Kilde: vonardenne.biz
Oprindeligt udgivet i Photovoltaics International, udgave 44, maj 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& forstærker; Bernd Stannowski1
Abstrakt
Silicium heterojunction (SHJ) solcelle-teknologi er en attraktiv teknologi til storskalaproduktion af solceller med en høj konverteringseffektivitet ud over 24%. Et nøgleelement i SHJ-solceller, der står i kontrast til nutidens' s udbredte passiverede emitter- og bagkontakt (PERC) celle-teknologi, er brugen af gennemsigtig ledende oxid (TCO), som udgør udfordringer i ydelse og omkostninger, men også giver muligheder. Dette papir diskuterer disse aspekter og viser potentialet for at forbedre celleeffektiviteten til reducerede omkostninger ved at bruge nye TCO'er deponeret ved jævnstrøm (DC) forstøvning. I tilfælde af bageste kryds SHJ-celler er det muligt at reducere eller endog undgå indiumbrug i sådanne TCO'er, hvor aluminium-dopet zinkoxid (AZO) er en mulig erstatning for indiumoxid-baserede TCO'er. Tilgængeligheden af højtydende TCO'er til masseproduktion i stor skala, som vil tilskynde til markedsindtrængning af SHJ-celler, er opsummeret.
Eksempel på masseproduktionsudstyr til TCO: VON ARDENNE's XEA|nova L.
Introduktion
Silicium solceller baseret på passiveret emitter- og bagkontakt (PERC) -teknologi har nået multi-gigawatt-niveauer i masseproduktion med konverteringseffektiviteter (CE'er) på 22% og nærmer sig nu 23%. For endnu højere CE'er betragtes passiverede kontakter som den næste generation af celleteknologi. Her er silicium heterojunction (SHJ) teknologi en lovende kandidat og kører ud af startporten, med en CE på 23-24%, der allerede er demonstreret på wafere i fuld størrelse, ikke kun i pilotlinjer, men også i storskalaproduktion [ 1]. Mens det var Panasonic (tidligere Sanyo), der var banebrydende for denne teknologi, har forskellige aktører verden over i mellemtiden opbygget deres egne produktionslinjer, såsom ENEL Green Energy og Hevel Solar i Europa, og REC, Jinergy, GS-Solar og forskellige andre i Asien. De største fordele ved SHJ-teknologi blev diskuteret i en nylig artikel af Ballif et al. [2]. Udover den høje CE er en nøglefordel ved SHJ den magre produktionssekvens, hvor der kun kræves fire hovedtrin til symmetrisk behandling af begge sider:
1. Vådrensning og strukturering af wafere.
2. a-Si: H-afsætning ved plasmaforbedret kemisk dampaflejring (PECVD).
3. Deponering af transparente ledende oxidlag (TCO) ved fysisk dampaflejring (PVD, normalt forstøvning).
4. Serigrafi af sølvrist.
På grund af processerne ved lav temperatur (& lt; 200 ° C) og den symmetriske enhedsstabel kan spændingsinduceret bøjning og revnedannelse af wafere undgås, hvilket betyder, at tynde wafere kan bruges, hvilket sparer materialekostnader og energi. SHJ-stakken forekommer naturligt i et bifacialt celledesign; desuden har SHJ-celler den laveste temperaturkoefficient i marken, typisk –0,28% / ° C. Kombinationen af bifacialitet og lav temperaturkoefficient øger energiudbyttet af et solcelleanlæg.
På den anden side er nogle af de faktorer, der begrænser en hurtig stigning i optagelsen af SHJ-teknologi, de relativt høje udstyrsomkostninger, hovedsagelig for PECVD (men også til PVD), og den tilpassede cellekontakt til modulfremstilling (ingen standardhøj temperatur lodning). Mere Ag-pasta er nødvendig end for standard Si-celler på grund af hærdning ved lav temperatur, hvilket giver fingre med mindre ledningsevne; dette afhænger imidlertid af samtrafikmetoden, specifikt om der anvendes busstænger eller ej. Endelig og diskuteret mere detaljeret i dette papir kræves mål for forstøvning af TCO-lagene på begge sider, hvilket er dyrt for de materialer, der normalt anvendes.
Indiumoxid (i2O3) dopet med tin (Sn), kaldet ITO, er i øjeblikket den mest almindelige anvendte TCO [3-5]. Dette transparente ledende oxid er velkendt fra masseproduktion af fladskærme (FPD) og udviser egnede opto-elektroniske egenskaber, såsom lav resistivitet af tynde lag og tilstrækkelig gennemsigtighed i det synlige område. En vigtig overvejelse for FPD-produktion, ITO kan behandles ved fotolitografi, da den kan ætses (i aflejret tilstand) og er langsigtet stabil efter fastfasekrystallisation ved termisk udglødning ved 150-200 ° C. Generelt afsættes ITO ved hjælp af jævnstrøm (DC) magnetronforstøvning på store områder. Selvom jævnstrømsforstøvning oprindeligt forårsager en vis beskadigelse af siliciumoverfladepassivering, udglødes dette fuldt ud ved temperaturer på omkring 200 ° C, som nås enten under forstøvning eller senere under hærdning af Ag-pastaen efter skærmtryk.
