Källa: vonardenne.biz
Ursprungligen publicerad i Photovoltaics International, utgåva 44, maj 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstrakt
Silicon heterojunction (SHJ) solcellsteknologi är en attraktiv teknik för storskalig produktion av solceller med hög konverteringseffektivitet över 24%. Ett nyckelelement i SHJ-solceller, som står i kontrast till dagens&# 39: s utbredda passiverade emitter- och bakre kontakt (PERC) cellteknik, är användningen av transparent ledande oxid (TCO), vilket innebär utmaningar i prestanda och kostnader men också ger möjligheter. Denna uppsats diskuterar dessa aspekter och visar potentialen för att förbättra celleffektivitet till reducerad kostnad genom att använda nya TCO: er som deponerats av likströmsförstoftning. När det gäller SHJ-celler med bakre korsning är det möjligt att minska, eller till och med undvika, indiumanvändning i sådana TCO, med aluminium-dopad zinkoxid (AZO) som en möjlig ersättning för indiumoxidbaserade TCO. Tillgången på högpresterande TCO för storskalig massproduktion, som kommer att uppmuntra marknadsinträngningen av SHJ-celler, sammanfattas.
Exempel på TCO-massproduktionsutrustning: VON ARDENNEs XEA|nova L
Introduktion
Kiselsolceller baserade på passiverad emitter och PERC-teknik (PERC) har nått flera gigawattnivåer i massproduktion, med omvandlingseffektivitet (CE) på 22% och närmar sig nu 23%. För ännu högre CE anses passiverade kontakter vara nästa generation av cellteknologi. Här är SHJ-teknik (silicium heterojunction) en lovande kandidat och tävlar ut ur startgrinden, med en CE på 23–24% som redan har demonstrerats på wafers i full storlek, inte bara i pilotlinjer utan även i storskalig produktion 1]. Medan det var Panasonic (tidigare Sanyo) som var banbrytande för denna teknik, har olika aktörer över hela världen under tiden byggt upp sina egna produktionslinjer, som ENEL Green Energy och Hevel Solar i Europa, och REC, Jinergy, GS-Solar och olika andra i Asien. De största fördelarna med SHJ-teknik diskuterades i en nyligen publicerad artikel av Ballif et al. [2]. Förutom hög CE är en viktig fördel med SHJ den magra produktionssekvensen, med endast fyra huvudsteg som krävs för att bearbeta båda sidor symmetriskt:
1. Våtrengöring och texturering av skivor.
2. a-Si: H-avsättning genom plasmaförstärkt kemisk ångavsättning (PECVD).
3. Deponering av transparenta ledande oxidskikt (TCO) genom fysisk ångavsättning (PVD, vanligtvis förstoftning).
4. Screentryck av silvergaller.
På grund av processerna med låg temperatur (& lt; 200 ° C) och den symmetriska enhetsstacken kan spänningsinducerad skivbockning och sprickbildning undvikas, vilket innebär att tunna skivor kan användas, vilket sparar materialkostnader och energi. SHJ-stacken förekommer naturligt i en bifacial celldesign; dessutom har SHJ-celler den lägsta temperaturkoefficienten i fältet, vanligtvis –0,28% / ° C. Kombinationen av bifacialitet och låg temperaturkoefficient ökar energiutbytet för ett PV-system.
Å andra sidan är några av de faktorer som begränsar en snabb ökning av upptagningen av SHJ-teknik de relativt höga utrustningskostnaderna, mestadels för PECVD (men också för PVD), och den anpassade cellkontakten för modultillverkning (ingen standardhög temperatur lödning). Mer Ag-pasta behövs än för vanliga Si-celler på grund av lågtemperaturhärdningen, vilket ger lägre ledningsförmåga; detta beror emellertid på sammankopplingsmetoden, speciellt om samlingsskenor används eller inte. Slutligen, och diskuteras mer detaljerat i detta dokument, krävs mål för att förstofta TCO-skikten på båda sidor, vilket är kostsamt för de material som vanligtvis används.
Indiumoxid (In2O3) dopad med tenn (Sn), kallad ITO, är för närvarande den mest använda TCO [3-5]. Denna genomskinliga ledande oxid är välkänd från massproduktionen av platt-displayer (FPD) och uppvisar lämpliga optoelektroniska egenskaper, såsom låg resistivitet i tunna skikt och tillräcklig transparens i det synliga området. Ett viktigt övervägande för FPD-produktion, ITO kan bearbetas med fotolitografi, eftersom det är etsbart (i deponerat tillstånd) och är långsiktigt stabilt efter kristallisering i fast fas vid termisk glödgning vid 150–200 ° C. I allmänhet deponeras ITO av likströmsmagnetronförstoftning på stora områden. Även om DC-förstoftning initialt orsakar viss skada på kiselytans passivering, glödgas detta helt ut vid temperaturer på cirka 200 ° C, vilket uppnås antingen under förstoftning eller senare under härdning av Ag-pasta efter screentryck.
