Font: vonardenne.biz
Publicat originalment a Photovoltaics International, Edició 44, maig de 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Resum
La tecnologia de cèl·lules solars d’heterojunció de silici (SHJ) és una tecnologia atractiva per a la producció a gran escala de cèl·lules solars amb una alta eficiència de conversió superior al 24%. Un element clau de les cèl·lules solars SHJ, que contrasta amb la tecnologia de les cèl·lules emissores passivades i de contacte posterior (PERC) actuals&# 39, és l’ús d’òxid conductor transparent (TCO), que suposa reptes en el rendiment i els costos, però també presenta oportunitats. Aquest article analitza aquests aspectes i mostra el potencial per millorar l'eficiència de les cèl·lules a un cost reduït mitjançant l'ús de nous TCOs dipositats per polvorització de corrent continu (CC). En el cas de les cèl·lules SHJ d’unió posterior, és possible reduir o fins i tot evitar l’ús d’indi en aquests TCO, sent l’òxid de zinc dopat amb alumini (AZO) un dels possibles substituts dels TCO basats en òxid d’indi. Es resumeix la disponibilitat de TCO d’alt rendiment per a la producció massiva a gran escala, que afavorirà la penetració al mercat de les cèl·lules SHJ.
Exemple d’equips de producció massiva de TCO: XEA|nova L de VON ARDENNE
Introducció
Les cèl·lules solars de silici basades en l’emissor passivat i la tecnologia de contacte posterior (PERC) han assolit nivells de múltiples gigawatts en producció massiva, amb eficiències de conversió (CE) del 22% i ara s’acosten al 23%. Per a CE encara més elevats, es considera que els contactes passivitzats són la següent generació de tecnologia cel·lular. Aquí, la tecnologia d’heterojunció de silici (SHJ) és un candidat prometedor i surt de la porta de sortida, ja que s’ha demostrat una CE del 23-24% en hòsties de mida completa, no només en línies pilot, sinó també en producció a gran escala [ 1]. Tot i que Panasonic (anteriorment Sanyo) va ser pionera en aquesta tecnologia, diversos actors de tot el món han anat construint les seves pròpies línies de producció, com ara ENEL Green Energy i Hevel Solar a Europa, i REC, Jinergy, GS-Solar i altres a Àsia. Els principals beneficis de la tecnologia SHJ es van discutir en un article recent de Ballif et al. [2]. A més de la CE alta, un avantatge clau de SHJ és la seqüència de producció magra, amb només quatre passos principals necessaris per processar les dues cares simètricament:
1. Neteja en humit i textura de les neules.
2. Deposició a-Si: H mitjançant deposició de vapor químic millorat per plasma (PECVD).
3. Diposició de capes d’òxid conductor transparent (TCO) mitjançant deposició física de vapor (PVD, generalment polvorització).
4. Serigrafia de quadrícules de plata.
A causa dels processos de baixa temperatura (& lt; 200 ° C) i de la pila de dispositius simètrics, es pot evitar la flexió i la fissuració de les hòsties induïdes per l'estrès, cosa que significa que es poden utilitzar unes neules fines, estalviant així costos i energia del material. La pila SHJ es produeix de forma natural en un disseny de cèl·lules bifacials; a més, les cèl·lules SHJ tenen el coeficient de temperatura més baix al camp, normalment –0,28% / ° C. La combinació de bifacialitat i coeficient de baixa temperatura augmenta el rendiment energètic d’un sistema fotovoltaic.
D'altra banda, alguns dels factors que limiten un ràpid augment de la captació de la tecnologia SHJ són els costos d'equips relativament alts, principalment per a PECVD (però també per a PVD), i el contacte de cèl·lules adaptat per a la fabricació de mòduls (sense alta temperatura estàndard) soldadura). Es necessita més pasta Ag que per a cèl·lules Si estàndard, a causa del curat a baixa temperatura, que produeix dits de conductivitat més baixa; això, però, depèn de l'enfocament d'interconnexió, específicament de si s'utilitzen barres de bus o no. Finalment, i es discuteix amb més detall en aquest article, es requereixen objectius per escampar les capes de TCO a banda i banda, que són costosos per als materials que se solen utilitzar.
