Zdroj: vonardenne.biz
Pôvodne publikované v Photovoltaics International, vydanie 44, máj 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstrakt
Technológia solárnych článkov Silicon heterojunction (SHJ) je atraktívna technológia pre veľkovýrobu solárnych článkov s vysokou účinnosťou premeny nad 24%. Jedným z kľúčových prvkov solárnych článkov SHJ, na rozdiel od dnešnej rozšírenej technológie pasívnych emitorov a článkov PERC, je použitie transparentného vodivého oxidu (TCO), čo predstavuje výzvy v oblasti výkonu a nákladov, ale tiež predstavuje príležitosti. Tento príspevok pojednáva o týchto aspektoch a ukazuje potenciál na zlepšenie účinnosti buniek pri znížených nákladoch pomocou nových TCO nanášaných naprašovaním jednosmerným prúdom (DC). V prípade článkov SHJ so zadným spojením je možné znížiť alebo dokonca vyhnúť sa použitiu india v takýchto TCO, pričom jednou z možných náhrad za TCO na báze oxidu india je oxid zinočnatý dopovaný hliníkom (AZO). Je zhrnutá dostupnosť vysoko výkonných TCO pre veľkovýrobu, ktorá podporí prienik buniek SHJ na trh.
Príklad zariadenia na hromadnú výrobu TCO: XEA|VON ARDENNE|nova L
Úvod
Kremíkové solárne články založené na technológii pasívneho vysielača a zadného kontaktu (PERC) dosiahli hromadnú výrobu na viacgigawattových úrovniach s účinnosťou konverzie (CE) 22% a teraz sa blížia k 23%. Pre ešte vyššie hodnoty CE sa pasivované kontakty považujú za ďalšiu generáciu bunkovej technológie. Tu je technológia kremíkovej heterojunkcie (SHJ) perspektívnym kandidátom a vyráža zo štartovacej brány. CE 23 - 24% sa už preukázalo na doštičkách plnej veľkosti, a to nielen v pilotných linkách, ale aj vo výrobe veľkého rozsahu [ 1]. Aj keď to bola spoločnosť Panasonic (predtým Sanyo), ktorá bola priekopníkom tejto technológie, rôzni hráči na celom svete medzitým budovali svoje vlastné výrobné linky, ako sú ENEL Green Energy a Hevel Solar v Európe a REC, Jinergy, GS-Solar a rôzne ďalšie. v Ázii. Hlavné výhody technológie SHJ boli diskutované v nedávnom článku Ballif et al. [2]. Okrem vysokého CE je kľúčovou výhodou SHJ štíhla výrobná sekvencia, pri ktorej sú potrebné iba štyri hlavné kroky na symetrické spracovanie oboch strán:
1. Mokré čistenie a textúra oplátok.
2. depozícia a-Si: H plazmovou depozíciou chemickou parou (PECVD).
3. Depozícia transparentných vrstiev vodivého oxidu (TCO) fyzikálnym nanášaním pár (PVD, zvyčajne rozprašovaním).
4. Sieťotlač strieborných mriežok.
Vďaka nízkoteplotným (& <200 °="" c)="" procesom="" a="" symetrickému="" usporiadaniu="" zariadenia="" je="" možné="" zabrániť="" ohýbaniu="" a="" praskaniu="" dosiek="" vyvolaným="" stresom,="" čo="" znamená,="" že="" je="" možné="" použiť="" tenké="" doštičky,="" čo="" šetrí="" náklady="" na="" materiál="" a="" energiu.="" zásobník="" shj="" sa="" prirodzene="" vyskytuje="" v="" dizajne="" bifaciálnej="" bunky;="" bunky="" shj="" majú="" navyše="" najnižší="" teplotný="" koeficient="" v="" teréne,="" zvyčajne="" –0,28%="" °="" c.="" kombinácia="" bifaciality="" a="" nízkoteplotného="" koeficientu="" zvyšuje="" energetický="" výnos="" fv="">
Na druhej strane, niektoré z faktorov obmedzujúcich rýchly nárast absorpcie technológie SHJ sú relatívne vysoké náklady na vybavenie, väčšinou pre PECVD (ale aj pre PVD), a prispôsobený kontakt buniek pre výrobu modulov (žiadna štandardná vysokoteplotná spájkovanie). Je potrebné viac pasty Ag ako pre štandardné bunky Si, pretože sa vytvrdzuje pri nízkej teplote a poskytuje prsty s nízkou vodivosťou; to však závisí od prístupu k prepojeniu, konkrétne od toho, či sa používajú alebo nepoužívajú prípojnice. Nakoniec a v tomto dokumente, o ktorom sa podrobnejšie hovorí v tomto dokumente, sú potrebné ciele rozprašovania vrstiev TCO na obidve strany, ktoré sú nákladné pre materiály, ktoré sa zvyčajne používajú.
Oxid india (In2O3) dopovaný cínom (Sn), označovaným ako ITO, je v súčasnosti najbežnejšie používaným TCO [3–5]. Tento priehľadný vodivý oxid je dobre známy z hromadnej výroby plochých panelových displejov (FPD) a vykazuje vhodné optoelektronické vlastnosti, ako je nízky odpor tenkých vrstiev a dostatočná priehľadnosť vo viditeľnom rozsahu. Dôležitým aspektom pre výrobu FPD je ITO, ktorý je možné spracovať fotolitografiou, pretože je leptateľný (v asociovanom stave) a je dlhodobo stabilný po kryštalizácii v tuhej fáze po tepelnom žíhaní pri teplote 150 - 200 ° C. Spravidla sa ITO nanáša magnetrónovým naprašovaním na jednosmerný prúd (DC) na veľké plochy. Aj keď jednosmerné rozprašovanie spočiatku spôsobuje určité poškodenie povrchovej pasivácie kremíka, je úplne žíhané pri teplotách okolo 200 ° C, ktoré sa dosahuje buď počas rozprašovania, alebo neskôr počas vytvrdzovania Ag pasty po sieťotlači.