Till skillnad från FPD: er måste TCO uppfylla ytterligare krav när de appliceras på framsidan av SHJ-celler, nämligen en utmärkt transparens i det bredare våglängdsområdet 300-1100 nm. Fig. 1 visar absorptionsspektra för olika TCO-skikt, vilket visar skillnaderna i parasitabsorption i kort- och långvåglängsregimen. Förutom denna låga absorption är låga kontaktmotstånd med både de n- och p-dopade kiselskikten, liksom med metallgallret, obligatoriska för TCO-skikten på båda sidor. Sist, men inte minst, är kostnadsbegränsningarna för solceller extremt stränga, och för att föreställa sig solceller i terawatt-skala är det viktigt att minska (eller ännu bättre, undvika) användningen av kritiska eller knappa material, såsom indium ( I). Den senare aspekten är dock fortfarande svår att ta itu med, eftersom de flesta TCO: er av enhetskvalitet innehåller indium. Ett alternativ är att minska tjockleken på sådana TCO, som sedan kräver att ett andra lager deponeras för att bibehålla idealisk optisk (antireflekterande) prestanda. Detta ökar i sin tur antalet processsteg och därmed processens komplexitet och kostnader.
Detta dokument behandlar optimeringen av TCO för inkorporering i SHJ-solceller. Ett mått presenteras för utvärdering och benchmarking av olika TCO med avseende på deras lämplighet för användning i SHJ-celler. För att minska den optiska förlusten i TCO-fronten är det obligatoriskt att använda material med hög transparens. En hög laddningsbärarmobilitet, typiskt> 100 cm2/ Vs, möjliggör en minskning av bärardensitet (vid konstant resistivitet), vilket minskar den optiska förlusten på grund av fri bärarabsorption (FCA).
Olika 'högmobilitets' TCO-material baserade på indiumoxid med olika dopningar har undersökts tidigare [6–13]. Alla dessa uppvisar utmärkta egenskaper som TCO-lager på glas och de flesta av dem har också hög CE. Måltillverkning är dock svår och kostnaden är hög för många av dessa material.
Nya TCO: er som kan bearbetas i storskalig produktion från roterbara mål är nu tillgängliga, vilket ger hög mobilitet och producerar SHJ-celler med hög CE. Omständigheterna under vilka AZO som ett indiumfritt och billigt alternativ kan implementeras i högeffektiva SHJ-celler kommer att diskuteras senare. En kostnadsjämförelse av In-baserade och ZnO-baserade mål kommer också att presenteras.
Figur 1. Optiska absorptionsspektrum för olika typer av TCO-tjocklek
TCO för SHJ-solceller
Tidigare har flera TCO-material undersökts för användning i SHJ-solceller. Viktiga krav för denna implementering är hög ledningsförmåga och hög transparens, med bearbetningstemperaturer under 200 ° C (på grund av känsligheten hos tunnfilms-kiselpassiveringsskikt), samt god kontaktbildning med närliggande skikt [14].
Bland några av de relevanta TCO: erna är polykristallin Sn-dopad In2O3(ITO) odlas vid temperaturer under 200 ° C, vilket når elektronmobilitet (μe) cirka 40 cm2/ Vs [3–5], har funnit bred tillämpning i SHJ-solceller. In-baserade TCO dopade med andra metaller, såsom titan (Ti) [15,16], zirkonium (Zr) [6,12,13], molybden (Mo) [15,17–19] och volfram (W) [ 10,11], ge μe-värden större än 80 cm2/ Vs med en laddningsdensitet (ne) från 1 × 1020 till 3 × 1020 cm-3.
Dessa skikt kan deponeras via magnetronförstoftning, pulsad laseravsättning (PLD) och jonplätering med DC-bågurladdning eller reaktiv plasmadeposition (RPD). Av dessa är förstoftning den mest etablerade metoden för massproduktion. En ännu högre rörlighet av μe> 100 cm2/ V kan uppnås för fast fas kristalliserat (SPC) väte (H) -dopat In2O3(IOH) [6-9] och cerium (Ce) ICeO: H [7] filmer med 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Dessa filmer avsätts vid låga temperaturer i en amorf matris och härdas därefter vid temperaturer över 150 ° C, vilket resulterar i höga μe-värden på grund av bildandet av stora korn.
TCO: erna som introducerats ovan är attraktiva på grund av deras enastående optoelektriska prestanda, men hittills har främst ITO och IWO: H hittat sin väg till industriproduktion. Bristen på indium är dock en motivering för implementering av alternativa TCO. AZO erbjuder fördelen att det finns rikare kompositmaterial. AZO-skikt med en tjocklek av flera hundra nanometer, förstoftade vid förhöjda temperaturer> 250 ° C, ger goda opto-elektroniska egenskaper [20] och även stabilitet [21].
