Източник: vonardenne.biz
Първоначално публикувано в Photovoltaics International, издание 44, май 2020 г.
Александрос Круз1, Даря Ерфурт1, Рене Кьолер2, Мартин Димер2, Ерик Шнайдерлехнер2& усилвател; Бернд Станновски1
Резюме
Технологията за слънчеви клетки със силициева хетеропреход (SHJ) е привлекателна технология за мащабно производство на слънчеви клетки с висока ефективност на преобразуване над 24%. Един от ключовите елементи на слънчевите клетки SHJ, контрастиращ на широко разпространената технология за пасивиран емитер и заден контакт (PERC) днес&# 39, е използването на прозрачен проводящ оксид (TCO), което създава предизвикателства в производителността и разходите, но също така представя възможности. Тази статия разглежда тези аспекти и показва потенциала за подобряване на клетъчната ефективност при намалени разходи чрез използване на нови TCO, отложени чрез разпрашване с постоянен ток (DC). В случай на SHJ клетки от задна връзка, е възможно да се намали или дори да се избегне използването на индий в такива TCO, като легираният с алуминий цинков оксид (AZO) е един от възможните заместители на TCO на базата на индий оксид. Обобщава се наличието на високоефективни TCO за широкомащабно масово производство, което ще насърчи проникването на пазара на SHJ клетки.
Пример за оборудване за масово производство на TCO: XEA на VON ARDENNE|nova L
Въведение
Силициевите слънчеви клетки, базирани на технологията за пасивиран излъчвател и заден контакт (PERC), достигнаха нива от няколко гигавата в масовото производство, с ефективност на преобразуване (CE) от 22% и сега се доближава до 23%. За още по-високи CE, пасивираните контакти се считат за следващото поколение клетъчна технология. Тук технологията на силициевата хетеропреход (SHJ) е обещаващ кандидат и се състезава от стартовата порта, като CE от 23–24% вече е демонстрирана на вафли в пълен размер, не само в пилотни линии, но и в голямо производство [ 1]. Докато Panasonic (бивш Sanyo) е пионер на тази технология, междувременно различни играчи по света изграждат свои собствени производствени линии, като ENEL Green Energy и Hevel Solar в Европа, и REC, Jinergy, GS-Solar и различни други в Азия. Основните предимства на SHJ технологията бяха обсъдени в скорошна статия от Ballif et al. [2]. Освен високото СЕ, ключово предимство на SHJ е постната производствена последователност, като са необходими само четири основни стъпки за симетрична обработка на двете страни:
1. Мокро почистване и текстуриране на вафли.
2. a-Si: H отлагане чрез плазмено засилено химическо отлагане на пари (PECVD).
3. Отлагане на прозрачни проводящи оксидни слоеве (TCO) чрез физическо отлагане на пари (PVD, обикновено разпрашаване).
4. Ситопечат на сребърни решетки.
Поради нискотемпературните (& lt; 200 ° C) процеси и симетричното подреждане на устройства, може да се избегнат огъване и напукване на вафли, предизвикани от стрес, което означава, че могат да се използват тънки пластини, като по този начин се спестяват материални разходи и енергия. SHJ стекът се среща естествено при двуфазен дизайн на клетки; освен това SHJ клетките имат най-ниския температурен коефициент в полето, обикновено –0,28% / ° C. Комбинацията от бифациалност и нискотемпературен коефициент увеличава енергийния добив на PV система.
От друга страна, някои от факторите, ограничаващи бързото увеличаване на усвояването на SHJ технологията, са относително високите разходи за оборудване, най-вече за PECVD (но също така и за PVD), както и адаптираното свързване на клетки за производство на модули (няма стандартни високотемпературни запояване). Необходима е повече паста Ag, отколкото за стандартните Si клетки, поради нискотемпературното втвърдяване, даващо по-ниска проводимост на пръстите; това обаче зависи от подхода за взаимно свързване, по-конкретно дали се използват шини. И накрая, и обсъдени по-подробно в тази статия, се изискват цели за разпрашаване на слоевете TCO от двете страни, които са скъпи за материалите, които обикновено се използват.
Индий оксид (In2O3), легиран с калай (Sn), наричан ITO, в момента е най-често използваният TCO [3–5]. Този прозрачен проводим оксид е добре известен от масовото производство на плоски дисплеи (FPD) и проявява подходящи оптоелектронни свойства, като ниско съпротивление на тънки слоеве и достатъчна прозрачност във видимия диапазон. Важно съображение за производството на FPD, ITO може да бъде обработено чрез фотолитография, тъй като е ецващо (в нанесено състояние) и е дълготрайно стабилно след кристализация в твърда фаза при термично отгряване при 150–200 ° C. Като цяло, ITO се отлага чрез разпръскване на магнетрони с постоянен ток (DC) върху големи площи. Въпреки че пръскането с постоянен ток първоначално причинява известни щети на пасивирането на силициевата повърхност, то се изгаря напълно при температури около 200 ° C, които се постигат или по време на разпрашването, или по-късно по време на втвърдяването на Ag пастата след ситопечат.
