstrømningen av TCO-produksjonslinjer er veien å gå, med DC-sputtering er klar for høy gjennomstrømningsproduksjon av høyytelses-TCOer.
Anerkjennelser
Finansiering fra det tyske føderale departementet for økonomiske anliggender og energi (BMWi) innenfor rammen av Dynasto-prosjektet under # 0324293 er takknemlig anerkjent.
Figur 8. Elektriske egenskaper for TCO-lag som sputteres ved 4kW og 8kW fra keramiske rørmål av TCO-type 'Y', i som deponert tilstand og etter gløding i 30 minutter ved 200 ° C under omgivelsesforhold.
Anerkjennelser
Finansiering fra det tyske føderale departementet for økonomiske anliggender og energi (BMWi) innenfor rammen av Dynasto-prosjektet under # 0324293 er takknemlig anerkjent.
Referanser
[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. et al. 2019, “Løse alle flaskehalser for silisium-heterojunction-teknologi”, Photovoltaics International, 42. utgave, s. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, “Elektriske egenskaper og defektmodell av tin-dopet indiumoksidlag”, Appl. Phys. A, Vol. 27, nr. 4, s. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, "Evaporated Sn» doped In2O3 films: Basic optiske egenskaper og applikasjoner til energieffektive vinduer ", J. Appl. Phys., Vol. 60, nr. 11, s. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, "Karakterisering og optimalisering av indiumtinnoksydfilmer for heterojunksjon solceller", Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 95, nr. 8, s. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, “Comparative studies of transparent conductive Ti-, Zr-, and Sn-doped In2O3 using a combinatorial approach”, J. Appl. Phys., Vol. 101, nr. 6, s. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, “Transparent ledende tynne filmer av cerium-dopet hydrogenert indiumoksid” med høy mobilitet, Appl. Phys. Uttrykk, Vol. 8, nr. 1, s. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, “High mobilitet In2O3: H gjennomsiktige ledende oksider fremstilt ved atomlagdeponering og fastfasekrystallisering”, physica status solidi (RRL), Vol. 8, nr. 12, s. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, “Forbedrede elektriske egenskaper av pulserende DC magnetron forstøvet hydrogendopt indiumoksid etter gløding i luften”, Mater. Sci. Semicon. Proc., Vol. 89, s. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, “Tungsten doped indium oxide film: Ready for bifacial kobber metallization of silicon heterojunction solar cell”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 144, s. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, “High electron mobilitet W-dopet In2O3 tynne filmer ved pulserende laseravsetning”, Appl. Phys. Lett., Vol. 87, nr. 11, s. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, “Atomic layer deposition growth of zirconium doted In2O3 films”, Thin Solid Films, Vol. 440, nr. 1, s. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, “Svært ledende og bredbånds transparent Zr-dopet In2O3 som frontelektrode for solceller”, IEEE J. Photovolt., S. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, “Transparente elektroder for effektiv optoelektronikk”, Adv. Elektron. Mater., Vol. 3, nr. 5, s. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, “Transparent and semitransparent conducting film deposition by reactive-environment, hule cathode sputtering”, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 23, nr. 4, s. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, “Titaniumdoped indium oxide: A high-mobility transparent conductor”, Appl. Phys. Lett., Vol. 87, nr. 3, s. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, “En ny gjennomsiktig ledende tynn film In2O3: Mo”, Thin Solid Films, Vol. 394, nr. 1–2, s. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., “Development of radiofrequency magnetron sputtered indium molybdenum oxide”, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 21, nr. 4, s. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, “High-mobilitet transparent ledende Mo-dopet In2O3 tynne filmer ved pulserende laseravsetning”, J. Appl. Phys., Vol. 95, nr. 7, s. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, “Forbedret elektrisk transport i al-dopet sinkoksid ved termisk behandling”, J. Appl. Phys., Vol. 107, nr. 1, s. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, “Fuktig varmestabile dopede sinkoksydfilmer”, Thin Solid Films, Vol. 555, s. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, “Fuktig varmestabilitet av al-dopede sinkoksidfilmer på glatte og tøffe underlag”, Thin Solid Films, Vol. 520, nr. 4, s. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, “ITO-fri silisium heterojunksjon solceller med ZnO: Al / SiO2 frontelektroder som når en konverteringseffektivitet på 23%”, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, nr. 1, s. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, “Silicon heterojunction rear emitter solceller: Mindre restriksjoner på de optoelektriske egenskapene til TCOer på forsiden”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 122, s. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, "Seriemotstandsnedbrytning av silisium heterojunksjon solceller produsert på CEA-INES pilotlinje", Proc. 35. EU PVSEC, Brussel, Belgia, s. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, “Tredimensjonal numerisk analyse av hybrid heterojunksjon silisiumplater solceller med heterojunksjon bakre punktkontakter”, AIP Adv., Vol. 5, nr. 7, s. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, “Effekt av front-TCO på ytelsen til bakkryss silisium heterojunksjon solceller: Innsikt fra simuleringer og eksperimenter”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 195, s. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, “En enkel metode med analytisk modell for å trekke ut motstandskomponenter for heterojunksjon solcelle-serie og for å ekstrahere A-Si: H (i / p) til gjennomsiktig ledende oksidkontaktmotstand”, AIP Conf. Proc., Vol. 2147, nr. 1, s. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, “Innflytelse av silisiumlag på veksten av ITO og AZO i silisium heterojunksjon solceller”, IEEE J. Photovolt., S. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, "The race for high efficiency in production: Why heterojunction is now ready for market", Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Frankrike, s. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, "'HJT 2.0' ytelsesforbedringer og kostnadsfordeler for produksjon av silisium-heterojunksjoncelle", Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Frankrike, s. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, “Design og fabrikasjon av et SiOx / ITO dobbeltlags antireflekterende belegg for heterojunksjonssilicium solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 117, s. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, “Silicium heterojunction solceller med kobberbelagte gitterelektroder: Status og sammenligning med sølvtykkfilmteknikker”, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 4, s. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, “ITO / SiOx: H stabler for silisium heterojunksjon solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 158, del 1, s. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, “Manual for solar cell optical simulation software: GENPRO4”, Photovoltaic Materials and Devices, Delft University of Technology.
[36] Haschke, J. et al. 2020, ”Lateraltransport i silisiumsolceller”, J. Appl. Phys., Vol. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, “Forbedring av a-Si: H (p) bakre emitterkontakt av n-type silisium solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 106, s. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, “Teoretisk evaluering av kontaktstabel for høyeffektive IBC-SHJ solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 186, s. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, “Kontaktresistivitet av TCO / a-Si: H / c-Si heterojunction”, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Frankrike, s. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, “Innflytelse av grensesnittoksider ved TCO / dopet Si tynnfilmkontakter på ladetransport av passiverende kontakter”, IEEE J. Photovolt., S. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, "Ohmiske kontakter for GaAs-enheter", Solid-State Electron., Vol. 10, nr. 12, s. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, "Analytisk modellering av industrirelaterte silisiumsolceller", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 1, s. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].