Na rozdiel od FPD musí TCO pri aplikácii na prednú stranu buniek SHJ spĺňať ďalšie požiadavky, a to vynikajúcu priehľadnosť v širšom rozsahu vlnových dĺžok 300–1 100 nm. Obrázok 1 zobrazuje absorpčné spektrum rôznych vrstiev TCO, demonštrujúce rozdiely v parazitnej absorpcii v režimoch krátkych a dlhých vlnových dĺžok. Okrem tejto nízkej absorpcie sú pre vrstvy TCO na oboch stranách povinné nízke kontaktné odpory s vrstvami kremíka dopovaného n a p, ako aj s kovovou mriežkou. V neposlednom rade sú obmedzenia nákladov na solárne články mimoriadne prísne a aby sme si mohli predstaviť PV v terawattovom meradle, je nevyhnutné znížiť (alebo ešte lepšie zabrániť) použitie kritických alebo vzácnych materiálov, ako je indium ( V). Posledný aspekt je však stále ťažké vyriešiť, pretože väčšina TCO v kvalite prístroja obsahuje indium. Jednou z možností je zmenšiť hrúbku týchto TCO, čo si potom vyžaduje nanášanie druhej vrstvy, aby sa udržal ideálny optický (antireflexný) výkon. To následne zvyšuje počet krokov procesu, a tým aj zložitosť procesu a náklady.
Tento príspevok sa venuje optimalizácii TCO pre zabudovanie do solárnych článkov SHJ. Uvádza sa metrika na hodnotenie a porovnávanie rôznych TCO s ohľadom na ich vhodnosť na použitie v bunkách SHJ. Na zníženie optických strát v predných TCO je povinné použitie materiálov s vysokou transparentnosťou. Vysoká mobilita nosiča náboja, zvyčajne &> 100 cm2/ Vs, umožňuje zníženie hustoty nosiča (pri konštantnom odpore), čím sa znižuje optická strata v dôsledku absorpcie voľného nosiča (FCA).
V minulosti boli skúmané rôzne „vysoko mobilné“ TCO materiály na báze oxidu india s rôznymi dopingmi [6–13]. Všetky tieto vykazujú vynikajúce vlastnosti ako vrstvy TCO na skle a väčšina z nich tiež vysoké CE. Cieľová výroba je však zložitá a náklady sú u mnohých z týchto materiálov vysoké.
Teraz sú k dispozícii nové TCO, ktoré je možné spracovať vo veľkom rozsahu z otočných terčov, čo poskytuje vysokú mobilitu a produkuje bunky SHJ s vysokým CE. Okolnosti, za ktorých je možné AZO ako bezindiovú a nízkonákladovú alternatívu implementovať do vysokoúčinných buniek SHJ, budú diskutované neskôr. Bude tiež predstavené porovnanie nákladov cieľov založených na ZnO a ZnO.
Obrázok 1. Optické absorpčné spektrá pre rôzne typy hrúbky vrstvy TCO
TCO pre solárne články SHJ
V minulosti bolo skúmaných niekoľko materiálov TCO na použitie v solárnych článkoch SHJ. Dôležitými požiadavkami na túto implementáciu sú vysoká vodivosť a vysoká priehľadnosť pri teplotách spracovania pod 200 ° C (kvôli citlivosti tenkovrstvových pasivačných vrstiev kremíka), ako aj dobrá tvorba kontaktov so susednými vrstvami [14].
Medzi niektorými relevantnými TCO bol pridaný polykryštalický Sn2O3(ITO) pestovaný pri teplotách pod 200 ° C, ktorá dosahuje pohyblivosť elektrónov (μe) okolo 40 cm2/ Vs [3–5], našiel široké uplatnenie v solárnych článkoch SHJ. Základné TCO dotované inými kovmi, ako je titán (Ti) [15,16], zirkónium (Zr) [6,12,13], molybdén (Mo) [15,17–19] a volfrám (W) [ 10,11], poskytujú hodnoty μe väčšie ako 80 cm2/ Vs s hustotou nosiča náboja (ne) v rozmedzí od 1 × 1020 do 3 × 1020 cm-3.
Tieto vrstvy je možné nanášať pomocou magnetrónového rozprašovania, pulzného laserového nanášania (PLD) a iónovým pokovovaním s jednosmerným oblúkovým výbojom alebo reaktívnym plazmovým nanášaním (RPD). Z nich je rozprašovanie najrozšírenejšou metódou hromadnej výroby. Ešte vyššia mobilita μe &> 100 cm2/ Vs možno dosiahnuť pre vodík (H) -dopovaný v tuhej fáze kryštalizovaný (SPC)2O3(IOH) [6–9] a cér (Ce) ICeO: H [7] filmy s 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Tieto filmy sú deponované pri nízkych teplotách v amorfnej matrici a následne žíhané pri teplotách nad 150 ° C, čo vedie k vysokým hodnotám μe z dôvodu tvorby veľkých zŕn.
Vyššie uvedené TCO sú atraktívne pre svoj vynikajúci optoelektrický výkon, ale do priemyselnej výroby si dodnes našli cestu hlavne ITO a IWO: H. Nedostatok india je však motiváciou pre implementáciu alternatívnych TCO. AZO ponúka výhodu, že má výdatnejšie kompozitné materiály. Vrstvy AZO s hrúbkou niekoľkých stoviek nanometrov rozprašované pri zvýšených teplotách &> 250 ° C poskytujú dobré optoelektronické vlastnosti [20] a tiež stabilitu [21].