За разлика от FPD, TCO трябва да изпълни допълнителни изисквания, когато се прилага към предната страна на SHJ клетките, а именно отлична прозрачност в по-широкия диапазон от дължини на вълната 300–1 100 nm. Фигура 1 показва спектрите на абсорбция на различни TCO слоеве, демонстрирайки разликите в паразитната абсорбция в режимите на къса и дълга вълна. Освен тази ниска абсорбция, ниските контактни съпротивления както със силициевите слоеве, легирани с n, така и с р, както и с металната решетка, са задължителни за слоевете TCO от двете страни. И накрая, но не на последно място, ограниченията на разходите на слънчевите клетки са изключително строги и, за да се предвиди PV в тераватна скала, е от съществено значение да се намали (или още по-добре да се избягва) използването на критични или оскъдни материали, като индий ( В). Последният аспект обаче все още е труден за справяне, тъй като повечето ТСО с качество на устройството съдържат индий. Единият вариант е да се намали дебелината на такива TCO, което след това изисква втори слой да бъде нанесен, за да се поддържа идеална оптична (антирефлексна) ефективност. Това от своя страна увеличава броя на стъпките на процеса и, следователно, сложността на процеса и разходите.
Тази статия разглежда оптимизацията на TCO за включване в слънчеви клетки SHJ. Представен е показател за оценка и сравнителен анализ на различни TCO по отношение на тяхната пригодност за приложение в SHJ клетки. За да се намалят оптичните загуби в предната TCO, използването на материали с висока прозрачност е задължително. Висока мобилност на носител на заряд, обикновено> 100 cm2/ Vs, позволява намаляване на плътността на носителя (при постоянно съпротивление), като по този начин намалява оптичните загуби поради поглъщане на свободен носител (FCA).
В миналото са изследвани различни TCO материали с висока подвижност на базата на индий оксид с различни допировки [6–13]. Всички те показват отлични свойства като ТСО слоеве върху стъкло и повечето от тях също имат високо СЕ. Целевото производство обаче е трудно и разходите са високи за много от тези материали.
Вече са на разположение нови TCO, които могат да бъдат обработени в мащабно производство от въртящи се цели, давайки висока мобилност и произвеждащи SHJ клетки с висока CE. Обстоятелствата, при които AZO като неиндийска и евтина алтернатива може да бъде внедрена във високоефективни SHJ клетки, ще бъдат разгледани по-късно. Ще бъде представено и сравнение на разходите за базирани на In и ZnO цели.
Фигура 1. Оптични абсорбционни спектри за различни видове дебелина на слоя TCO
TCO за слънчеви клетки SHJ
В миналото бяха изследвани няколко ТСО материали за използване в слънчеви клетки SHJ. Важни изисквания за това изпълнение са висока проводимост и висока прозрачност, с температури на обработка под 200 ° C (поради чувствителността на тънкослойните силициеви пасивиращи слоеве), както и добро образуване на контакт със съседните слоеве [14].
Сред някои от съответните TCOs, поликристален Sn-допиран In2O3(ITO), отглеждани при температури под 200 ° C, което достига електронна подвижност (μe) около 40 cm2/ Vs [3–5], намери широко приложение в SHJ слънчеви клетки. TCO на базата на други метали, като титан (Ti) [15,16], цирконий (Zr) [6,12,13], молибден (Mo) [15,17–19] и волфрам (W) [ 10,11], добив μe стойности по-големи от 80 cm2/ Vs при плътност на носител на заряд (ne) в границите от 1 × 1020 до 3 × 1020 cm-3.
Тези слоеве могат да се отлагат чрез разпръскване с магнетрон, импулсно лазерно отлагане (PLD) и йонно покритие с DC дъгов разряд или реактивно отлагане в плазма (RPD). От тях пръскането е най-утвърденият метод за масово производство. Още по-висока мобилност от μe> 100 cm2/ Vs могат да бъдат постигнати за твърдофазен кристализиран (SPC) водород (H) -легиран In2O3(IOH) [6–9] и церий (Ce) ICeO: H [7] филми с 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Тези филми се отлагат при ниски температури в аморфна матрица и впоследствие се отгряват при температури над 150 ° C, което води до високи μe стойности поради образуването на големи зърна.
Представените по-горе TCO са привлекателни поради изключителните си опто-електрически характеристики, но към днешна дата ITO и IWO: H са намерили своя път в индустриалното производство. Недостигът на индий обаче е мотивация за прилагането на алтернативни TCO. AZO предлага предимството да има по-богати композитни материали. AZO слоевете с дебелина от няколкостотин нанометра, разпръснати при повишени температури> 250 ° C, дават добри оптико-електронни свойства [20], а също и стабилност [21].
Тънки слоеве с дебелина под 100 nm, отложени при температури под 200 ° C, както се изисква за SHJ клетки, за разлика от тях показват лоша кристална структура, в резултат на което се получават ниски стойности на подвижност около 20 cm2 / Vs и лоша дългосрочна стабилност [22]. Подобрена стабилност на слънчевите клетки SHJ обаче е показана чрез прилагане на аморфен силициев оксид (a-SiO2) ограничаване [23].