Idexid d'indi (In2O3) dopat amb estany (Sn), conegut com ITO, és actualment el TCO més utilitzat [3-5]. Aquest òxid conductor transparent és ben conegut per la producció massiva de pantalles de pantalla plana (FPD) i presenta propietats optoelectròniques adequades, com ara una baixa resistivitat de capes primes i una transparència suficient en el rang visible. Una consideració important per a la producció de FPD, ITO es pot processar per fotolitografia, ja que és gravable (en l'estat tan dipositat) i és estable a llarg termini després de la cristal·lització en fase sòlida després del recuit tèrmic a 150-200 ° C. Generalment, l’ITO es diposita mitjançant magnetoteràpia de corrent continu (DC) a grans superfícies. Tot i que la polvorització de CC provoca inicialment alguns danys a la passivació de la superfície de silici, aquesta està totalment recocida a temperatures d’uns 200 ° C, que s’assoleix durant la polvorització o posteriorment durant el curat de la pasta Ag després de serigrafiar-la.
A diferència dels FPD, el TCO ha de complir uns requisits addicionals quan s’aplica a la part frontal de les cèl·lules SHJ, és a dir, una excel·lent transparència en el rang més ampli de longituds d’ona 300-1.100 nm. La figura 1 mostra els espectres d’absorció de diverses capes de TCO, demostrant les diferències d’absorció paràsita en els règims de longitud d’ona curta i llarga. A més d'aquesta baixa absorció, les resistències de contacte baixes tant amb les capes de silici dopades amb n i p, com amb la quadrícula metàl·lica, són obligatòries per a les capes de TCO a banda i banda. Per últim, però no menys important, les limitacions de cost de les cèl·lules solars són extremadament estrictes i, per preveure el PV a escala de terawatts, és essencial reduir (o millor encara, evitar) l’ús de materials crítics o escassos, com l’indi En). Aquest darrer aspecte, però, encara és difícil d’abordar, ja que la majoria dels TCO de qualitat de dispositiu contenen indi. Una opció és reduir el gruix d’aquests TCO, cosa que després requereix la deposició d’una segona capa per tal de mantenir un rendiment òptic (antireflectant) ideal. Això, al seu torn, augmenta el nombre de passos del procés i, per tant, la complexitat i els costos del procés.
Aquest article tracta de l'optimització del TCO per a la seva incorporació a cèl·lules solars SHJ. Es presenta una mètrica per avaluar i comparar diferents TCO en relació amb la seva idoneïtat per a l'aplicació en cèl·lules SHJ. Per reduir la pèrdua òptica al TCO frontal, és obligatori l’ús de materials amb una alta transparència. Una alta mobilitat de càrrega, normalment> 100 cm2/ Vs, permet una reducció de la densitat del portador (a resistivitat constant), reduint així la pèrdua òptica a causa de l’absorció del portador lliure (FCA).
Diversos materials de TCO "d'alta mobilitat" basats en òxid d'indi amb diferents dopatges han estat investigats en el passat [6-13]. Tots ells presenten excel·lents propietats com a capes de TCO sobre el vidre i la majoria també tenen un alt contingut de CE. La fabricació objectiu, però, és difícil i els costos són elevats per a molts d’aquests materials.
Ja estan disponibles nous TCOs que es poden processar en producció a gran escala a partir d’objectius giratoris, cosa que proporciona una alta mobilitat i produeix cèl·lules SHJ amb CE elevada. Les circumstàncies en què AZO, com a alternativa lliure d’indi i de baix cost, es pot implementar en cèl·lules SHJ d’alta eficiència, es debatran més endavant. També es presentarà una comparació de costos dels objectius basats en In i ZnO.
Figura 1. Espectres d’absorció òptica per a diversos tipus de capa de gruix de TCO
TCO per a cèl·lules solars SHJ
En el passat, s’ha investigat diversos materials de TCO per utilitzar-los en cèl·lules solars SHJ. Els requisits importants per a aquesta implementació són l’alta conductivitat i l’alta transparència, amb temperatures de processament inferiors a 200 ° C (a causa de la sensibilitat de les capes de passivació de silici de pel·lícula prima), així com una bona formació de contacte amb les capes veïnes [14].
Entre alguns dels TCO rellevants, el policristal·lí Sn dopat amb In2O3(ITO) cultivat a temperatures inferiors a 200 ° C, que arriba a la mobilitat d’electrons (μe) al voltant dels 40cm2/ Vs [3-5], ha trobat una àmplia aplicació en cèl·lules solars SHJ. TCOs basats en dopatge amb altres metalls, com el titani (Ti) [15,16], el zirconi (Zr) [6,12,13], el molibdè (Mo) [15,17-19] i el tungstè (W) [ 10,11], produeixen valors μe superiors a 80 cm2/ V a una densitat de portador de càrrega (ne) que oscil·la entre 1 × 1020 i 3 × 1020 cm-3.