Tenké vrstvy s hrúbkou menšou ako 100 nm nanášané pri teplotách pod 200 ° C, ako je požadované pre bunky SHJ, naopak vykazujú zlú kryštalickú štruktúru, čo má za následok nízke hodnoty pohyblivosti okolo 20 cm2 / Vs a zlú dlhodobú stabilitu [22]. Zlepšená stabilita pre solárne články SHJ sa však preukázala použitím amorfného oxidu kremičitého (a-SiO2) obmedzenie [23].
Ako naznačuje μezískané hodnoty a v závislosti od podmienok spracovania rôzne TCO ukazujú širokú škálu mobilít elektrónov. Odolnosť plechu TCO (R▫) rozsahy možno klasifikovať, ako je uvedené v tabuľke 1. Tu je rozsah koncentrácie nosiča 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3Je to považované za: predstavuje to dobrý kompromis na dosiahnutie nízkej FCA, dobrej elektrickej vodivosti a dobrej tvorby kontaktov so susednými vrstvami a hrúbky TCO 75 nm pre antireflexné vlastnosti.
Symetria v spracovaní buniek SHJ a použitie doštičiek (typu n) s veľmi vysokou životnosťou nosiča umožňuje slobodne si zvoliť, ktorý kontakt (n alebo p) smeruje spredu. Poloha kontaktu p (križovatka) má vplyv na optimalizáciu predného TCO na získanie vysokej priehľadnosti aj malého sériového odporu Rsbunky [24–27]. Na demonštráciu toho obr. 2 zobrazuje schematické prierezy bifaciálnych a monofaciálnych solárnych článkov SHJ v konfigurácii zozadu so všetkými označenými príspevkami R. Podrobnú analýzu zložiek Rs a ich príspevkov v solárnych článkoch SHJ možno nájsť v publikácii Basset et al. [25] a Wang a kol. [28]. Vysoká vodivosť, tj. Hustota a mobilita elektrónov v plátku c-Si, spolu s veľmi nízkym kontaktným odporom kontaktu n / TCO uprednostňujú výber kontaktu n na prednej strane („zadné spojenie“), pretože transport bočného prúdu je výrazne podporený oblátkou. Uvoľňuje sa to požiadavka na vodivosť TCO (odolnosť plechu), čo umožňuje optimalizáciu smerom k najvyššej transparentnosti.
Na ilustráciu účinku vyššie uvedenej voľnosti v dizajne článkov, obr. 3 predstavuje simulované krivky Rs spolu s experimentálnymi hodnotami extrahovanými zo solárnych článkov s variáciou procesu ITO ako funkciou odporu prednej vrstvy TCO. Experimentálne hodnoty potvrdzujú trendy modelu [27]. Ako je zrejmé, konštrukcia so zadným spojom ponúka výhodu pre vysokoodporové TCO tým, že ťaží z bočnej podpory vo vedení elektrónov v plátku Si. Dizajn predného spoja je na druhej strane priaznivejší pre vrstvy TCO s nízkym odporom; táto konštrukcia využíva výhodu nižšieho priečneho príspevku Rs, pretože elektróny, ktoré majú vyššiu pohyblivosť ako otvory, cestujú do zadnej časti oblátky (s fotogeneráciou hlavne v prednej časti). Kompromis medzi bočnými a priečnymi príspevkami Rs určí, ktorý dizajn solárnych článkov je najvhodnejší, v závislosti od dostupnej odolnosti plechu TCO.
R▫rozsahy pre rôzne TCO uvedené v literatúre a definované v tabuľke 1 sú znázornené na obrázku 3 so zodpovedajúcim farebným tieňovaním. TCO s nízkym R▫(červené) sú výhodnejšie, ak sú implementované do zariadenia s predným spojom, zatiaľ čo TCO so stredným dosahom R.▫(modré) sú v prechodnej oblasti, kde je R.srozdiel medzi predným a zadným spojovacím zariadením je pomerne malý. Naproti tomu TCO s vysokým R▫(sivé) sú zreteľne výhodné, ak sú realizované v prevedení zozadu; to je napríklad priaznivé pre AZO, pretože je vysoko transparentné, ale nie veľmi vodivé, a napriek tomu produkuje rovnakú účinnosť SHJ buniek &> 23% ako referenčná bunka ITO [23]. V spoločnosti Helmholtz-Zentrum Berlin dosiahli solárne články SHJ s prednými TCO založenými na ITO a AZO certifikované CE nad 23,5% [29].
Ďalším prístupom, ktorý využíva podporu bočného transportu oblátky, preukázanú niektorými výskumnými skupinami [27,30] a v pilotnej výrobe [31], je implementácia tenších TCO, ktoré znižujú absorpciu parazitov, čím udržujú alebo zlepšujú solárny článok CE. Implementácia tenšej vrstvy TCO si však vyžaduje navrchu druhú vrstvu - napríklad SiO2alebo Si3N4- udržiavať optimum antireflexie (AR) [32–34].
Ak chcete presne kvantifikovať optický výkon rôznych TCO, keď sú implementované v komore buniek, tj určiť konkrétnu stratu v skratovej prúdovej hustote (Jsc), boli vykonané simulácie pomocou softvérového nástroja na sledovanie lúčov (GenPro4 [35]). Ak vezmeme do úvahy stratu energie v článku súvisiacu s TCO v dôsledku zvýšenia Rs a zníženia Jsc, boli porovnané rôzne materiály TCO, ako je to znázornené na obr. 4. Na tento účel bol referenčný solárny článok s CE=23,3 % sa uvažovalo bez strát súvisiacich s TCO v Jsca R.s(FF). Ako príklady low-R boli študované IOH, ITO a AZO▫, v strede R▫a vysoké-R▫režimy resp.