Както е посочено от μeполучените стойности и в зависимост от условията на обработка, различните TCO демонстрират широк диапазон от електронна подвижност. Съпротивлението на TCO лист (R▫) диапазоните могат да бъдат класифицирани, както е показано в таблица 1. Тук, диапазон на концентрация на носител 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3се счита: това представлява добър компромис за постигане на ниска FCA, добра електрическа проводимост и добро образуване на контакт със съседните слоеве и 75 nm дебелина на TCO за антирефлексни свойства.
Симетрията в обработката на клетка SHJ и използването на (n-тип) пластини с много висок живот на носителя позволява на човек да избира свободно кой контакт (n или p) е обърнат отпред. Положението на p контакта (кръстовището) оказва влияние върху оптимизацията на предния TCO за получаване както на висока прозрачност, така и на ниско серийно съпротивление Rsна клетката [24–27]. За да се демонстрира това, Фигура 2 показва схематични напречни сечения на двуфазни и монофациални SHJ слънчеви клетки в конфигурация на задно съединение с всички посочени Rs приноси. Подробен анализ на Rs компонентите и на техния принос в слънчевите клетки на SHJ може да се намери в Basset et al. [25] и Wang et al. [28]. Високата проводимост, т.е. плътността и подвижността на електроните в пластината c-Si, заедно с много ниското съпротивление на контакта на контакта n / TCO, благоприятства избора на контакта n отпред („задно съединение“), тъй като страничният токов транспорт се поддържа значително от вафлата. Това облекчава изискването за проводимост на TCO (съпротивлението на листа), като по този начин позволява оптимизация към най-висока прозрачност.
За да илюстрира ефекта от гореспоменатата свобода в дизайна на клетките, Фиг. 3 представя симулирани Rs криви заедно с експериментални стойности, извлечени от слънчеви клетки, с вариация на ITO процеса като функция на съпротивлението на предния TCO лист. Експерименталните стойности валидират тенденциите на модела [27]. Както ясно може да се види, конструкцията на задното съединение предлага предимство за високорезистивни TCO, като се възползва от страничната опора при електропроводимост в пластината Si. Проектът на предно съединение, от друга страна, е по-благоприятен за TCO слоеве с ниско съпротивление; този дизайн се възползва от по-ниския напречен Rs принос, тъй като електроните, притежаващи по-висока подвижност от дупките, се придвижват към задната част на пластината (като фотогенерацията се случва главно близо до предната страна). Компромисът между страничните и напречните Rs вноски ще определи кой дизайн на слънчевите клетки е най-подходящ в зависимост от наличното съпротивление на TCO листа.
R▫диапазоните за различните TCO, съобщени в литературата и както са дефинирани в таблица 1, са показани на фиг. 3 със съответното цветно засенчване. TCO с нисък R▫(червени) са по-полезни, когато се прилагат в устройство за предно свързване, докато TCO със среден клас R▫(сини) са в преходен регион, където Rsразликата между устройствата за предно свързване и задно свързване е доста малка. За разлика от тях, TCO с висок R▫(сиви) са очевидно изгодни, когато са изпълнени в дизайн на задно съединение; това е благоприятно за AZO например, тъй като е силно прозрачно, но не е много проводимо, но въпреки това произвежда същата ефективност на SHJ клетка> 23% като референтната клетка на ITO [23]. В Helmholtz-Zentrum в Берлин, слънчевите клетки SHJ с ITO- и AZO-базирани предни TCO са постигнали сертифициран CE над 23,5% [29].
Друг подход, който се възползва от страничната транспортна поддръжка на вафли, демонстриран от някои изследователски групи [27,30] и при пилотно производство [31], е да се внедрят по-тънки TCO, което намалява паразитната абсорбция, като по този начин поддържа или подобрява CE на слънчевите клетки. Изпълнението на по-тънък TCO слой обаче изисква втори слой отгоре - например SiO2или Si3N4- за поддържане на антирефлексното (AR) оптимално [32–34].
За да се определи точно количественото оптично представяне на различни TCO при внедряване в стека на клетките, т.е. да се определи специфичната загуба в плътността на тока на късо съединение (Jsc), бяха извършени симулации със софтуерен инструмент за проследяване на лъчи (GenPro4 [35]). Като се вземат предвид свързаните с TCO загуби на мощност в клетката, дължащи се както на увеличаване на Rs, така и на намаляване на Jsc, различни материали на TCO бяха сравнени, както е показано на фиг. 4. За тази цел референтна слънчева клетка с CE=23,3 %, без загуби, свързани с TCO в Jscи Rs(FF). IOH, ITO и AZO бяха изследвани като примери за ниско-R▫, средата на R▫и високо-R▫режими съответно.