I modsætning til FPD'er skal TCO opfylde yderligere krav, når de anvendes på forsiden af SHJ-celler, nemlig en fremragende gennemsigtighed i det bredere bølgelængdeområde 300-1100 nm. Fig. 1 viser absorptionsspektrene for forskellige TCO-lag, der viser forskellene i parasitisk absorption i kort- og langbølgelængderegimerne. Udover denne lave absorption er lave kontaktmodstande med både de n- og p-dopede siliciumlag såvel som med metalgitteret obligatoriske for TCO-lagene på begge sider. Sidst, men ikke mindst, er omkostningsbegrænsningerne for solceller ekstremt strenge, og for at forestille sig PV i en teravatteskala er det vigtigt at reducere (eller endnu bedre, undgå) brugen af kritiske eller knappe materialer, såsom indium ( I). Det sidstnævnte aspekt er dog stadig vanskeligt at adressere, da de fleste TCO'er for enhedskvalitet indeholder indium. En mulighed er at nedsætte tykkelsen af sådanne TCO'er, som derefter kræver, at der aflejres et andet lag for at opretholde en ideel optisk (antireflekterende) ydelse. Dette øger igen antallet af procestrin og dermed proceskompleksiteten og omkostningerne.
Dette papir behandler optimeringen af TCO til inkorporering i SHJ solceller. En måling præsenteres til evaluering og benchmarking af forskellige TCO'er med hensyn til deres egnethed til anvendelse i SHJ-celler. For at reducere det optiske tab i den forreste TCO er brugen af materialer med høj gennemsigtighed obligatorisk. En mobilitet med høj ladningsbærer, typisk> 100 cm2/ Vs, tillader en reduktion i bærertæthed (ved konstant modstand), hvorved det optiske tab reduceres på grund af fri bærerabsorption (FCA).
Forskellige 'højmobilitets' TCO-materialer baseret på indiumoxid med forskellige dopinger er tidligere blevet undersøgt [6–13]. Alle disse udviser fremragende egenskaber som TCO-lag på glas og de fleste af dem også højt CE. Målfremstilling er imidlertid vanskelig, og omkostningerne er høje for mange af disse materialer.
Nye TCO'er, der kan behandles i stor skala fra roterbare mål, er nu tilgængelige, hvilket giver høj mobilitet og producerer SHJ-celler med høj CE. De omstændigheder, hvorunder AZO som et indium-frit og billigt alternativ kan implementeres i højeffektive SHJ-celler, vil blive diskuteret senere. En omkostningssammenligning af In-baserede og ZnO-baserede mål vil også blive præsenteret.
Figur 1. Optisk absorptionsspektre for forskellige typer TCO-lag af tykkelse
TCO for SHJ solceller
Tidligere er flere TCO-materialer blevet undersøgt til brug i SHJ-solceller. Vigtige krav til denne implementering er høj ledningsevne og høj gennemsigtighed med behandlingstemperaturer under 200 ° C (på grund af følsomheden af tyndfilmsiliciumpassiveringslag) samt god kontaktdannelse med de omkringliggende lag [14].
Blandt nogle af de relevante TCO'er er polykrystallinsk Sn-doteret In2O3(ITO) dyrket ved temperaturer under 200 ° C, som når elektronmobilitet (μe) omkring 40 cm2/ Vs [3-5], har fundet bred anvendelse i SHJ solceller. In-baserede TCO doteret med andre metaller, såsom titanium (Ti) [15,16], zirconium (Zr) [6,12,13], molybdæn (Mo) [15,17-19] og wolfram (W) [ 10,11], udbytte μe-værdier større end 80 cm2/ Vs med en ladetæthedstæthed (ne) i området fra 1 × 1020 til 3 × 1020 cm-3.
Disse lag kan aflejres via magnetronforstøvning, pulserende laseraflejring (PLD) og ionplettering med jævnstrømsbueudladning eller reaktiv plasmaaflejring (RPD). Af disse er forstøvning den mest etablerede metode til masseproduktion. En endnu højere mobilitet på μe> 100 cm2/ V'er kan opnås for fast-fase krystalliseret (SPC) hydrogen (H) -doperet In2O3(IOH) [6-9] og cerium (Ce) ICeO: H [7] film med 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Disse film aflejres ved lave temperaturer i en amorf matrix og efterfølgende udglødes ved temperaturer over 150 ° C, hvilket resulterer i høje μe-værdier på grund af dannelsen af store korn.
Ovenstående TCO'er er attraktive på grund af deres fremragende optoelektriske ydeevne, men hidtil har hovedsageligt ITO og IWO: H fundet vej til industriel produktion. Indiummangel er imidlertid en motivation for implementeringen af alternative TCO'er. AZO tilbyder fordelen ved at have mere rigelige kompositmaterialer. AZO-lag med en tykkelse på flere hundrede nanometer, forstøvet ved forhøjede temperaturer> 250 ° C, giver gode opto-elektroniske egenskaber [20] og også stabilitet [21].