Boli študované implementácie ako štandardných 75 nm hrubých („hrubých“), tak aj opticky optimalizovaných tenších („tenkých“) TCO. Pre spravodlivé porovnanie (tj. Aby sa v každom prípade zachovalo optimum AR) boli všetky bunky (s „hrubými“ a „tenkými“ TCO) zakončené a-SiO2krycia vrstva. Kontaktné odpory na rozhraniach TCO / Ag a TCO / Si sa považovali za (nízke a) rovnaké pre všetky tri TCO, čo je samozrejme zjednodušenie. Toto bude diskutované neskôr a je predstavené v Haschke et al. [36]. Ďalšie podrobnosti o optimalizovaných hrúbkach vrstiev a výsledkoch simulácie možno nájsť v Cruz et al. [27].
Grafy na obr. 4 znázorňujú stratu výkonu súvisiacu s TCO v dôsledku zníženia Jsc a zvýšenia Rs, pre zariadenia so zadným spojom (obr. 4 (a)) a predným spojom (obr. 4 (b)). Je zrejmé, že IOH prekonáva ďalšie dva TCO vďaka vynikajúcim optoelektronickým vlastnostiam v obidvoch prípadoch. Na obr. 4 (a), znázorňujúci silné ITO a AZO, materiály kompenzujú svoje straty CE, pretože nižšia vodivosť AZO vykazuje nižšiu parazitnú absorpciu ako ITO. Pri porovnaní s tenšími verziami TCO možno pozorovať, že strata CE mierne klesá v dôsledku zníženej parazitnej absorpcie TCO. ITO má z tohto zriedenia zjavne väčší úžitok, pretože má porovnateľne vyššiu absorpciu parazitov, čo nakoniec vedie k mierne lepšiemu CE ako pri AZO. To ukazuje, že tenšie TCO s vylepšenou optikou možno implementovať v konfigurácii zozadu a budú prospešné z hľadiska CE.
Na rozdiel od toho, pri pohľade na dizajn predného spoja na obr. 4 (b) je zrejmé, že IOH s vysokou vodivosťou nebude trpieť spodným bočným prenosom oblátky. ITO a AZO s nízkou vodivosťou však zvyšujú odporové straty. Zníženie hrúbky ITO nevedie k výhode CE, zatiaľ čo v prípade AZO je zjavne nevýhodné. Je možné dospieť k záveru, že vysoko vodivé TCO, v tomto prípade napríklad IOH, je možné implementovať do konfigurácií solárnych článkov zozadu aj z predného spoja bez väčších rozdielov v stratách CE. TCO s nízkou vodivosťou - ako napríklad ITO a AZO - budú trpieť vyššími bočnými R prítomnými v konfigurácii predného križovatky. Riedenie TCO na solárnych článkoch so zadným spojom je výhodné, ak TCO prekročí určitú prahovú hodnotu absorpcie, a to aj pre TCO s nízkou vodivosťou, tu napríklad AZO. V dizajne s predným spojom prinesie stenčenie iba malé výhody alebo môže byť dokonca nevýhodné pre TCO s nízkou vodivosťou, ako je AZO.
Výkonnosť priemyselných TCO s vysokou mobilitou
Na testovanie vysoko mobilných TCO rozprašovaných vysokou rýchlosťou pomocou DC rozprašovania z trubicových cieľov, ktoré sa uskutočňovali pri veľkovýrobnej hromadnej výrobe, sa v predných TCO použili v bifaciálnych solárnych článkoch SHJ rôzne materiály. Testovali sa dva typy vysoko mobilných TCO, a to oxid india dopovaný titánom (ITiO) a oxid india nezverejneného dopingového typu („Y“). Ďalej bol testovaný ITO s rôznymi dopingovými koncentráciami, konkrétne s obsahom 97% oxidu india a 3% oxidu cínu v cieľovej látke ('97 / 3 ') a ITO 99/1. Ako referenčný materiál bol na zadnej strane všetkých buniek implementovaný ITO 97/3. Zahrnutá bola tiež skupina buniek s ITO 95/5 na prednej aj zadnej strane.
Zodpovedajúce testovacie vrstvy na skle odhalili odpory TCO platní v rozmedzí 36–136 Ω po nanesení a žíhaní po dobu 30 minút pri teplote 200 ° C za podmienok okolia, čo je porovnateľné s vytvrdzovaním vykonaným po sieťotlači. Toto je vhodný rozsah na implementáciu ako predný kontakt v solárnych článkoch SHJ so zadným spojom, ako už bolo uvedené vyššie (pozri obr. 3). Musí sa však vziať do úvahy, že vrstvy TCO nanášané na sklo môžu vykazovať vlastnosti (pohyblivosť nosiča) odlišné od tých, keď sú vrstvy nanášané na kremík, ako to vyžaduje solárne články. Toto sa pripisuje dvom účinkom [29]: (1) rozdielnej tvorbe kryštálov, a teda štruktúre zrna; (2) rozdielny obsah vodíka, ktorý difunduje z kremíkovej vrstvy do TCO.
Vrstvy ITiO a Y vykazujú vysokú mobilitu až 90 cm2 / Vs, ale s rôznymi hustotami nosiča náboja, konkrétne 2 × 1020cm-3a ~ 0,8 × 1020cm-3resp. Pre filmy ITO97 / 3 a ITO99 / 1 sú nižšie hodnoty pohyblivosti, okolo 60 a 70 cm2/ Vs pri hustote nosiča náboja 2,7 × 1020 cm-3a 1,8 × 1020cm-3boli merané. V dôsledku veľmi nízkej hustoty nosiča náboja vykazovali Y filmy najnižšiu parazitnú absorpciu v oblasti blízkej infračervenému žiareniu (pozri obr. 1), čo robí tento materiál najsľubnejším na dosiahnutie najvyššej Jsc a možno aj najvyššia CE v solárnych článkoch.