Tunna skikt med tjocklek mindre än 100 nm avsatta vid temperaturer under 200 ° C, som krävs för SHJ-celler, uppvisar däremot en dålig kristallstruktur, vilket resulterar i låga mobilitetsvärden runt 20 cm2 / V och dålig långsiktig stabilitet [22]. Förbättrad stabilitet för SHJ-solceller har dock visats genom applicering av en amorf kiseloxid (a-SiO2) tak [23].
Som anges av μeerhållna värden, och beroende på bearbetningsförhållanden, visar de olika TCO: erna ett brett spektrum av elektronmobiliteter. TCO-arkmotståndet (R▫) intervall kan klassificeras som visas i tabell 1. Här kan ett bärarkoncentrationsintervall 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3betraktas: detta representerar en bra kompromiss för att uppnå låg FCA, god elektrisk ledningsförmåga och god kontaktbildning med angränsande skikt, och en 75 nm TCO-tjocklek för antireflekterande egenskaper.
Symmetrin i SHJ-cellbearbetning och användningen av (n-typ) skivor med mycket hög bärlivstid gör att man fritt kan välja vilken kontakt (n eller p) som vetter mot framsidan. Positionen för p-kontakten (korsningen) har en inverkan på optimeringen av den främre TCO för att erhålla både hög transparens och låg seriemotstånd Rsav cellen [24–27]. För att demonstrera detta visar figur 2 schematiska tvärsnitt av bifaciala och monofaciala SHJ-solceller i en bakre korsningskonfiguration med alla Rs-bidrag angivna. En detaljerad analys av Rs-komponenter och deras bidrag i SHJ-solceller finns i Basset et al. [25] och Wang et al. [28]. Den höga konduktiviteten, dvs. densitet och rörlighet, hos elektroner i c-Si-skivan, tillsammans med den mycket låga kontaktmotståndet för n / TCO-kontakten, gynnar valet av n-kontakten på framsidan ("bakre korsning"), eftersom den laterala strömtransporten stöds avsevärt av skivan. Detta minskar konduktivitetskravet för TCO (arkmotstånd), vilket möjliggör en optimering mot högsta transparens.
För att illustrera effekten av den ovannämnda friheten i celldesign presenterar fig. 3 simulerade Rs-kurvor tillsammans med experimentella värden extraherade från solceller, med en ITO-processvariation som en funktion av den främre TCO-arkmotståndet. De experimentella värdena validerar trenderna i modellen [27]. Som tydligt framgår erbjuder den bakre korsningsdesignen en fördel för högresistenta TCO genom att dra nytta av sidostödet vid elektronledning i Si-skivan. Den främre korsningsdesignen är å andra sidan mer gynnsam för TCO-lager med låg resistivitet; denna design utnyttjar det lägre tvärgående Rs-bidraget, eftersom elektroner, som har högre rörlighet än hål, färdas till baksidan av skivan (med fotogenerering huvudsakligen intill framsidan). Avvägningen mellan sidor och tvärgående Rs-bidrag kommer att avgöra vilken solcellsdesign som är mest lämplig, beroende på tillgängligt TCO-arkmotstånd.
R▫intervall för olika TCO rapporterade i litteraturen och som definieras i tabell 1 visas i figur 3 med motsvarande färgskuggning. TCO med låg R▫(röd) är mer fördelaktiga när de implementeras i en front-junction-enhet, medan TCOs med mellanklass R▫(blå) är i en övergångsregion där Rsskillnaden mellan anordningar för främre korsning och bakre korsning är ganska liten. Däremot TCO med hög R▫(grå) är helt klart fördelaktiga när de implementeras i en bakre korsningsdesign; detta är till exempel gynnsamt för AZO, eftersom det är mycket transparent men inte särskilt ledande, men ändå producerar samma SHJ-celleffektivitet> 23% som ITO-referenscellen [23]. I Helmholtz-Zentrum Berlin har SHJ-solceller med både ITO- och AZO-baserad TCO uppnått ett certifierat CE-värde över 23,5% [29].
Ett annat tillvägagångssätt som utnyttjar stödet för skivans sidotransport, visat av vissa forskargrupper [27,30] och vid pilotproduktion [31], är att implementera tunnare TCO, vilket minskar parasitabsorption och därmed bibehålla eller förbättra solcellens CE. Implementeringen av ett tunnare TCO-lager kräver dock ett andra lager ovanpå - till exempel SiO2eller Si3N4- för att upprätthålla optimal antireflektion (AR) [32–34].
För att exakt kvantifiera den optiska prestandan för olika TCO när de implementeras i cellstacken, dvs bestämma den specifika förlusten i kortslutningsströmtäthet (Jsc) utfördes simuleringar med ett strålspårningsverktyg (GenPro4 [35]). Med hänsyn till den TCO-relaterade effektförlusten i cellen på grund av både en ökning av R och en minskning av Jsc, jämfördes olika TCO-material, vilket visas i figur 4. För detta ändamål, en referens solcell med CE=23,3 % beaktades utan TCO-relaterade förluster i Jscoch Rs(FF). IOH, ITO och AZO studerades som exempel på low-R▫, mitten av R▫och high-R▫regimer.