Бяха проучени внедряванията както на стандартни 75 nm дебели („дебели“), така и на оптически оптимизирани по-тънки („тънки“) TCO. За справедливо сравнение (т.е. за да се запази оптималната AR във всеки случай), всички клетки (с „дебели“ и „тънки“ TCO) са завършени с a-SiO2покриващ слой. Съпротивленията за контакт в интерфейсите TCO / Ag и TCO / Si се приемаха (ниски и) равни за всичките три TCO, което, разбира се, е опростяване. Това ще бъде обсъдено по-късно и е представено в Haschke et al. [36]. Допълнителни подробности за оптимизираната дебелина на слоя и резултатите от симулацията могат да бъдат намерени в Cruz et al. [27].
Графиките на фиг. 4 показват загубата на мощност, свързана с TCO, поради намаляване на Jsc и увеличение на Rs, за устройства със задно кръстовище (фиг. 4 (а)) и предно кръстовище (фиг. 4 (б)). Ясно е, че IOH превъзхожда останалите два TCO поради изключителните си опто-електронни свойства и в двата случая. На фиг. 4 (а), показващи дебелите ITO и AZO, материалите компенсират своите загуби на СЕ, тъй като по-ниската проводимост AZO показва по-ниска паразитна абсорбция от ITO. Когато това се сравнява с по-тънките версии на ТСО, може да се забележи, че загубата на СЕ леко намалява в резултат на намалената паразитна абсорбция на ТСО. ITO очевидно се възползва повече от това изтъняване поради сравнително по-високата си паразитна абсорбция, което в крайна сметка води до малко по-добър CE, отколкото при AZO. Това показва, че по-тънките TCO с подобрена оптика могат да бъдат внедрени в конфигурация на задно съединение и ще бъдат от полза по отношение на CE.
За разлика от това, разглеждайки конструкцията на предния възел на Фигура 4 (b), може да се види, че IOH с висока проводимост няма да пострада от по-ниския страничен транспортен принос от пластината. ITO и AZO с по-ниска проводимост обаче увеличават резистивните загуби. Намаляването на дебелината на ITO не води до предимство на СЕ, докато в случая на AZO това е очевидно неблагоприятно. Може да се заключи, че TCO с висока проводимост, тук IOH в примера, може да бъде реализиран както в конфигурации на слънчеви клетки отзад, така и отпред, без големи разлики в загубите на СЕ. TCO с по-ниска проводимост - като ITO и AZO - ще страдат от по-високите странични Rs, налични в конфигурацията на предния възел. Изтъняването на TCO на слънчевите клетки със задна връзка е изгодно, ако TCO надвишава определен праг на абсорбция, дори за TCO с ниска проводимост, тук AZO в примера. При дизайн на предно съединение изтъняването ще донесе само малки предимства или дори може да бъде в неблагоприятно положение за TCO с по-ниска проводимост като AZO.
Ефективност на промишлените TCO с висока мобилност
За да се тестват високомобилни TCOs, разпръснати с висока скорост чрез DC разпрашаване от тръбни мишени, както се извършва при мащабно масово производство, са използвани различни материали за предния TCO в двуфазни слънчеви клетки SHJ със задно съединение. Тествани са два типа високомобилни TCO, а именно легиран с титан индий оксид (ITiO) и индий оксид с неразкрит тип легиране („Y“). Освен това беше тестван ITO с различни концентрации на допинг, а именно съдържащ 97% индиев оксид и 3% калаен оксид в целта ('97 / 3 ') и ITO 99/1. Като референтен материал, ITO 97/3 е внедрен от задната страна на всички клетки. Включена е и група клетки с ITO 95/5 от двете страни отпред и отзад.
Съответните тестови слоеве върху стъкло разкриват съпротивления на TCO листа в диапазона 36–136 Ω след отлагане и отгряване в продължение на 30 минути при 200 ° C при условия на околната среда, което е сравнимо с втвърдяването, извършено след ситопечат. Това е подходящ обхват за изпълнение като преден контакт в слънчеви клетки SHJ със задно съединение, както беше обсъдено по-рано (виж фиг. 3) Трябва да се вземе предвид обаче, че слоевете TCO, нанесени върху стъкло, могат да проявяват свойства (мобилност на носителя), различни от тези, когато слоевете се отлагат върху силиций, както се изисква за слънчевите клетки. Това се дължи на два ефекта [29]: (1) различна кристална нуклеация и, следователно, зърнена структура; (2) различно съдържание на водород, което се дифузира от силициевия слой в TCO.
Слоевете ITiO и Y показват висока мобилност до 90 cm2 / Vs, но с различна плътност на носител на заряд, а именно 2 × 1020см-3и ~ 0.8 × 1020см-3съответно. За филми ITO97 / 3 и ITO99 / 1 по-ниски стойности на мобилност от около 60 и 70 cm2/ Vs при плътност на носител на заряд 2,7 × 1020 cm-3и 1,8 × 1020см-3съответно бяха измерени. В резултат на много ниската плътност на носител на заряд, Y филмите показват най-ниска паразитна абсорбция в близката инфрачервена област (вж. Фиг. 1), което прави този материал най-обещаващ за постигане на най-висок Jsc и, вероятно, най-високият CE в слънчевите клетки.