TheI–Vparametre každej z testovaných skupín sú znázornené na obr. 5. Všetky články majú porovnateľné napätie naprázdno (Voc), s mediánmi v úzkom rozmedzí 737–738 mV. To potvrdzuje, že pasivácia sa nezhoršila z dôvodu iného poškodenia rozprašovaním. Ako sa dalo očakávať, solárne články s vysokou mobilitou TCO dosiahli najvyššiu hodnotu J.schodnoty s mediánmi 39,0 mA / cm2a 39,2 mA / cm2pre ITiO a Y v uvedenom poradí. To je až 0,5 mA / cm2vyššia ako dosiahnutá s referenciou ITO97 / 3.
Napriek vysokejJsca dobreVochodnoty však bunky s kontaktom vpredu Y neprinášali najvyššiu účinnosť. Najvyššia stredná hodnota CE 22,9% sa skutočne získala pre ITO99 / 1, zatiaľ čo najvyššia hodnota CE 23,3% sa namerala pre bunku s ITiO. Nižšie CE v prípade vzoriek Y vyplýva z nižšieho mediánu FF iba okolo 77%, čo je spôsobené hodnotou Rs, ktorá je podstatne vyššia; v skutočnosti bunky s predným kontaktom Y poskytujú najvyššie stredné hodnoty Rs 1,3–1,6 Ω cm2. Naopak, stredná hodnota Rs je 0,9 Ω cm2pre bunky ITO99 / 1, čo viedlo k výrazne vyššiemu mediánuFF79,5%.
Tabuľka 1. Porovnanie elektrických vlastností rôznych TCO.
Obrázok 2. Schematické pohľady v reze na solárne články s kremíkovým heterojunkciou (SHJ) so zadným spojom: (a) dizajn bifaciálnych článkov; b) dizajn monofaciálnej bunky so znázornenými komponentmi sériového odporu (Rs).
Obrázok 3. Sériový odpor verzus odpor plechu TCO spredu pre solárne články SHJ s predným a zadným spojom. Krivky predstavujú simulované výsledky, zatiaľ čo polia označujú výsledky pre merané bunky s variáciou ITO.
Dôležitosť nízkeho kontaktného odporu
Vysoká sériová odolnosť buniek s (nízkou hustotou nosiča a) vysokou mobilitou TCO je v skutočnosti aspekt, ktorý je potrebné riešiť. Presnejšie, dve hlavné zložky R.stu je kontaktný odpor TCO s kontaktnými vrstvami kremíka dopovaného n a p, ktoré boli podrobne preskúmané v literatúre [37–40]. V prípade solárnych článkov na báze n-dopovaného c-Si možno kontaktný odpor TCO s n-dopovanými Si vrstvami charakterizovať rôznymi, pomerne jednoduchými technikami, ako je Cox a Strack [41] alebo prenosom. -line [42] metódy. Kontaktný odpor TCO s p-dopovanou Si vrstvou (TCO / p) je naopak ťažšie prístupný, pretože sa vytvára spojenie. Ako ukazujú Basset a kol. [21] a Wang a kol. [24], napríklad jednoduchá metóda na extrakciu hodnoty R.skomponenta je odvodiť všetky prístupné komponenty R.sa zostávajúca hodnota sa potom považuje za kontaktný odpor TCO / p.
Kontaktný odpor ρczávisí od podrobného zarovnania a ohýbania pásma, ako aj od poruchových stavov rozhrania; preto je dôležitých niekoľko parametrov, konkrétne aktivačná energia dotovanej vrstvy Si a hustota nosiča náboja, ale tiež rozdiel pracovných funkcií medzi oboma materiálmi. Procel a kol. [38] ukázali, že ρcje minimálna, keď dotované vrstvy vykazujú nízke hodnoty aktivačnej energie, ako sú napríklad hodnoty získané s vrstvami nanokryštalického kremíka namiesto amorfných vrstiev.
Okrem toho by hustota nosiča náboja TCO mala byť výrazne nad 1 × 1020cm-3; toto je obzvlášť dôležité pre kontakt TCO / p, pre ktorý je nevyhnutná účinná rekombinácia otvoru a elektrónov v kontakte. Pokiaľ ide o výber a optimalizáciu vrstiev TCO, znamená to nájsť optimum pre ne, ktoré musí byť dostatočne vysoké na to, aby sa dosiahlo dostatočne nízke ρchodnoty, ale zároveň musia byť čo najnižšie, aby sa obmedzila parazitická absorpcia (FCA).
V novšom experimente bola vybraná Y vrstva s vyššou hustotou nosiča; Obrázok 8 zobrazuje vlastnosti dostupné vyladením procesu. Skutočne, pre prispôsobené TCO sa bunkový FF zotavil, ale za cenu malého zníženia Jsckvôli ďalšiemu FCA. Celkovo sa CE stále zvýšilo až na podobnú úroveň, aká sa zistila pre najlepšie skupiny na obr. 5, čo demonštruje dôležitosť starostlivého vyladenia vlastností vrstvy a rozhrania.
Obrázok 4. Strata výkonu súvisiaca s prúdovou hustotou (Ploss J) a strata výkonu súvisiaca so sériovým odporom (Ploss R) pre (a) bunky SHJ s predným spojom a (b) s predným spojom. Hodnoty straty účinnosti konverzie (CE) sú označené prerušovanými čiarami; tieto straty sú relatívne k referenčnému solárnemu článku s 23,3% CE, ktorý predstavuje fialový diamant pri (0,0). Vyplnené symboly predstavujú 75 nm hrubé TCO (štandardné), ale s antireflexnou vrstvou (ARC) na vrchu, zatiaľ čo otvorené symboly predstavujú tenšie (optimalizované) vrstvy TCO, tiež s ARC.