Implementeringar av både vanliga 75 nm tjocka ('tjocka') och optiskt optimerade tunnare ('tunna') TCO: er studerades. För en rättvis jämförelse (dvs. för att hålla sig i AR-optimum i alla fall) avslutades alla celler (med "tjocka" och "tunna" TCO) med en a-SiO2täckande lager. Kontaktmotstånden vid TCO / Ag- och TCO / Si-gränssnitten antogs vara (låg och) lika för alla tre TCO: er, vilket naturligtvis är en förenkling. Detta kommer att diskuteras senare och presenteras i Haschke et al. [36]. Ytterligare detaljer om de optimerade skikttjocklekarna och simuleringsresultaten finns i Cruz et al. [27].
Diagrammen i figur 4 visar den TCO-relaterade effektförlusten på grund av en minskning av Jsc och en ökning av Rs, för bakre förbindningsenheter (fig. 4 (a)) och främre förbindningsenheter (fig. 4 (b)). Det är uppenbart att IOH överträffar de andra två totalkostnaderna på grund av dess enastående optoelektroniska egenskaper i båda fallen. I fig 4 (a), som visar den tjocka ITO och AZO, kompenserar materialen deras CE-förluster, eftersom den lägre ledningsförmågan AZO visar lägre parasitabsorption än ITO. När detta jämförs med de tunnare versionerna av TCO, kan det observeras att CE-förlusten minskar något till följd av minskad TCO-parasitabsorption. ITO drar klart mer nytta av denna gallring på grund av dess jämförelsevis högre parasitabsorption, vilket i slutändan leder till en något bättre CE än med AZO. Detta visar att tunnare TCO: er med förbättrad optik kan implementeras i en bakre korsningskonfiguration och kommer att vara fördelaktig när det gäller CE.
Däremot kan man se på den främre korsningsdesignen i fig 4 (b) att IOH med hög ledningsförmåga inte kommer att drabbas av skivans lägre sidotransportbidrag. Den lägre ledningsförmågan ITO och AZO ökar emellertid de resistiva förlusterna. Att minska ITO: s tjocklek leder inte till någon CE-fördel, medan det för AZO är helt klart ofördelaktigt. Man kan dra slutsatsen att en TCO med hög ledningsförmåga, här IOH i exemplet, kan implementeras på både bakre och främre korsning av solcellskonfigurationer utan stora skillnader i CE-förluster. TCO: er med lägre ledningsförmåga - såsom ITO och AZO - kommer att drabbas av de högre laterala R: erna som finns i front-junction-konfigurationen. Förtunning av TCO på solceller bakifrån är fördelaktig om TCO överskrider en viss absorptionströskel, även för en TCO med låg konduktivitet, här AZO i exemplet. I en front-korsningsdesign ger gallringen bara små fördelar, eller kan till och med vara ofördelaktig för TCO: er med lägre ledningsförmåga, såsom AZO.
Prestanda för industriella TCO: er med hög mobilitet
För att testa TCOs med hög rörlighet som sprutades i hög hastighet genom DC-förstoftning från rörmål, som utfördes i storskalig massproduktion, användes olika material för den främre TCO i bifacial SHJ-solceller. Två typer av TCO med hög rörlighet testades, nämligen titandopad indiumoxid (ITiO) och indiumoxid med en okänd dopingtyp ('Y'). Dessutom testades ITO med olika dopingkoncentrationer, nämligen innehållande 97% indiumoxid och 3% tennoxid i målet ('97 / 3 ') och ITO 99/1. Som referensmaterial implementerades ITO 97/3 på baksidan av alla celler. En grupp celler med ITO 95/5 på både fram- och baksidan inkluderades också.
Motsvarande testskikt på glas avslöjade TCO-arkmotstånd i intervallet 36–136 Ω efter avsättning och glödgning under 30 minuter vid 200 ° C under omgivande förhållanden, vilket är jämförbart med härdningen som utfördes efter screentryck. Detta är ett lämpligt intervall för implementering som den främre kontakten i SHJ-solceller med bakre korsning, som diskuterats tidigare (se fig. 3). Det måste dock beaktas att TCO-skikt som deponerats på glas kan uppvisa egenskaper (bärarmobilitet) som skiljer sig från de när skikten deponeras på kisel, vilket krävs för solceller. Detta har tillskrivits två effekter [29]: (1) olika kristallkärnor och därmed kornstruktur; (2) olika väteinnehåll som diffunderar från kiselskiktet till TCO.
ITiO- och Y-skikten uppvisar hög mobilitet på upp till 90 cm2 / V, men med olika laddningsbärartäthet, nämligen 2 × 1020centimeter-3och ~ 0,8 × 1020centimeter-3respektive. För ITO97 / 3 och ITO99 / 1-filmer, lägre mobilitetsvärden, cirka 60 och 70 cm2/ Vs vid laddningsbärartäthet av 2,7 × 1020 cm-3och 1,8 × 1020centimeter-3respektive mättes. Som ett resultat av den mycket låga laddningsbärartätheten visade Y-filmerna den lägsta parasitabsorptionen i det nära infraröda området (se fig. 1), vilket gör detta material till det mest lovande för att uppnå den högsta Jsc och möjligen högsta CE i solceller.