Tynde lag med tykkelse mindre end 100 nm aflejret ved temperaturer under 200 ° C, som krævet for SHJ-celler, udviser derimod en dårlig krystalstruktur, hvilket resulterer i lave mobilitetsværdier omkring 20 cm2 / Vs og dårlig langvarig stabilitet [22]. Forbedret stabilitet for SHJ-solceller er imidlertid vist ved anvendelse af et amorft siliciumoxid (a-SiO2) loft [23].
Som angivet af μeopnåede værdier, og afhængigt af behandlingsbetingelser, viser de forskellige TCO'er en bred vifte af elektronmobiliteter. TCO-arkmodstanden (R▫) -intervaller kan klassificeres som vist i tabel 1. Her kan et bærerkoncentrationsinterval 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3betragtes: dette repræsenterer et godt kompromis for at opnå lav FCA, god elektrisk ledningsevne og god kontaktdannelse med tilstødende lag og en 75 nm TCO-tykkelse for antireflekterende egenskaber.
Symmetrien i SHJ-celleforarbejdning og brugen af (n-type) wafere med meget høje bærerlevetid gør det muligt for frit at vælge hvilken kontakt (n eller p) der vender mod fronten. Positionen af p-kontakten (knudepunktet) har en indvirkning på optimeringen af den forreste TCO for at opnå både høj gennemsigtighed og lav seriemodstand Rsaf cellen [24-27]. For at demonstrere dette viser fig. 2 skematiske tværsnit af bifaciale og monofaciale SHJ-solceller i en bageste krydskonfiguration med alle angivne Rs-bidrag. En detaljeret analyse af Rs-komponenter og deres bidrag i SHJ-solceller kan findes i Basset et al. [25] og Wang et al. [28]. Den høje ledningsevne, dvs. tæthed og mobilitet, af elektroner i c-Si-waferen sammen med den meget lave kontaktmodstand af n / TCO-kontakten favoriserer valget af n-kontakt på forsiden ('bageste kryds'), da den laterale strømtransport understøttes væsentligt af waferen. Dette letter TCO's ledningsevne (arkmodstand), hvilket muliggør en optimering mod den højeste gennemsigtighed.
For at illustrere effekten af den ovennævnte frihed i celledesign præsenterer fig. 3 simulerede Rs-kurver sammen med eksperimentelle værdier ekstraheret fra solceller med en ITO-procesvariation som en funktion af front-TCO-arkmodstanden. De eksperimentelle værdier validerer trends for modellen [27]. Som det tydeligt kan ses, tilbyder bagkrydsningsdesignet en fordel for højmodstandsdygtige TCO'er ved at drage fordel af den laterale understøttelse i elektronledning i Si-waferen. Frontkrydsningsdesignet er derimod mere gunstigt for TCO-lag med lav resistivitet; dette design udnytter det lavere tværgående Rs-bidrag, da elektroner, der har højere mobilitet end huller, bevæger sig bag på waferen (med fotogenerering hovedsageligt tæt på forsiden). Afvejningen mellem de laterale og tværgående Rs-bidrag vil bestemme, hvilket solcelledesign, der er bedst egnet, afhængigt af den tilgængelige TCO-arkmodstand.
R▫intervaller for forskellige TCO'er rapporteret i litteraturen og som defineret i tabel 1 er vist i fig. 3 med den tilsvarende farveskygge. TCO'er med lav R▫(rød) er mere fordelagtige, når de implementeres i en frontkrydsningsenhed, mens TCO'er med mellemklasse R▫(blå) er i en overgangsregion, hvor Rsforskellen mellem frontkryds og bagkrydsningsenheder er ret lille. I modsætning hertil er TCO'er med høj R▫(grå) er klart fordelagtige, når de implementeres i et bagkryds-design; dette er fx gunstigt for AZO, idet det er meget transparent, men ikke meget ledende, men alligevel producerer den samme SHJ-celleeffektivitet> 23% som ITO-referencecellen [23]. På Helmholtz-Zentrum Berlin har SHJ-solceller med både ITO- og AZO-baseret front-TCO opnået en certificeret CE over 23,5% [29].
En anden tilgang, der udnytter wafers laterale transportstøtte, demonstreret af nogle forskningsgrupper [27,30] og i pilotproduktion [31], er at implementere tyndere TCO'er, hvilket reducerer parasitabsorption og derved opretholder eller forbedrer solcelle-CE. Implementeringen af et tyndere TCO-lag kræver dog et andet lag ovenpå - for eksempel SiO2eller Si3N4- for at opretholde den optimale antireflektion (AR) [32-34].
For nøjagtigt at kvantificere den optiske ydeevne for forskellige TCO'er, når de implementeres i cellestakken, dvs. bestemme det specifikke tab i kortslutningsstrømtæthed (Jsc) blev der udført simuleringer med et ray-tracing-softwareværktøj (GenPro4 [35]). Under hensyntagen til det TCO-relaterede effekttab i cellen på grund af både en stigning i R'er og et fald i Jsc, blev forskellige TCO-materialer benchmarket, som vist i fig. 4. Til dette formål blev en reference solcelle med CE=23,3 % blev overvejet uden TCO-relaterede tab i Jscog Rs(FF). IOH, ITO og AZO blev undersøgt som eksempler på low-R▫, midt på R▫og high-R▫henholdsvis regimer.