Priemyselné aspekty: cieľové náklady
Bežnými typmi TCO terča používaného v priemysle PV na báze kryštalického kremíka sú otočné terče, čo sú valcové plášte z TCO materiálu spojené na nosnej trubici vyrobenej z kovu. Čím je trubica dlhšia, tým viac mušlí musí byť použitých pre terč trubice. Dôvodom, prečo priemysel uprednostňuje tento typ cieľa pri rozprašovaní TCO, je omnoho vyššia miera využitia materiálu cieľového TCO ako v prípade planárnych typov cieľa TCO. Miera využitia materiálu terča dosiahnuteľná rotačným terčom je obvykle ≥ 80%; to je obzvlášť zaujímavé v prípade, keď sú materiály TCO drahé, ako napríklad TCO na báze india. Pokiaľ ide o TCO v priemysle PV v kryštalickom kremíku, TCO na báze india sú dominantné vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam vrstiev (ako bolo tiež uvedené skôr). Niektorí hráči na trhu však ponúkajú na rovnaké účely aj TCO na báze zinku. V skutočnosti existujú výhody a nevýhody používania TCO na báze zinku. Jednou výhodou sú nižšie náklady na elektrónkový terč na báze zinku s rozmermi identickými s rozmermi terča na báze india, zatiaľ čo nižšia vodivosť zinku predstavuje určité obmedzenia v dizajne solárnych článkov, ako je uvedené vyššie a znázornené na obr.
Obrázok 6 zobrazuje špecifické cieľové náklady na cm3trubicových terčov pre TCO na báze zinku a TCO na báze india; Upozorňujeme, že náklady na podkladovú trubicu sú vylúčené z cieľových nákladov. Dátové body boli zhromaždené od cieľových dodávateľov z celého sveta. Menší počet údajových bodov pre TCO na báze zinku možno pripísať nezáujmu o tento materiál, ktorý doteraz prejavoval PV priemysel kryštalického kremíka.
Určitý rozptyl v cieľových nákladoch existuje kvôli rôznym materiálom v rámci zinkovej skupiny a v rámci indiovej skupiny alebo kvôli rôznym dodávateľom. Dátové body označujúce vyššie cieľové náklady v obidvoch skupinách možno vysvetliť menej obvyklým zložením a / alebo nákladnými výrobnými postupmi a / alebo vysokými maržami. Lacnejšie dátové body pozorované v oboch skupinách by mali byť reprezentatívnymi hodnotami nákladov pre výrobcov solárnych článkov s požiadavkou niekoľko stoviek ročných cieľov v oblasti elektrónok.
Porovnanie najnižšej hodnoty v oboch skupinách ukazuje, že TCO založené na Zn (cieľová cena ~ 0,6 USD / cm)3) môže predstavovať zhruba štvrtinu ceny miestnych TCO (cieľová cena ~ 2,6 USD / cm)3). Je však potrebné zdôrazniť, že tieto údajové body sú obrazom súčasnej situácie a čoskoro pravdepodobne zastarajú, v závislosti od volatility akciového trhu, pokiaľ ide o surovinový materiál, najmä indium.
Obrázok 5. I – V parametre bifaciálnych solárnych článkov SHJ o veľkosti 4 cm2 s rôznymi prednými TCO a ITO 97/3 na zadnej strane. Ako referencia bola zahrnutá ITO 95/5, DC rozprašovaná z trubicového cieľa pri HZB.
Priemyselné aspekty: hromadná výroba
Okrem želania implementovať TCO bez obsahu india s cieľom zlepšiť prevádzkové náklady (OPEX) je v najlepšom záujme mať veľkoobjemový rozprašovací nástroj na výrobu, ktorý dokáže pri nízkych nákladoch vyrobiť vysoko kvalitný povlak TCO. Obrázok 7 zobrazuje vysoko produktívny rozprašovací systém XEA|nova L od spoločnosti VON ARDENNE, ktorý dokáže v základnej verzii ukladať vrstvy TCO pri výkone 8 000 oblátok M6 za hodinu a pri použití upgradovacích balíkov ešte vyššiu priepustnosť. V priebehu roku 2019 sa zariadenie XEA|nova stalo súčasťou priemyselnej výrobnej linky, ktorá dosahovala najvyššiu účinnosť buniek nad 24% pri použití TCO fólií podobných tým, ktoré sú tu skúmané.
Aby sa dosiahla vysoká priepustnosť, musí byť rýchlosť nanášania vrstiev TCO vysoká, čo sa dá dosiahnuť aplikáciou vysokého jednosmerného výkonu na elektrónkový cieľ. Avšak vlastnosti TCO sa musia stále udržiavať, keď sa TCO pripravuje pri vyšších hustotách energie. Obrázok 8 zobrazuje mobilitu elektrónov a hustotu nosiča náboja TCO filmov, rozprašovaných pri 4kW a 8kW z terčíkov keramickej trubice typu TCO „Y“. Vysoká mobilita okolo 80 cm2/ Vs bolo možné dosiahnuť pri úrovni výkonu 4kW po uložení. Zvýšenie rozprašovacieho výkonu na 8 kW znižuje maximálnu mobilitu maximálne o 10%. Je zaujímavé, že mobilita sa mohla ešte zvýšiť, až na 100 cm2/ Vs, žíhaním fólií počas 30 minút pri teplote 200 ° C, ako je to znázornené na obr.
Obrázok 6. Špecifické cieľové náklady na cm3 cieľového materiálu pre TCO na báze india a zinku.