DeI–Vparametrar för var och en av testgrupperna visas i fig. 5. Alla celler uppvisar jämförbara öppna kretsspänningar (Voc), med medianer i det smala intervallet 737–738 mV. Detta bekräftar att passiveringen inte försämrades på grund av olika sputterskador. Som förväntat gav solcellerna med hög mobilitet TCO den högsta Jscvärden, med medianvärden 39,0 mA / cm2och 39,2 mA / cm2för ITiO respektive Y. Detta är upp till 0,5 mA / cm2högre än det som uppnåtts med referensen ITO97 / 3.
Trots det högaJscoch braVocvärdena, emellertid gav cellerna med en Y-frontkontakt inte den högsta effektiviteten. Den högsta median CE på 22,9% erhölls faktiskt för ITO99 / 1, medan det högsta värdet av CE på 23,3% uppmättes för en cell med ITiO. Det lägre CE-värdet i fallet med Y-proverna är resultatet av den lägre medianen FF på endast cirka 77%, vilket beror på ett värde på Rs som är betydligt högre; i själva verket ger cellerna en Y-frontkontakt de högsta median Rs-värdena på 1,3-1,6 Ω cm2. Däremot är det medianvärde Rs 0,9 Ω cm2för ITO99 / 1-cellerna, vilket resulterar i en signifikant högre medianFF79,5%.
Tabell 1. Jämförelse av de elektriska egenskaperna hos olika TCO.
Figur 2. Schematiska tvärsnittsvyer av kisel heterojunktion (SHJ) solceller bakifrån: (a) Bifacial celldesign; (b) monofacial celldesign, med de seriemotståndskomponenter (Rs) som visas.
Figur 3. Seriemotstånd kontra främre TCO-arkmotstånd för SHJ-solceller fram och bak. Kurvorna representerar simulerade resultat, medan rutorna anger resultat för uppmätta celler med en ITO-variation.
Betydelsen av låg kontaktmotstånd
Den höga serieresistensen hos cellerna med (låg bärardensitet och) hög mobilitet TCO är faktiskt en aspekt som måste hanteras. Mer exakt, de två huvudkomponenterna i Rshär är kontaktmotståndet för TCO med de n- och p-dopade kiselkontaktskikten, som har undersökts i detalj i litteraturen [37–40]. När det gäller n-dopade c-Si-baserade solceller kan kontaktmotståndet för TCO med de n-dopade Si-skikten kännetecknas av olika, relativt enkla tekniker, såsom Cox och Strack [41] eller transmission -linje [42] metoder. Kontaktmotståndet för TCO med det p-dopade Si-skiktet (TCO / p) är däremot svårare att komma åt, eftersom en korsning bildas. Som visas av Basset et al. [21] och Wang et al. [24], till exempel, en enkel metod för att extrahera värdet på Rskomponenten är att härleda alla tillgängliga komponenter i Rsoch det återstående värdet sluts därefter till att vara TCO / p-kontaktmotståndet.
Kontaktresistiviteten ρcberor på den detaljerade bandinriktningen och bandböjningen, samt på gränssnittsfelstillstånden; följaktligen är flera parametrar viktiga, specifikt aktiveringsenergin för det dopade Si-skiktet och laddningsbärardensiteten, men också skillnaden i arbetsfunktion mellan båda materialen. Procel et al. [38] visade att ρcär minimalt när de dopade skikten uppvisar låga aktiveringsenergivärden, såsom de som erhålls med nanokristallina kiselskikt istället för amorfa skikt.
Dessutom bör laddningsbärardensiteten för TCO vara långt över 1 × 1020centimeter-3; detta är särskilt viktigt för TCO / p-kontakten, för vilken effektiv rekombination av hål och elektroner vid kontakten är nödvändig. När det gäller val och optimering av TCO-skikt innebär detta att man hittar ett optimalt för ne, som måste vara tillräckligt högt för att uppnå tillräckligt låg ρcvärden, men samtidigt måste vara så låga som möjligt för att begränsa parasitisk absorption (FCA).
I ett senare experiment valdes ett Y-lager med högre bärardensitet; Fig. 8 visar de tillgängliga egenskaperna genom att ställa in processen. För den anpassade TCO återhämtade sig faktiskt cellen FF, men på bekostnad av en liten minskning av Jscpå grund av ytterligare FCA. Sammantaget ökade CE fortfarande till en nivå som den som hittades för de bästa grupperna i figur 5, vilket visar vikten av noggrann inställning av skiktet och gränssnittsegenskaper.