Implementeringer af både standard 75 nm tykke ('tykke') og optisk optimerede tyndere ('tynde') TCO'er blev undersøgt. For en retfærdig sammenligning (dvs. for at forblive i AR-optimum i alle tilfælde) blev alle celler (med 'tykke' og 'tynde' TCO'er) færdige med en a-SiO2dæklag. Kontaktmodstanden ved TCO / Ag- og TCO / Si-grænsefladerne blev antaget at være (lav og) lig for alle tre TCO'er, hvilket naturligvis er en forenkling. Dette vil blive diskuteret senere og er præsenteret i Haschke et al. [36]. Yderligere detaljer om de optimerede lagtykkelser og simuleringsresultater kan findes i Cruz et al. [27].
Graferne i figur 4 viser det TCO-relaterede effekttab på grund af et fald i Jsc og en stigning i Rstil bagkrydsningsenheder (fig. 4 (a)) og frontkryds (fig. 4 (b)). Det er klart, at IOH overgår de to andre TCO'er på grund af dens fremragende opto-elektroniske egenskaber i begge tilfælde. I fig. 4 (a), der viser den tykke ITO og AZO, kompenserer materialerne deres CE-tab, da den lavere ledningsevne AZO viser lavere parasitisk absorption end ITO. Når dette sammenlignes med de tyndere versioner af TCO'er, kan det observeres, at CE-tabet falder lidt som et resultat af reduceret TCO-parasitisk absorption. ITO drager klart mere fordel af denne udtynding på grund af dens sammenligneligt højere parasitabsorption, hvilket i sidste ende fører til en lidt bedre CE end med AZO. Dette viser, at tyndere TCO'er med forbedret optik kan implementeres i en bagkryds-konfiguration og vil være gavnligt med hensyn til CE.
I modsætning hertil ser man på frontkrydsningsdesignet i fig. 4 (b), at IOH med høj ledningsevne ikke vil lide under det lavere laterale transportbidrag fra waferen. Den lavere ledningsevne ITO og AZO øger dog de resistive tab. At reducere tykkelsen af ITO fører ikke til en CE-fordel, mens det for AZO klart er ufordelagtigt. Det kan konkluderes, at en TCO med høj ledningsevne, her IOH i eksemplet, kan implementeres på både bag- og frontkryds solcellekonfigurationer uden store forskelle i CE-tab. TCO'er med lavere ledningsevne - såsom ITO og AZO - vil lide under de højere laterale R'er, der er til stede i frontkryds-konfigurationen. Udtynding af TCO på bagkrydsende solceller er fordelagtigt, hvis TCO overstiger en vis absorptionstærskel, selv for en TCO med lav ledningsevne, her AZO i eksemplet. I et front-junction-design vil udtyndingen kun medføre små fordele eller måske endda være ufordelagtig for TCO'er med lavere ledningsevne såsom AZO.
Ydelse af industrielle TCO'er med høj mobilitet
For at teste TCO'er med høj mobilitet forstøvet med en høj hastighed ved DC-forstøvning fra rørmål, som udført i masseproduktion i stor skala, blev forskellige materialer anvendt til den forreste TCO i bifacial bagkryds SHJ solceller. To typer af højt mobilitets-TCO blev testet, nemlig titandopet indiumoxid (ITiO) og indiumoxid med en ukendt dopingtype ('Y'). Derudover blev ITO med forskellige dopingkoncentrationer testet, nemlig indeholdende 97% indiumoxid og 3% tinoxid i målet ('97 / 3 ') og ITO 99/1. Som referencemateriale blev ITO 97/3 implementeret på bagsiden af alle celler. En gruppe celler med ITO 95/5 på både for- og bagside blev også inkluderet.
Tilsvarende testlag på glas afslørede TCO-arkmodstand i området 36-136 Ω efter aflejring og udglødning i 30 minutter ved 200 ° C under omgivelsesbetingelser, hvilket kan sammenlignes med hærdningen udført efter skærmtryk. Dette er et passende område til implementering som frontkontakt i bageste kryds SHJ solceller, som diskuteret tidligere (se fig. 3). Det skal dog tages i betragtning, at TCO-lag deponeret på glas kan udvise egenskaber (bærermobilitet), der adskiller sig fra dem, når lagene deponeres på silicium, som krævet til solceller. Dette er tilskrevet to virkninger [29]: (1) forskellig krystalnuklering og dermed kornstruktur; (2) forskellig hydrogenindhold, der diffunderer fra siliciumlaget til TCO.