Závery
Technológia solárnych článkov SHJ sa ukázala byť dôležitým hráčom na ceste k zvýšeniu jej podielu na veľkovýrobe. Je to spôsobené veľmi vysokou dosiahnutou účinnosťou konverzie a štíhlym výrobným procesom.
Pokiaľ ide o úlohu TCO, je ešte potrebné vyriešiť tri aspekty, aby sa podporili vyhliadky technológie SHJ na ďalšie preniknutie do odvetvia solárnych článkov:
1. Ďalej zlepšujte výkon buniek.To sa dá dosiahnuť zavedením vysoko mobilných TCO, ktoré sú vhodné na hromadnú výrobu. Ukázalo sa, že vysoko pohyblivé TCO môžu byť pri vysokej priepustnosti rozprašované a tieto TCO boli testované v solárnych článkoch SHJ. Aj keď CE takýchto SHJ buniek je vysoká, stále zaostáva za CE referenčných buniek s najlepším ITO predným TCO, napriek nižšej absorpcii a vyššej mobilite. To sa pripisuje zvýšenej kontaktnej rezistivite TCO s p-dopované kremíkové kontakty. Bude potrebné vyriešiť jemné doladenie TCO a implementáciu kontaktných vrstiev a / alebo optimalizáciu rozhraní, aby sa ďalej znížili straty odporu na týchto rozhraniach, a tým sa využili všetky výhody vynikajúcich vlastností TCO.
2. Znížte použitie vzácnych (a drahých) materiálov, najmä india.Atraktívnou možnosťou na dosiahnutie úspory nákladov na materiál je zníženie hrúbky TCO; to je ešte atraktívnejšie s nákladnými TCO s vysokou vodivosťou (vysokou mobilitou). Je však potrebný ďalší procesný krok na uloženie druhej antireflexnej (krycej) vrstvy (ARC) na vrch TCO, aby sa znížili straty odrazom. Alternatívne, ako je uvedené v tomto dokumente, môžu byť TCO s nízkou vodivosťou (AZO v uvedenom príklade) implementované do solárnych článkov so zadným spojom bez toho, aby boli ohrozené CE. To získava na význame, pokiaľ ide o náklady: v predloženej analýze ciele založené na ZnO preukazujú nižšie náklady na 0,6 USD / cm3pre cieľový materiál v porovnaní s 2,6 USD / cm3pre založené ciele. S obmedzenou stabilitou AZO sa dá vyrovnať napríklad tak, že sa prekryje dielektrickou vrstvou (a-SiO2alebo a-SiNx).
3. Znížte náklady na PVD zariadenie.Cestou je škálovanie a zvyšovanie priepustnosti výrobných liniek TCO. DC naprašovanie je pripravené na vysoko výkonnú výrobu vysoko výkonných TCO.
Poďakovanie
Finančné prostriedky nemeckého spolkového ministerstva pre hospodárske záležitosti a energetiku (BMWi) v rámci projektu Dynasto pod číslom # 0324293 sú vďačne uznané.
Obrázok 8. Elektrické vlastnosti vrstiev TCO rozprašovaných pri 4kW a 8kW z keramických trubicových terčíkov TCO typu „Y“ v nanesenom stave a po 30 minútach žíhania pri teplote 200 ° C v podmienkach okolia.
Poďakovanie
Finančné prostriedky nemeckého spolkového ministerstva pre hospodárske záležitosti a energetiku (BMWi) v rámci projektu Dynasto pod číslom # 0324293 sú vďačne uznané.
Referencie
[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. a kol. 2019, „Riešenie všetkých úzkych miest pre technológiu kremíkových heterojunkcií“, Photovoltaics International, 42. vydanie, s. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, „Elektrické vlastnosti a model defektu vrstiev oxidu india dopovaného cínom“, Appl. Phys. A, zv. 27, č. 4, s. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, „Odparené Sn» dopované fólie In2O3: Základné optické vlastnosti a aplikácie pre energeticky »efektívne okná“, J. Appl. Phys., Zv. 60, No. 11, pp. R123 – R160 [https: // doi. org / 10,1063 / 1,337534].