Figur 4. Strömförlustrelaterad strömförlust (Ploss J) och seriemotståndsrelaterad effektförlust (Ploss R) för (a) bakre korsning och (b) SHJ-celler med främre korsning. Conversion efficiency (CE) förlustvärden indikeras av de streckade linjerna; dessa förluster är relativt en referens solcell med 23,3% CE, representerad av den lila diamanten vid (0,0). De fyllda symbolerna representerar 75 nm tjocka TCO (standard) men med en antireflexbeläggning (ARC) ovanpå, medan de öppna symbolerna representerar tunnare (optimerade) TCO-lager, även med en ARC.
Industriella aspekter: målkostnader
De vanligaste typerna av TCO-mål som används i den kristallina kisel-PV-industrin är roterbara mål, som är cylindriska skal av TCO-material bundna på ett stödrör av metall. Ju längre röret, desto fler skal måste användas för rörmålet. Anledningen till att industrin föredrar denna typ av mål för förstoftning av TCO är den mycket högre utnyttjandegraden för TCO-målmaterialet än för plana typer av TCO-mål. Användningshastigheten för målmaterialet som kan uppnås med ett roterbart mål är vanligtvis ≥80%; detta är av särskilt intresse i fallet där TCO-material är dyra, såsom indiumbaserade TCO. När det gäller TCO i den kristallina kisel PV-industrin är indiumbaserade TCO dominerande på grund av deras utmärkta skiktegenskaper (som också visades tidigare). Ändå erbjuder vissa marknadsaktörer också zinkbaserade TCO för samma ändamål. Det finns faktiskt fördelar och nackdelar med att använda zinkbaserade TCO. En fördel är den lägre kostnaden för ett zinkbaserat rörmål med dimensioner som är identiska med de för ett indiumbaserat mål, medan den lägre ledningsförmågan hos zink ger vissa begränsningar i solcellsdesign, som diskuterats tidigare och visualiserats i fig.
Fig. 6 visar den specifika målkostnaden per cm3av rörmål för zinkbaserade TCO: er och indiumbaserade TCO: er; notera att kostnaden för stödröret är undantagen från målkostnaden. Datapunkterna samlades in från målleverantörer över hela världen. Det mindre antalet datapunkter för zinkbaserade TCO: er kan tillskrivas bristen på intresse för det material som hittills visats av den kristallina kisel-PV-industrin.
Viss spridning i målkostnaden finns på grund av de olika materialen inom zinkgruppen och inom indiumgruppen, eller på grund av olika leverantörer. Datapunkterna som anger högre målkostnad i båda grupperna kan förklaras av mindre vanliga kompositioner och / eller dyra tillverkningsprocesser och / eller höga marginaler. De lägsta datapunkterna som observerats i båda grupperna bör vara representativa kostnadsvärden för solcellsproducenter med flera hundra årliga efterfrågan på rörmål.
En jämförelse av det lägsta värdet i båda grupperna avslöjar att Zn-baserade TCO (målkostnad ~ $ 0,6 / cm3) kan vara cirka en fjärdedel av priset på In-baserade TCO (målkostnad ~ $ 2,6 / cm3). Det bör dock påpekas att dessa datapunkter är en ögonblicksbild av den nuvarande situationen och snart troligtvis kommer att bli föråldrade, beroende på aktiemarknadens volatilitet med avseende på råvarumaterial, särskilt indium.
Figur 5. I – V-parametrar för bifaciala SHJ-solceller med 4 cm2 storlek med olika TCO: er fram och ITO 97/3 på baksidan. ITO 95/5, DC som sprutades från ett rörmål vid HZB, inkluderades som referens.
Industriella aspekter: massproduktion
Förutom önskan att implementera indiumfria TCO i syfte att förbättra driftskostnaderna (OPEX), är det i bästa intresse att ha ett stort volymtillverkningsförstoftningsverktyg som kan producera en högkvalitativ TCO-beläggning till en låg kostnad. Figur 7 visar det mycket produktiva XEA|nova L-förstoftningssystemet från VON ARDENNE, som kan deponera TCO-lager med en genomströmning på 8000 M6-skivor per timme i grundversionen och med en ännu högre genomströmning med hjälp av uppgraderingspaket. Under 2019 blev XEA|nova-utrustningen en del av en industriell tillverkningslinje som uppnådde toppcelleffektivitet på över 24% med TCO-filmer som liknar de som undersöks här.
För att uppnå en hög genomströmning måste deponeringsgraden för TCO-skikten vara hög, vilket kan realiseras genom att applicera en hög DC-effekt på rörmålet. TCO-egenskaperna måste emellertid fortfarande bibehållas när TCO bereds vid högre effekttätheter. Fig. 8 visar elektronmobiliteterna och laddningsbärartätheten för TCO-filmer, sprutade vid 4kW och 8kW från keramiska rörmål av TCO-typ 'Y'. Hög mobilitet på cirka 80 cm2/ Vs kunde uppnås vid en effektnivå på 4 kW efter avsättning. En ökning av förstoftningseffekten till 8 kW minskar maximal rörlighet med maximalt 10%. Det är intressant att mobiliteterna kan ökas ytterligare, upp till 100 cm2/ Vs, genom glödgning av filmerna under 30 minuter vid 200 ° C, såsom visas i fig. 8.