ITiO- og Y-lagene udviser høje mobiliteter på op til 90 cm2 / V, men med forskellige ladningsbærertætheder, nemlig 2 × 1020cm-3og ~ 0,8 × 1020cm-3henholdsvis. For ITO97 / 3 og ITO99 / 1 film, lavere mobilitetsværdier på omkring 60 og 70 cm2/ Vs ved ladningsbærertætheder på 2,7 × 1020 cm-3og 1,8 × 1020cm-3henholdsvis blev målt. Som et resultat af den meget lave ladningsbærertæthed viste Y-filmene den laveste parasitabsorption i det næsten infrarøde område (se fig. 1), hvilket gør dette materiale til det mest lovende for at opnå den højeste Jsc og muligvis højeste CE i solceller.
DetI–Vparametre for hver af testgrupperne er vist i fig. 5. Alle celler udviser sammenlignelige åbne kredsløbsspændinger (Voc) med medianer i det snævre interval på 737-738 mV. Dette bekræfter, at passiveringen ikke blev forringet på grund af forskellige skader på sputter. Som forventet gav solceller med høj mobilitet TCOs den højeste Jscværdier med medianer på 39,0 mA / cm2og 39,2 mA / cm2for henholdsvis ITiO og Y. Dette er op til 0,5 mA / cm2højere end opnået med referencen ITO97 / 3.
På trods af det højeJscog godtVocværdier, producerede cellerne med Y-frontkontakt imidlertid ikke den højeste effektivitet. Den højeste mediane CE på 22,9% blev faktisk opnået for ITO99 / 1, mens den højeste værdi af CE på 23,3% blev målt for en celle med ITiO. Den lavere CE i tilfælde af Y-prøverne er resultatet af den nedre median FF på kun omkring 77%, hvilket skyldes en værdi på R'er, der er betydeligt højere; faktisk giver cellerne med en Y-frontkontakt de højeste median Rs-værdier på 1,3-1,6 Ω cm2. I modsætning hertil er den gennemsnitlige Rs-værdi 0,9 Ω cm2for ITO99 / 1-cellerne, hvilket resulterer i en signifikant højere medianFFpå 79,5%.
Tabel 1. Sammenligning af de elektriske egenskaber ved forskellige TCO'er.
Figur 2. Skematisk tværsnitsbillede af bagkrydsnings silicium heterojunction (SHJ) solceller: (a) bifacial celledesign; (b) monofacial celledesign med de viste seriemodstandskomponenter (Rs).
Figur 3. Seriemodstand versus front-TCO-arkmodstand for SHJ-solceller for- og bagkryds. Kurverne repræsenterer simulerede resultater, mens felterne angiver resultater for målte celler med en ITO-variation.
Betydningen af lav kontaktmodstand
Den høje serieresistens af cellerne med (lav bæretæthed og) høj mobilitet TCO er faktisk et aspekt, der skal tackles. Mere præcist er de to hovedkomponenter i Rsher er kontaktmodstanden af TCO'erne med de n- og p-dopede siliciumkontaktlag, som er blevet undersøgt detaljeret i litteraturen [37-40]. I tilfælde af n-doterede c-Si-baserede solceller kan TCO's kontaktmodstand med de n-dopede Si-lag karakteriseres ved forskellige, relativt enkle teknikker, såsom Cox og Strack [41] eller transmission -line [42] metoder. Kontaktmodstanden mellem TCO og det p-dopede Si-lag (TCO / p) er derimod sværere at få adgang til, fordi der dannes et kryds. Som vist af Basset et al. [21] og Wang et al. [24] for eksempel en enkel metode til at udtrække værdien af Rskomponent er at udlede alle de tilgængelige komponenter i Rsog den resterende værdi konkluderes derefter at være TCO / p-kontaktmodstanden.
Kontaktmodstanden ρcafhænger af den detaljerede båndjustering og båndbøjning samt af grænsefladefejltilstande; derfor er flere parametre vigtige, specifikt aktiveringsenergien af det doterede Si-lag og ladningsbærertætheden, men også forskellen i arbejdsfunktion mellem begge materialer. Procel et al. [38] viste, at ρcer minimal, når de doterede lag udviser lave aktiveringsenergiværdier, såsom dem der opnås med nanokrystallinske siliciumlag i stedet for amorfe lag.
Desuden bør TCO's ladningsbærertæthed være langt over 1 × 1020cm-3; dette er især vigtigt for TCO / p-kontakten, for hvilken effektiv rekombination af hul og elektroner ved kontakten er vigtig. Med hensyn til udvælgelse og optimering af TCO-lag indebærer dette at finde et optimalt for ne, som skal være højt nok til at opnå tilstrækkelig lav ρcværdier, men skal samtidig være så lave som muligt for at begrænse parasitisk absorption (FCA).
I et nyere eksperiment blev et Y-lag med en højere bærertæthed valgt; Fig. 8 viser de tilgængelige egenskaber ved indstilling af processen. Faktisk for den tilpassede TCO genoprettet celle FF, men på bekostning af et lille fald i Jscpå grund af den ekstra FCA. Samlet set steg CE stadig op til et niveau svarende til det, der blev fundet for de bedste grupper i fig. 5, hvilket viser vigtigheden af omhyggelig indstilling af laget og interfaceegenskaber.