TheI–Vпараметрите на всяка от тестовите групи са показани на фиг. 5. Всички клетки показват сравними напрежения в отворена верига (Vок), с медиани в тесния диапазон от 737–738 mV. Това потвърждава, че пасивацията не се е влошила поради различни повреди от пръскането. Както се очакваше, слънчевите клетки с високи подвижни TCO дадоха най-висок Jscстойности, с медиани от 39,0 mA / cm2и 39,2 mA / cm2за ITiO и Y съответно. Това е до 0,5 mA / cm2по-висока от тази, постигната с референтен ITO97 / 3.
Въпреки високатаJscи добреVокстойности, обаче, клетките с Y-преден контакт не дават най-висока ефективност. Най-високата средна стойност на СЕ от 22,9% всъщност е получена за ITO99 / 1, докато най-високата стойност на СЕ от 23,3% е измерена за клетка с ITiO. По-ниският CE в случая на Y пробите е резултат от по-ниската средна FF от само около 77%, което се дължи на стойност на Rs, която е значително по-висока; всъщност клетките с Y-преден контакт дават най-високите средни стойности на Rs от 1,3–1,6 Ω cm2. За разлика от това, средната стойност на Rs е 0.9 Ω cm2за клетките ITO99 / 1, което води до значително по-висока медианаFFот 79,5%.
Таблица 1. Сравнение на електрическите свойства на различните TCO.
Фигура 2. Схематични изгледи на напречно сечение на слънчеви клетки със силициев хетеропреход (SHJ) със задно съединение: (а) двуфазен дизайн на клетки; (b) монофазен дизайн на клетки, с показани компоненти на серийната устойчивост (Rs).
Фигура 3. Съпротивление на серията спрямо съпротивление на предния TCO лист за слънчеви клетки SHJ отпред и отзад. Кривите представляват симулирани резултати, докато полетата показват резултати за измерени клетки с ITO вариация.
Значение на ниското съпротивление на контакта
Високата серийна устойчивост на клетките с (ниска плътност на носителя и) TCO с висока подвижност всъщност е аспект, който трябва да се преодолее. По-точно, двата основни компонента на Rsтук са контактните съпротивления на TCOs с n- и p-допирани силициеви контактни слоеве, които са подробно изследвани в литературата [37–40]. В случай на слънчеви клетки, базирани на n-допиран c-Si, контактното съпротивление на TCO с допираните с n слоеве Si може да се характеризира с различни, относително прости техники, като Cox и Strack [41] или предаване -линейни [42] методи. За разлика от това контактното съпротивление на TCO с p-легиран Si слой (TCO / p) е по-трудно достъпен, тъй като се образува кръстовище. Както е показано от Basset et al. [21] и Wang et al. [24], например, прост метод за извличане на стойността на Rsкомпонент е да извлече всички достъпни компоненти на Rs, а останалата стойност след това се заключава, че е TCO / p контактно съпротивление.
Съпротивлението на контакта ρcзависи от подробното подравняване на лентата и огъване на лентата, както и от дефектните състояния на интерфейса; следователно са важни няколко параметъра, по-специално енергията на активиране на легирания слой Si и плътността на носителя на заряд, но също така и разликата в работната функция между двата материала. Procel et al. [38] показа, че ρcе минимален, когато легираните слоеве показват ниски стойности на енергията на активиране, като тези, получени с нанокристални силициеви слоеве вместо аморфни слоеве.
Освен това плътността на носителя на заряд на TCO трябва да бъде доста над 1 × 1020см-3; това е особено важно за TCO / p контакта, за който е необходима ефективна рекомбинация на дупка и електрони в контакта. По отношение на подбора и оптимизацията на слоевете TCO, това предполага намиране на оптимум за ne, който трябва да бъде достатъчно висок, за да се постигне достатъчно нискоcстойности, но в същото време трябва да бъдат възможно най-ниски, за да се ограничи паразитната абсорбция (FCA).
В по-скорошен експеримент беше избран Y слой с по-висока плътност на носителя; Фигура 8 показва наличните свойства чрез настройка на процеса. Всъщност за адаптирания TCO клетъчният FF се възстанови, но с цената на малко намаляване на Jscпоради допълнителния FCA. Като цяло CE все пак се е увеличил до сходно ниво с това, установено за най-добрите групи на фиг. 5, което показва важността на внимателната настройка на свойствата на слоя и интерфейса.
Фигура 4. Загуба на мощност, свързана с плътността на тока (Ploss J) и свързана със серийно съпротивление загуба на мощност (Ploss R) за (a) заден преход и (b) SHJ клетки от преден преход. Стойностите на загубата на ефективност на преобразуване (CE) се показват с пунктирани линии; тези загуби са спрямо референтна слънчева клетка с 23,3% CE, представена от лилавия диамант при (0,0). Попълнените символи представляват 75 nm дебели TCO (стандартни), но с антирефлексно покритие (ARC) отгоре, докато отворените символи представляват по-тънки (оптимизирани) TCO слоеве, също с ARC.