Figur 6. Specifik målkostnad per cm3 målmaterial för indiumbaserade och zinkbaserade totalkostnader.
Slutsatser
SHJ solcellsteknik har visat sig vara en viktig aktör på vägen för att öka sin andel i storskalig produktion. Detta beror på de mycket höga konverteringseffektiviteter som uppnåtts och den magra produktionsprocessen.
När det gäller TCO: s roll måste tre aspekter fortfarande behandlas för att öka SHJ-teknikens möjligheter att göra ytterligare inbrott i solcellindustrin:
1. Förbättra cellprestandan ytterligare.Detta kan uppnås genom implementering av hög mobilitet TCO som är lämpliga för massproduktion. Det visades att TCO: er med hög rörlighet kan sprutas vid höga genomströmningar, och dessa TCOs testades i SHJ-solceller. Även om CE för sådana SHJ-celler är hög, ligger den fortfarande efter referensceller med bästa ITO-front-TCO, trots en lägre absorption och högre rörlighet. Detta tillskrivs en ökad kontaktmotstånd hos TCO med n- och / eller p-dopade kiselkontakter. Finjustering av TCO och implementering av kontaktande lager och / eller gränssnittsoptimering kommer att behöva åtgärdas för att ytterligare minska resistiva förluster vid dessa gränssnitt och därigenom dra full nytta av de överlägsna TCO-egenskaperna.
2. Minska användningen av knappa (och dyra) material, särskilt indium.Ett attraktivt alternativ för att realisera en besparing i materialkostnad är att minska TCO-tjockleken; detta är ännu mer attraktivt med dyra höga konduktivitetskostnader (hög mobilitet). Emellertid krävs ytterligare ett processsteg för att deponera ett andra, antireflekterande (capping), lager (ARC) ovanpå TCO för att minska reflektionsförluster. Alternativt, som visas i denna artikel, kan TCO: er med lägre ledningsförmåga (AZO i det givna exemplet) implementeras i solceller bakifrån utan att kompromissa med CE. Detta får relevans när det gäller kostnader: i den presenterade analysen visar ZnO-baserade mål lägre kostnad på $ 0,6 / cm3för målmaterial, jämfört med 2,6 dollar / cm3för In-baserade mål. AZO: s begränsade stabilitet kan hanteras genom att till exempel täcka det med ett dielektriskt lager (a-SiO2eller a-SiNx).
3. Minska kostnaderna för PVD-utrustning.Att skala och öka genomströmningen av TCO-produktionslinjer är vägen att gå, med DC-förstoftning är redo för högkapacitetsproduktion av högpresterande TCO.
Bekräftelser
Finansiering från det tyska federala ministeriet för ekonomiska frågor och energi (BMWi) inom ramen för Dynasto-projektet under # 0324293 erkänns tacksamt.
Figur 8. Elektriska egenskaper hos TCO-skikt sprutade vid 4kW och 8kW från keramiska rörmål av TCO-typ 'Y', i det deponerade tillståndet och efter glödgning under 30 minuter vid 200 ° C under omgivande förhållanden.
Bekräftelser
Finansiering från det tyska federala ministeriet för ekonomiska frågor och energi (BMWi) inom ramen för Dynasto-projektet under # 0324293 erkänns tacksamt.
Referenser
[1] Chunduri, SK& Schmela, M. 2019, “Heterojunction solar technology”, Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_SV_ download_version2.pdf].