Figur 4. Strømtæthedsrelateret effekttab (Ploss J) og seriemodstandsrelateret effekttab (Ploss R) til (a) bagkryds og (b) SHJ-celler på frontkryds. Værdier for tab af konverteringseffektivitet (CE) er angivet med de stiplede linjer; disse tab er i forhold til en reference solcelle med 23,3% CE, repræsenteret af den lilla diamant ved (0,0). De udfyldte symboler repræsenterer 75 nm tykke TCO'er (standard), men med en antirefleksbelægning (ARC) på toppen, mens de åbne symboler repræsenterer tyndere (optimerede) TCO-lag, også med en ARC.
Industrielle aspekter: målomkostninger
De almindelige typer af TCO-mål, der anvendes i den krystallinske silicium-PV-industri, er drejelige mål, som er cylindriske skaller af TCO-materiale bundet på et underlagsrør lavet af metal. Jo længere røret er, desto flere skal skal bruges til rørmålet. Årsagen til, at industrien foretrækker denne type mål for forstøvning af TCO'er, er den meget højere udnyttelsesgrad for TCO-målmaterialet end for plane typer af TCO-mål. Udnyttelsesgraden for det målmateriale, der kan opnås med et drejeligt mål, er normalt ≥80%; dette er af særlig interesse i det tilfælde, hvor TCO-materialer er dyre, såsom indium-baserede TCO'er. Med hensyn til TCO'er i den krystallinske silicium PV-industri er indiumbaserede TCO'er dominerende på grund af deres fremragende lagegenskaber (som det også blev vist tidligere). Ikke desto mindre tilbyder nogle markedsaktører også zinkbaserede TCO'er til samme formål. Der er faktisk fordele og ulemper ved anvendelse af zinkbaserede TCO'er. En fordel er de lavere omkostninger ved et zinkbaseret rørmål med dimensioner, der er identiske med et indiumbaseret mål, mens den lavere ledningsevne af zink udgør nogle begrænsninger i solcelledesign, som diskuteret tidligere og visualiseret i figur 3.
Fig. 6 viser den specifikke målomkostning pr. Cm3af rørmål for zinkbaserede TCO'er og indiumbaserede TCO'er bemærk, at omkostningerne til bagrøret er ekskluderet fra målomkostningerne. Datapunkterne blev indsamlet fra målleverandører over hele verden. Det mindre antal datapunkter for zinkbaserede TCO'er kan tilskrives den manglende interesse for det materiale, der hidtil er vist af den krystallinske silicium-PV-industri.
Noget spredning i målomkostninger findes på grund af de forskellige materialer inden for zinkgruppen og inden for indiumgruppen eller på grund af forskellige leverandører. Datapunkterne, der angiver højere målomkostninger i begge grupper, kan forklares med mindre almindelige sammensætninger og / eller dyre fremstillingsprocesser og / eller høje margener. Datapunkterne med lavere omkostninger observeret i begge grupper skulle være repræsentative omkostningsværdier for solcelleproducenter med flere hundrede årlige efterspørgsel efter rørmål.
En sammenligning af den laveste værdi i begge grupper afslører, at Zn-baserede TCO'er (målomkostninger ~ $ 0,6 / cm3) kan være omkring en fjerdedel af prisen på In-baserede TCO'er (målomkostninger ~ $ 2,6 / cm3). Det skal dog påpeges, at disse datapunkter er et øjebliksbillede af den nuværende situation og snart sandsynligvis bliver forældede afhængigt af aktiemarkedets volatilitet med hensyn til råmateriale, især indium.
Figur 5. I – V-parametre for bifaciale SHJ solceller i størrelse 4 cm2 med forskellige TCO'er foran og ITO 97/3 på bagsiden. ITO 95/5, DC forstøvet fra et rørmål ved HZB, blev inkluderet som en reference.
Industrielle aspekter: masseproduktion
Udover ønsket om at implementere indiumfrie TCO'er med det formål at forbedre driftsudgifterne (OPEX), er det i den bedste interesse at have et stort volumenfremstillingsværktøj til fremstilling, der kan producere en TCO-belægning af høj kvalitet til en lav pris. Fig. 7 viser det meget produktive XEA|nova L-forstøvningssystem fra VON ARDENNE, som kan deponere TCO-lag ved en kapacitet på 8.000 M6 wafere i timen i den grundlæggende version og ved en endnu højere gennemstrømning ved hjælp af opgraderingspakker. I løbet af 2019 blev XEA|nova-udstyret en del af en industriel produktionslinje, der nåede topcelleffektiviteter på over 24% ved hjælp af TCO-film svarende til dem, der blev undersøgt her.