Индустриални аспекти: целеви разходи
Често срещаните видове TCO мишени, използвани в индустрията за кристален силиций PV, са въртящи се мишени, които представляват цилиндрични обвивки от TCO материал, залепени върху подложка от метал. Колкото по-дълга е тръбата, толкова повече черупки трябва да бъдат използвани за целта на тръбата. Причината, поради която индустрията предпочита този тип мишена за пръскане на TCO, е много по-високата степен на използване на целевия TCO материал, отколкото при равнинните типове TCO мишена. Степента на използване на целевия материал, постижима с въртяща се мишена, обикновено е ≥80%; това е от особен интерес в случая, когато TCO материалите са скъпи, като TCO на базата на индий. Що се отнася до TCO в кристално-силициевата PV индустрия, TCO на базата на индий са доминиращи поради техните отлични свойства на слоя (както беше показано и по-рано). Независимо от това, някои участници на пазара също предлагат TCO на базата на цинк за същата цел. Всъщност има предимства и недостатъци при използването на TCO на базата на цинк. Едно от предимствата е по-ниската цена на тръбна мишена на базата на цинк с размери, идентични с тези на мишена на базата на индий, докато по-ниската проводимост на цинка представлява някои ограничения в дизайна на слънчевите клетки, както беше обсъдено по-рано и визуализирано на фиг.
Фиг. 6 показва специфичните целеви разходи на см3на тръбни мишени за TCO на базата на цинк и TCO на базата на индий; имайте предвид, че цената на задната тръба е изключена от целевите разходи. Точките за данни бяха събрани от целеви доставчици от цял свят. По-малкият брой точки за данни за TCO на базата на цинк може да се дължи на липсата на интерес към този материал, показан от индустрията за кристални силициеви фотоволтаици досега.
Известно разсейване в целевите разходи съществува поради различните материали в рамките на цинковата група и в индийската група, или поради различни доставчици. Точките данни, обозначаващи по-високи целеви разходи и в двете групи, могат да бъдат обяснени с по-рядко срещани състави и / или скъпи производствени процеси и / или високи маржове. Точките с данни с по-ниски разходи, наблюдавани и в двете групи, трябва да бъдат представителни стойности на разходите за производителите на слънчеви клетки с няколко стотици годишно търсене на тръби.
Сравнението на най-ниската стойност и в двете групи разкрива, че TCO на базата на Zn (целева цена ~ 0,6 $ / cm3) може да бъде около една четвърт от цената на базирани TCO (целеви разходи ~ 2,6 $ / cm3). Трябва да се отбележи обаче, че тези точки от данни са моментна снимка на настоящата ситуация и скоро вероятно ще остареят, в зависимост от нестабилността на фондовия пазар по отношение на суровините, по-специално индий.
Фигура 5. Параметри I – V на двуфазни SHJ слънчеви клетки с размери 4 cm2 с различни предни TCO и ITO 97/3 от задната страна. ITO 95/5, DC, разпръснат от тръбна мишена при HZB, беше включен като еталон.
Индустриални аспекти: масово производство
Освен желанието за внедряване на индийски TCO с цел подобряване на експлоатационните разходи (OPEX), в най-добрия интерес е да има инструмент за производство на големи размери, който може да произведе висококачествено TCO покритие на ниска цена. На фиг. 7 е показана високопродуктивната система за пръскане XEA|nova L от VON ARDENNE, която може да депозира слоеве TCO с производителност от 8 000 M6 вафли на час в основната версия и с още по-висока производителност чрез използване на пакети за надстройка. През 2019 г. оборудването XEA|nova стана част от индустриална производствена линия, достигаща максимална ефективност на клетките над 24%, използвайки TCO филми, подобни на разследваните тук.
За да се постигне висока производителност, скоростта на отлагане на слоевете TCO трябва да бъде висока, което може да се реализира чрез прилагане на висока постоянна мощност към целта на тръбата. Въпреки това свойствата на TCO все още трябва да се поддържат, когато TCO се приготвя при по-висока плътност на мощността. Фигура 8 показва електронната подвижност и плътността на носителя на заряд на ТСО филми, разпръснати при 4kW и 8kW от керамични тръбни мишени от TCO тип „Y“. Висока подвижност от около 80 cm2/ Vs може да се постигне при ниво на мощност от 4kW след отлагане. Увеличаването на мощността на пръскане до 8 kW намалява максималната мобилност с максимум 10%. Интересно е, че подвижността може да бъде допълнително увеличена, до 100 cm2/ Vs, чрез отгряване на филмите за 30 минути при 200 ° C, както е показано на фиг. 8.
Фигура 6. Специфични целеви разходи за cm3 от целевия материал за TCO на базата на индий и на цинк.
Заключения
Технологията за слънчеви клетки SHJ демонстрира, че е важен играч по пътя към увеличаване на дела си в мащабно производство. Това се дължи на постигнатата много висока ефективност на преобразуване и на постния производствен процес.