[5] Balestrieri, M. a kol. 2011, „Charakterizácia a optimalizácia vrstiev oxidu india a cínu pre heterojunkčné solárne články“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 95, č. 8, s. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, „Komparatívne štúdie transparentného vodivého Ti-, Zr- a Sn-dopovaného In2O3 pomocou kombinatorického prístupu“, J. Appl. Phys., Zv. 101, č. 6, s. 063713 [https: // doi. org / 10,1063 / 1,2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, „Vysoko pohyblivé transparentné vodivé tenké filmy z céru dopovaného hydrogenovaného oxidu india“, Appl. Phys. Expr., Zv. 8, č. 1, s. 015505 [https: // doi. org / 10,7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. a kol. 2014, „Vysoká mobilita In2O3: H transparentné vodivé oxidy pripravené depozíciou na atómovej vrstve a kryštalizáciou na pevnej fáze“, Physica status solidi (RRL), zv. 8, č. 12, s. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. a kol. 2019, „Vylepšené elektrické vlastnosti pulzného jednosmerného magnetrónu naprašovaného vodíkom dopovaného oxidu india po žíhaní na vzduchu“, Mater. Sci. Semicon. Proc., Zv. 89, s. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. a kol. 2016, „Film oxidu india dopovaný volfrámom: pripravený na bifaciálnu metalizáciu medi kremíkového heterojunkčného solárneho článku“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 144, s. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF a kol. 2005, „Tenké filmy In2O3 s vysokou mobilitou elektrónov W dopované pulzným laserovým nanášaním“, Appl. Phys. Lett., Zv. 87, č. 11, s. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, „Rast depozície atómovej vrstvy zirkónom dopovaných filmov In2O3“, Thin Solid Films, zv. 440, č. 1, s. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. a kol. 2018, „Vysoko vodivý a širokopásmový transparentný Zr dopovaný In2O3 ako predná elektróda pre solárne články“, IEEE J. Photovolt., S. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. a kol. 2017, „Transparentné elektródy pre efektívnu optoelektroniku“, Adv. Elektrón. Mater., Zv. 3, č. 5, s. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, „Transparentné a polopriehľadné nanášanie vodivého filmu reaktívnym prostredím, rozprašovanie pomocou dutej katódy“, J. Vac. Sci. Technol. A, zv. 23, č. 4, s. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM a kol. 2005, „Oxid titaničitý dopovaný: Transparentný vodič s vysokou mobilitou“, Appl. Phys. Lett., Zv. 87, č. 3, s. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. a kol. 2001, „Nový transparentný vodivý tenký film In2O3: Mo“, Thin Solid Films, roč. 394, č. 1–2, s. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. a kol., „Vývoj rádiofrekvenčného magnetrónu naprášeného oxidom india-molybdénom“, J. Vac. Sci. Technol. A, zv. 21, č. 4, s. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. a kol. 2004, „Vysoko mobilný transparentný vodivý Mo-dopovaný tenký film In2O3 pulzným laserovým nanášaním“, J. Appl. Phys., Zv. 95, č. 7, s. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. a kol. 2010, „Zlepšený elektrický transport v Al dopovanom oxide zinočnatom tepelným spracovaním“, J. Appl. Phys., Zv. 107, č. 1, s. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. a kol. 2014, „Vlhké tepelne stabilné dopované filmy z oxidu zinočnatého“, Thin Solid Films, roč. 555, s. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. a kol. 2011, „Vlhká tepelná stabilita Al oxidom zinočnatých dopovaných filmov na hladkých a drsných podkladoch“, Thin Solid Films, Vol. 520, č. 4, s. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB a kol. 2018, „Bezkartáčové solárne články kremíka bez ITO s prednými elektródami ZnO: Al / SiO2 dosahujúce účinnosť premeny 23%“, IEEE J. Photovolt., Roč. 9, č. 1, s. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. a kol. 2014, „Solárne články zadného emitora kremíka s heterojunkciou: menšie obmedzenia optoelektrických vlastností TCO na prednej strane“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 122, s. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. a kol. 2018, „Porucha sériového odporu kremíkových heterojunkčných solárnych článkov vyrobených na pilotnej linke CEA-INES“, Proc. 35. EU PVSEC, Brusel, Belgicko, s. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP a kol. 2015, „Trojrozmerná numerická analýza hybridných heterojunkčných kremíkových doštičiek so solárnymi článkami na zadnom bode heterojunkcie“, AIP Adv., Roč. 5, č. 7, s. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. a kol. 2019, „Vplyv predných TCO na výkon kremíkových heterojunkčných solárnych článkov so zadným spojom: poznatky zo simulácií a experimentov“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 195, s. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. a kol. 2019, „Jednoduchá metóda s analytickým modelom na extrakciu komponentov série solárnych článkov heterojunkčných solárnych článkov a na extrakciu A-Si: H (i / p) na priehľadný kontaktný odpor vodivého oxidu“, AIP Conf. Proc., Zv. 2147, č. 1, s. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. a kol. 2019, „Vplyv vrstiev kremíka na rast ITO a AZO v solárnych článkoch kremíka s heterojunkciou“, IEEE J. Photovolt., S. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, „Závod o vysokú efektivitu výroby: Prečo je teraz heterojunction pripravený na trh“, Proc. 36. EÚ PVSEC, Marseille, Francúzsko, s. 1–20.
[31] Strahm, B. a kol. 2019, „Zlepšenie výkonu„ HJT 2.0 “a nákladové výhody pre výrobu kremíkových heterojunkčných buniek“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, France, s. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. a kol. 2013, „Dizajn a výroba dvojvrstvového antireflexného povlaku SiOx / ITO pre heterojunkčné kremíkové solárne články“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 117, s. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. a kol. 2014, „Silikónové heterojunkčné solárne články s medenými elektródami potiahnutými mriežkou: stav a porovnanie s technikami strieborného hrubého filmu“, IEEE J. Photovolt., Roč. 4, č. 4, s. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY a kol. 2016, „ITO / SiOx: H komíny pre kremíkové heterojunkčné solárne články“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 158, 1. časť, s. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, „Manuál pre softvér na optickú simuláciu solárnych článkov: GENPRO4“, Photovoltaic Materials and Devices, Delft University of Technology.
[36] Haschke, J. a kol. 2020, „Bočný transport v kremíkových solárnych článkoch“, J. Appl. Phys., Zv. 127 [https: // doi. org / 10,1063 / 1,5139416].
[37] Bivour, M. a kol. 2012, „Zlepšenie kontaktu a-Si: H (p) zadného emitora kremíkových solárnych článkov typu n“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 106, s. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. a kol. 2018, „Teoretické hodnotenie skupiny kontaktov pre vysoko účinné solárne články IBC-SHJ“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, zv. 186, s. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. a kol. 2019, „Kontaktný odpor TCO / a-Si: H / c-Si heterojunkcia“, Proc. 36. EU PVSEC, Marseille, France, s. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. a kol. 2019, „Vplyv medzipovrchových oxidov na TCO / dotované Si tenkovrstvové kontakty na transport nosiča náboja pasivačných kontaktov“, IEEE J. Photovolt., S. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, „Ohmické kontakty pre zariadenia GaAs“, Solid-State Electron., Zv. 10, č. 12, s. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, „Analytické modelovanie priemyselných kremíkových solárnych článkov“, IEEE J. Photovolt., Zv. 4, č. 1, s. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