For at opnå en høj gennemstrømning skal aflejringshastigheden for TCO-lagene være høj, hvilket kan realiseres ved at anvende en høj DC-effekt på rørmålet. TCO-egenskaberne skal dog stadig opretholdes, når TCO fremstilles ved højere effekttætheder. Fig. 8 viser elektronmobiliteterne og ladningsbærertæthederne for TCO-film, forstøvet ved 4kW og 8kW fra keramiske rørmål af TCO-type 'Y'. Høj mobilitet på omkring 80 cm2/ Vs kunne opnås ved et effektniveau på 4kW efter aflejring. En forøgelse af forstøvningseffekten til 8 kW reducerer den maksimale mobilitet med maksimalt 10%. Det er interessant, at mobiliteterne kunne øges yderligere, op til 100 cm2/ Vs ved annealing af filmene i 30 minutter ved 200 ° C, som vist i fig. 8.
Figur 6. Specifikke målomkostninger pr. Cm3 målmateriale til indium- og zinkbaserede TCO'er.
Konklusioner
SHJ solcelleteknologi har vist sig at være en vigtig aktør på vej til at øge sin andel i storskala produktion. Dette er på grund af de meget høje opnåede konverteringseffektiviteter og den magre produktionsproces.
Med hensyn til TCO's rolle skal der stadig behandles tre aspekter for at øge SHJ-teknologiens udsigter til at gøre yderligere indgreb i solcelleindustrien:
1. Forbedre celleydelsen yderligere.Dette kan opnås ved at implementere TCO'er med høj mobilitet, der er egnede til masseproduktion. Det blev vist, at TCO'er med høj mobilitet kan sputteres ved høje gennemløb, og disse TCO'er blev testet i SHJ-solceller. Selvom CE for sådanne SHJ-celler er høj, ligger den stadig bagefter referenceceller med den bedste ITO-front-TCO, på trods af en lavere absorption og højere mobilitet Dette tilskrives en øget kontaktmodstand af TCO'erne med n- og / eller p-dopede siliciumkontakter. Finjustering af TCO og implementering af kontaktlag og / eller interface-optimering skal behandles for yderligere at reducere resistive tab ved disse grænseflader og derved høste de fulde fordele ved de overlegne TCO-egenskaber.
2. Reducer brugen af knappe (og dyre) materialer, især indium.En attraktiv mulighed for at realisere en besparelse i materialepriser er at nedsætte TCO-tykkelsen; dette er endnu mere attraktivt med dyre TCO'er med høj ledningsevne (høj mobilitet). Imidlertid er der behov for et andet procestrin for at deponere et andet, antireflekterende (capping) lag (ARC) oven på TCO for at reducere reflektionstab. Alternativt, som vist i dette papir, kan TCO'er med lavere ledningsevne (AZO i det givne eksempel) implementeres i bagkrydsende solceller uden at gå på kompromis med CE. Dette får relevans, når det drejer sig om omkostninger: i den præsenterede analyse viser ZnO-baserede mål lavere omkostninger ved $ 0,6 / cm3for målmateriale sammenlignet med $ 2,6 / cm3for In-baserede mål. Den begrænsede stabilitet af AZO kan håndteres ved for eksempel at dække det med et dielektrisk lag (a-SiO2eller a-SiNx).
3. Reducer omkostningerne til PVD-udstyr.Skalering og forøgelse af kapaciteten for TCO-produktionslinjer er vejen at gå, idet DC-forstøvning er klar til produktion med høj kapacitet af højtydende TCO'er.
Anerkendelser
Finansiering fra det tyske forbundsministerium for økonomiske anliggender og energi (BMWi) inden for rammerne af Dynasto-projektet under nr. 0324293 anerkendes med tak.
Figur 8. Elektriske egenskaber for TCO-lag forstøvet ved 4kW og 8kW fra keramiske rørmål af TCO-type 'Y', i den deponerede tilstand og efter udglødning i 30 minutter ved 200 ° C under omgivende forhold.
Anerkendelser
Finansiering fra det tyske forbundsministerium for økonomiske anliggender og energi (BMWi) inden for rammerne af Dynasto-projektet under nr. 0324293 anerkendes med tak.
Referencer
[1] Chunduri, SK& Schmela, M. 2019, “Heterojunction solar technology”, Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_DA_ download_version2.pdf].