Що се отнася до ролята на TCO, все още трябва да се обърнат внимание на три аспекта, за да се увеличат перспективите на SHJ технологията за допълнително навлизане в производството на слънчеви клетки:
1. По-нататъшно подобряване на клетъчната производителност.Това може да бъде постигнато чрез внедряването на TCO с висока мобилност, които са подходящи за масово производство. Беше показано, че TCO с висока мобилност могат да бъдат разпрашени при висока производителност и тези TCO са тествани в слънчеви клетки SHJ. Въпреки че CE на такива SHJ клетки е висок, той все още изостава от този на референтните клетки с най-добра ITO предна TCO, въпреки по-ниската абсорбция и по-висока мобилност Това се дължи на повишеното съпротивление на контакт на TCO с n- и / или p-допирани силициеви контакти. Ще трябва да се обърне внимание на фината настройка на TCO и прилагането на контактни слоеве и / или оптимизация на интерфейса, за да се намалят допълнително резистивните загуби на тези интерфейси и по този начин да се извлекат пълните предимства на превъзходните TCO свойства.
2. Намалете използването на оскъдни (и скъпи) материали, особено индий.Атрактивен вариант за постигане на икономия на разходи за материал е намаляване на дебелината на TCO; това е още по-привлекателно със скъпи TCO с висока проводимост (висока мобилност). Необходима е обаче още една стъпка от процеса, за да се депозира втори, антирефлексен (ограничаващ) слой (ARC) върху TCO, за да се намалят загубите при отражение. Като алтернатива, както е показано в тази статия, TCO с по-ниска проводимост (AZO в дадения пример) могат да бъдат внедрени в слънчеви клетки със задно свързване, без да се прави компромис с CE. Това придобива релевантност по отношение на разходите: в представения анализ целите, базирани на ZnO, показват по-ниски разходи при $ 0.6 / cm3за целеви материал, в сравнение с $ 2.6 / cm3за In-based цели. Ограничената стабилност на AZO може да бъде разрешена, например чрез затваряне с диелектричен слой (a-SiO2или a-SiNx).
3. Намалете разходите за PVD оборудване.Мащабирането и увеличаването на производителността на производствените линии на TCO е начинът, по който DC разпръскването е готово за производство с висока производителност на TCO.
Благодарности
С благодарност се признава финансирането от германското федерално министерство по икономически въпроси и енергетика (BMWi) в рамките на проекта Dynasto под номер 0324293.
Фигура 8. Електрически свойства на слоевете TCO, разпръснати при 4kW и 8kW от керамични тръбни мишени от TCO тип „Y“, в нанесено състояние и след отгряване в продължение на 30 минути при 200 ° C в условия на околната среда.
Благодарности
С благодарност се признава финансирането от германското федерално министерство по икономически въпроси и енергетика (BMWi) в рамките на проекта Dynasto под номер 0324293.
Препратки
[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 г., „Решаване на всички тесни места за технологията на силициевата хетеропреход“, Photovoltaics International, 42-ро издание, стр. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, „Електрически свойства и модел на дефекти на легирани с калай индийски оксидни слоеве“, Appl. Физ. А, кн. 27, No 4, стр. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Хамберг, И.&усилвател; Granqvist, CG 1986, "Изпарени Sn" легирани In2O3 филми: Основни оптични свойства и приложения към енергийно ефективни прозорци ", J. Appl. Phys., Vol. 60, No 11, стр. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, М. и сътр. 2011, „Характеризиране и оптимизиране на индий-калаени оксидни филми за хетеропреходни слънчеви клетки“, Сол. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 95, No 8, стр. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, „Сравнителни изследвания на прозрачен проводящ Ti-, Zr- и Sn-легиран In2O3, използващ комбинаторен подход”, J. Appl. Phys., Vol. 101, No 6, стр. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Ямамото, Т. 2015 г., „Прозрачни проводящи тънки филми с легиран от церий хидрогениран индиев оксид с висока мобилност“, Приложение. Физ. Израз., Кн. 8, No 1, стр. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, „In2O3 с висока подвижност: H прозрачни проводящи оксиди, приготвени чрез отлагане на атомния слой и кристализация в твърда фаза“, Physica status solid (RRL), Vol. 8, No 12, стр. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, „Подобрени електрически свойства на импулсно разпръснат индиев оксид, легиран с водород, легиран с водород след отгряване във въздуха“, Mater. Sci. Семикон. Proc., Vol. 89, стр. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, „Филм с индийски оксид, легиран с волфрам: готов за двуфазна метална метализация на силициева хетеропреходна слънчева клетка“, Сол. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 144, стр. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005 г., „Висока електронна подвижност, легирани с W2 тънки филми In2O3 чрез импулсно лазерно отлагане“, Приложение. Физ. Lett., Vol. 87, No 11, стр. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, „Растеж на атомно отлагане на легирани с цирконий In2O3 филми“, Thin Solid Films, Vol. 440, No 1, стр. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, „Високопроводим и широколентов прозрачен допиран Zr In2O3 като преден електрод за слънчеви клетки“, IEEE J. Photovolt., Стр. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales ‐ Masis, M. et al. 2017, „Прозрачни електроди за ефективна оптоелектроника“, Adv. Електрон. Mater., Vol. 3, No 5, стр. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, “Прозрачно и полупрозрачно отлагане на проводящ филм чрез реактивна среда, разпрашаване на кух катод”, J. Vac. Sci. Технол. А, кн. 23, No 4, стр. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005 г., „Индиев оксид, легиран от титан: прозрачен проводник с висока подвижност“, приложение No. Физ. Lett., Vol. 87, No 3, стр. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, „Нов прозрачен проводим тънък филм In2O3: Mo“, Тънки твърди филми, бр. 394, No 1–2, стр. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., „Развитие на радиочестотен разпръснат магнетронов индий молибденов оксид“, J. Vac. Sci. Технол. А, кн. 21, No 4, стр. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004 г., „Прозрачно проводящи In2O3 тънки филми с лечебно импулсно лазерно отлагане с висока мобилност“, J. Appl. Phys., Vol. 95, No 7, стр. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, „Подобрен електрически транспорт в легиран с Al цинков оксид чрез термична обработка“, J. Appl. Phys., Vol. 107, No 1, стр. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, „Влажни термостабилни легирани цинкови оксидни филми“, Thin Solid Films, Vol. 555, стр. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, „Влажна топлинна стабилност на легирани с Al цинкови оксидни филми върху гладки и груби основи“, Thin Solid Films, Vol. 520, No 4, стр. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, „Без силициеви силициеви хетеропреходни слънчеви клетки със ZnO: Al / SiO2 предни електроди, достигащи ефективност на преобразуване от 23%“, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, No 1, стр. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, М. и сътр. 2014, „Силициеви хетеропреходни слънчеви клетки със заден излъчвател: по-малко ограничения върху оптоелектрическите свойства на ТСО от предната страна“, Sol. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 122, стр. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018 г., „Серийно разбиване на съпротивлението на силициевите хетеропреходни слънчеви клетки, произведени на пилотна линия CEA-INES“, Proc. 35-ия PVSEC на ЕС, Брюксел, Белгия, стр. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015 г., „Триизмерен числен анализ на хибридни хетеропреходни силициеви пластини със слънчеви клетки с хетеропреходни контакти в задната точка“, AIP Adv., Vol. 5, No 7, стр. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, „Ефект на предната TCO върху производителността на слънчеви клетки със силициев хетеропреход в задно съединение: Прозрения от симулации и експерименти“, Сол. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 195, стр. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Уанг, Е.-С. и др. 2019, „Един прост метод с аналитичен модел за извличане на хетеропреходни компоненти на серията от съпротивления на слънчеви клетки и за извличане на A-Si: H (i / p) до прозрачно проводимо оксидно контактно съпротивление“, AIP Conf. Proc., Vol. 2147, No 1, стр. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, „Влияние на силициевите слоеве върху растежа на ITO и AZO в силициевите хетеропреходни слънчеви клетки“, IEEE J. Photovolt., Стр. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, „Състезанието за висока ефективност в производството: Защо хетеропреходът вече е готов за пазар“, Proc. 36-ти EU PVSEC, Марсилия, Франция, стр. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, „Подобрения на производителността„ HJT 2.0 “и ползи за разходите за производство на силициеви хетеропреходни клетки“, Proc. 36-ти EU PVSEC, Марсилия, Франция, стр. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, „Проектиране и производство на двуслойно антирефлексно покритие SiOx / ITO за хетеропреходни силициеви слънчеви клетки“, Сол. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 117, стр. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014 г., „Силициеви хетеропреходни слънчеви клетки с покрити с мед покрити решетъчни електроди: Състояние и сравнение със сребърните техники с дебел филм“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, No 4, стр. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, „ITO / SiOx: H стекове за силициеви хетеропреходни слънчеви клетки“, Sol. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 158, част 1, стр. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, „Ръководство за софтуер за оптична симулация на слънчеви клетки: GENPRO4“, Фотоволтаични материали и устройства, Технологичен университет в Делфт.
[36] Haschke, J. et al. 2020 г., „Страничен транспорт в силициеви слънчеви клетки“, J. Appl. Phys., Vol. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, М. и сътр. 2012 г., „Подобряване на контакта на заден емитер a-Si: H (p) на силициеви слънчеви клетки от n-тип“, Сол. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 106, стр. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, „Теоретична оценка на контактния стек за високоефективни соларни клетки IBC-SHJ“, Сол. Energy Mater. Сол. Клетки, кн. 186, стр. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, „Съпротивление на контакт на TCO / a-Si: H / c-Si хетеропреход“, Proc. 36-ти EU PVSEC, Марсилия, Франция, стр. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, „Влияние на междуфазните оксиди при TCO / легирани Si тънкослойни контакти върху транспорта на носещия заряд пасивиращи контакти“, IEEE J. Photovolt., Стр. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Кокс, RH&усилвател; Strack, H. 1967, „Омически контакти за GaAs устройства“, Solid-State Electron., Vol. 10, No 12, стр. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, „Аналитично моделиране на свързани с промишлеността силициеви слънчеви клетки“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, No 1, стр. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