[2] Ballif, C. et al. 2019, ”Lösa alla flaskhalsar för kisel-heterojunktionsteknik”, Photovoltaics International, 42: e upplagan, s. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, ”Elektriska egenskaper och defektmodell av tenn-dopade indiumoxidskikt”, Appl. Phys. A, Vol. 27, nr 4, s. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, ”Avdunstade Sn» -dopade In2O3-filmer: Grundläggande optiska egenskaper och tillämpningar för energieffektiva fönster ”, J. Appl. Phys., Vol. 60, nr 11, s. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, ”Karakterisering och optimering av indiumtennoxidfilmer för heterojunction solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 95, nr 8, s. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, "Jämförande studier av transparent ledande Ti-, Zr- och Sn-dopad In2O3 med hjälp av en kombinatorisk strategi", J. Appl. Phys., Vol. 101, nr 6, s. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, ”Transparent ledande tunnfilmer med hög mobilitet av ceriumdopad hydrerad indiumoxid”, Appl. Phys. Expr., Vol. 8, nr 1, s. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, ”Hög mobilitet In2O3: H genomskinliga ledande oxider framställda genom atomskiktsdeponering och fastfaskristallisation”, physica status solidi (RRL), Vol. 8, nr 12, s. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, "Förbättrade elektriska egenskaper hos pulserad likströmsmagnetron sprutade väte-dopad indiumoxid efter glödgning i luft", Mater. Sci. Semicon. Proc., Vol. 89, s. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, ”Volframdopad indiumoxidfilm: Redo för bifacial kopparmetallisering av kisel-heterojunktion solcell”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 144, s. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, ”Hög elektronmobilitet W-dopade In2O3 tunna filmer genom pulserad laseravsättning”, Appl. Phys. Lett., Vol. 87, nr 11, s. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, "Atomic layer deposition growth of zirconium doped In2O3 films", Thin Solid Films, Vol. 440, nr 1, s. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, “Mycket ledande och bredbandstransparent Zr-dopad In2O3 som främre elektrod för solceller”, IEEE J. Photovolt., S. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, “Transparenta elektroder för effektiv optoelektronik”, Adv. Elektron. Mater., Vol. 3, nr 5, s. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, ”Transparent och halvtransparent ledande filmavsättning genom reaktiv miljö, ihålig katodförstoftning”, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 23, nr 4, s. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, ”Titaniumdoped indiumoxide: A high-mobilitet transparent ledare”, Appl. Phys. Lett., Vol. 87, nr 3, s. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, ”En ny transparent ledande tunn film In2O3: Mo”, Thin Solid Films, Vol. 394, nr 1–2, s. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Development of radiofrequency magnetron sputtered indium molybdenum oxid", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 21, nr 4, s. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, ”Transparent med hög mobilitet som leder Mo-dopade In2O3 tunna filmer genom pulserad laseravsättning”, J. Appl. Phys., Vol. 95, nr 7, s. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, "Förbättrad elektrisk transport i al-dopad zinkoxid genom termisk behandling", J. Appl. Phys., Vol. 107, nr 1, s. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, ”Fuktiga värmestabila dopade zinkoxidfilmer”, Thin Solid Films, Vol. 555, s. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, "Fuktig värmestabilitet hos al-dopade zinkoxidfilmer på släta och grova underlag", Thin Solid Films, Vol. 520, nr 4, s. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, ”ITO-fria kisel-heterojunktion solceller med ZnO: Al / SiO2 främre elektroder som når en konverteringseffektivitet på 23%”, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, nr 1, s. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, “Silicon heterojunction rear emitter solceller: Mindre restriktioner för optoelektriska egenskaper hos framsidan TCO”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 122, s 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, "Seriemotståndsuppdelning av kisel-heterojunction solceller producerade på CEA-INES pilotlinje", Proc. 35: e EU PVSEC, Bryssel, Belgien, s. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, ”Tredimensionell numerisk analys av hybrid heterojunktionskisel solceller med heterojunktion bakre punktkontakter”, AIP Adv., Vol. 5, nr 7, s. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, “Effekt av främre TCO på prestanda för bakkorsningskisel-heterojunktion solceller: Insikter från simuleringar och experiment”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 195, s. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, "En enkel metod med analytisk modell för att extrahera motståndskomponenter för heterojunktion av solcellserier och för att extrahera A-Si: H (i / p) till transparent ledande oxidkontaktresistivitet", AIP Conf. Proc., Vol. 2147, nr 1, s. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, “Inverkan av kiselskikt på tillväxten av ITO och AZO i kisel-heterojunktions solceller”, IEEE J. Photovolt., S. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, ”Tävlingen efter hög effektivitet i produktionen: Varför heterojunction nu är redo för marknadsföring”, Proc. 36: e EU PVSEC, Marseille, Frankrike, s. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, "'HJT 2.0' prestandaförbättringar och kostnadsfördelar för kiselproduktion av heterojunktionsceller", Proc. 36: e EU PVSEC, Marseille, Frankrike, s. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, ”Design och tillverkning av en antireflekterande SiOx / ITO-dubbelskiktbeläggning för heterojunktionskiselsolceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 117, s. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, "Solceller med kisel-heterojunktion med kopparpläterade nätelektroder: Status och jämförelse med silvertjockfilmstekniker", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr 4, s. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, ”ITO / SiOx: H-staplar för kisel-heterojunktion solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 158, del 1, s. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, “Manual for solar cell optical simulation software: GENPRO4”, Photovoltaic Materials and Devices, Delft University of Technology.
[36] Haschke, J. et al. 2020, ”Lateraltransport i kiselsolceller”, J. Appl. Phys., Vol. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, ”Förbättring av a-Si: H (p) bakre emitterkontakt av kiselsolceller av n-typ”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 106, s. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, “Teoretisk utvärdering av kontaktstack för högeffektiva IBC-SHJ solceller”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 186, s. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, ”Kontaktresistivitet för TCO / a-Si: H / c-Si heterojunktion”, Proc. 36: e EU PVSEC, Marseille, Frankrike, s. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, “Inflytande av gränssnittsoxider vid TCO / dopade Si-tunnfilmkontakter på laddningsbärartransport av passiverande kontakter”, IEEE J. Photovolt., S. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, "Ohmiska kontakter för GaAs-enheter", Solid State Electron., Vol. 10, nr 12, s. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, "Analytisk modellering av industrirelaterade kiselsolceller", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr 1, s. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].