[2] Ballif, C. et al. 2019, “Løsning af alle flaskehalse til silicium-heterojunction-teknologi”, Photovoltaics International, 42. udgave, s. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, "Elektriske egenskaber og defektmodel af tin-dopet indiumoxidlag", Appl. Phys. A, bind. 27, nr. 4, s. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, "Evaporated Sn» doted In2O3 film: Basic Optical Properties and Applications to energie »efficient windows", J. Appl. Phys., Bind. 60, nr. 11, s. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, “Karakterisering og optimering af indiumtinoxidfilm til heterojunction solceller”, Sol. Energimateriale. 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, “Sammenlignende undersøgelser af gennemsigtig ledende Ti-, Zr- og Sn-dopet In2O3 ved hjælp af en kombinatorisk tilgang”, J. Appl. Phys., Bind. 101, nr. 6, s. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, “Transparent ledende tynde film med høj mobilitet af ceriumdoperet hydrogeneret indiumoxid”, Appl. Phys. Ekspr., Bind 8, nr. 1, s. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, "Høj mobilitet In2O3: H gennemsigtige ledende oxider fremstillet ved atomisk lagaflejring og fastfasekrystallisation", physica status solidi (RRL), bind. 8, nr. 12, s. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, “Forbedrede elektriske egenskaber ved pulserende DC magnetron forstøvede brintdopet indiumoxid efter udglødning i luften”, Mater. Sci. Semicon. Proc., Bind. 89, s. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, “Wolframdopet indiumoxidfilm: Klar til bifacial kobbermetallisering af silicium heterojunction solcelle”, Sol. Energimateriale. Sol. Cells, Vol. 144, s. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, "Høj elektronmobilitet W-doteret In2O3 tynde film ved pulserende laseraflejring", Appl. Phys. Lett., Bind. 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 film”, 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, “Meget ledende og bredbånds transparent Zr-dopet In2O3 som frontelektrode til solceller”, IEEE J. Photovolt., S. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, “Transparente elektroder til effektiv optoelektronik”, Adv. Elektron. Mater., Bind. 3, nr. 5, s. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE&forstærker; Guo, SY 2005, "Transparent og semitransparent ledende filmaflejring ved reaktivt miljø, hul katodeforstøvning", J. Vac. Sci. Technol. A, bind. 23, nr. 4, s. 1215-1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, ”Titaniumdoped indiumoxid: En gennemsigtig leder med høj mobilitet”, Appl. Phys. Lett., Bind. 87, nr. 3, s. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, "En ny gennemsigtig ledende tynd 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., "Udvikling af radiofrekvensmagnetron sputterede indiummolybdænoxid", J. Vac. Sci. Technol. A, bind. 21, nr. 4, s. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, “High-mobilitet transparent ledende Mo-doteret In2O3 tynde film ved pulserende laseraflejring”, J. Appl. Phys., Bind. 95, nr. 7, s. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, “Forbedret elektrisk transport i Al-doteret zinkoxid ved termisk behandling”, J. Appl. Phys., Bind. 107, nr. 1, s. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, "Fugtig varmestabil dopet zinkoxidfilm", Thin Solid Films, Vol. 555, s. 48-52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, "Fugtig varmestabilitet af al-dopede zinkoxidfilm på glatte og ru underlag", Thin Solid Films, bind. 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 silicium heterojunction solceller med ZnO: Al / SiO2 frontelektroder, der 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, “Silicium heterojunction rear emitter solceller: Mindre begrænsninger for de optoelektriske egenskaber ved TCO'er på forsiden”, Sol. Energimateriale. Sol. Cells, Vol. 122, s. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, "Seriemodstandsdeling af silicium heterojunction solceller produceret på CEA-INES pilotlinje", Proc. 35. EU PVSEC, Bruxelles, Belgien, s. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, "Tredimensional numerisk analyse af hybrid heterojunction silicium wafer solceller med heterojunction bageste punktkontakter", AIP Adv., Bind. 5, nr. 7, s. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, “Effekt af front-TCO på ydeevnen for bagkrydsende silicium-heterojunktions solceller: Indsigt fra simuleringer og eksperimenter”, Sol. Energimateriale. 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 analysemodel til udvinding af modstandskomponenter for heterojunction solcelle-serie og for at ekstrahere A-Si: H (i / p) til gennemsigtig ledende oxidkontaktmodstand”, AIP Conf. Proc., Bind. 2147, nr. 1, s. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, “Indflydelse af siliciumlag på væksten af ITO og AZO i silicium heterojunction solceller”, IEEE J. Photovolt., S. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, “Løbet efter høj effektivitet i produktionen: Hvorfor heterojunction nu er klar til markedsføring”, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Frankrig, s. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, “'HJT 2.0' ydeevne forbedringer og omkostningsfordele for silicium heterojunction celleproduktion", Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Frankrig, s. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, “Design og fabrikation af en SiOx / ITO dobbeltlags antireflekterende belægning til heterojunction silicium solceller”, Sol. Energimateriale. 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 sølv tykfilmteknikker”, IEEE J. Photovolt., Bind. 4, nr. 4, s. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, “ITO / SiOx: H stakke til silicium heterojunction solceller”, Sol. Energimateriale. 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 optic simulation software: GENPRO4”, Solcellematerialer og -enheder, Delft University of Technology.
[36] Haschke, J. et al. 2020, "Lateral transport i silicium solceller", J. Appl. Phys., Bind. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, "Forbedring af a-Si: H (p) bagemitterkontakt af n-type silicium solceller", Sol. Energimateriale. 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 af kontaktstak for højeffektive IBC-SHJ solceller”, Sol. Energimateriale. Sol. Cells, Vol. 186, s. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, “Kontaktresistivitet af TCO / a-Si: H / c-Si heterojunction”, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, Frankrig, s. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, "Indflydelse af grænsefladeoxider ved TCO / doteret Si tyndfilmkontakter på ladetransport af passiverende kontakter", IEEE J. Photovolt., S. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, "Ohmiske kontakter til GaAs-enheder", Solid-State Electron., Bind. 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 af industrirelaterede silicium solceller", IEEE J. Photovolt., Bind. 4, nr. 1, s. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