Aquestes capes es poden dipositar mitjançant polvorització de magnetrons, deposició làser pulsada (PLD) i recobriment d’ions amb descàrrega d’arc de CC o deposició de plasma reactiu (RPD). D’aquests, la polvorització és el mètode més establert per a la producció en massa. Una mobilitat encara més elevada de μe> 100 cm2Es pot aconseguir / Vs per a hidrogen (H) cristal·litzat en fase sòlida (SPC) dopat en2O3(IOH) [6-9] i ceri (Ce) ICeO: H [7] pel·lícules amb 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Aquestes pel·lícules es dipositen a baixes temperatures en una matriu amorfa i posteriorment es recocen a temperatures superiors a 150 ° C, la qual cosa resulta en valors elevats de μe a causa de la formació de grans grans.
Els TCO introduïts anteriorment són atractius pel seu excel·lent rendiment optoelèctric, però fins ara principalment ITO i IWO: H s’han trobat en la producció industrial. L'escassetat d'indi, però, és una motivació per a la implementació de TCO alternatius. AZO ofereix l'avantatge de tenir materials compostos més abundants. Les capes AZO amb un gruix de diversos centenars de nanòmetres, escampades a temperatures elevades> 250 ° C, ofereixen bones propietats optoelectròniques [20] i també estabilitat [21].
Capes primes de gruix inferior a 100 nm dipositades a temperatures inferiors a 200 ° C, tal com es requereix per a les cèl·lules SHJ, en canvi presenten una estructura cristal·lina deficient, el que resulta en valors de mobilitat baixos al voltant de 20cm2 / Vs i pobra estabilitat a llarg termini [22]. No obstant això, s’ha demostrat una millora de l’estabilitat de les cèl·lules solars SHJ mitjançant l’aplicació d’un òxid de silici amorf (a-SiO2) limitació [23].
Tal com indica el μeels valors obtinguts i, en funció de les condicions de processament, els diferents TCO demostren una àmplia gamma de mobilitats electròniques. La resistència de la làmina TCO (R▫) els rangs es poden classificar tal com es mostra a la taula 1. Aquí, un rang de concentració de portadors 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3es considera: això representa un bon compromís per aconseguir un FCA baix, una bona conductivitat elèctrica i una bona formació de contacte amb capes veïnes i un gruix de TCO de 75 nm per a propietats antireflectants.
La simetria en el processament de cèl·lules SHJ i l’ús d’òsties (de tipus n) amb una vida útil del portador molt elevada permet triar lliurement quin contacte (n o p) s’enfronta a la part frontal. La posició del contacte p (unió) té un impacte en l'optimització del TCO frontal per obtenir tant alta transparència com baixa resistència en sèrie Rsde la cèl·lula [24-27]. Per demostrar-ho, la figura 2 mostra seccions transversals esquemàtiques de cèl·lules solars SHJ bifacials i monofacials en una configuració d’unió posterior amb totes les contribucions de Rs indicades. Es pot trobar una anàlisi detallada dels components de Rs i de les seves contribucions a les cèl·lules solars SHJ a Basset et al. [25] i Wang et al. [28]. L'alta conductivitat, és a dir, la densitat i la mobilitat, dels electrons a l'hòstia c-Si, juntament amb la resistència de contacte molt baixa del contacte n / TCO, afavoreix que l'elecció del contacte n sigui a la part davantera ("unió posterior"), ja que el transport de corrent lateral està recolzat significativament per l’hòstia. Això relaxa el requisit de conductivitat del TCO (resistència del full), permetent així una optimització cap a la màxima transparència.
Per il·lustrar l’efecte de la llibertat esmentada en el disseny de cèl·lules, la figura 3 presenta corbes Rs simulades juntament amb valors experimentals extrets de cèl·lules solars, amb una variació del procés ITO en funció de la resistència de la làmina TCO frontal. Els valors experimentals validen les tendències del model [27]. Com es pot veure clarament, el disseny de la unió posterior ofereix un avantatge per a TCO d’alta resistència, ja que es beneficia del suport lateral en la conducció d’electrons a l’hòstia Si. El disseny de la unió frontal, en canvi, és més favorable per a capes de TCO de baixa resistivitat; aquest disseny s’aprofita de la contribució transversal inferior de Rs, ja que els electrons, que tenen una mobilitat més gran que els forats, viatgen cap a la part posterior de l’hòstia (la fotogeneració es produeix principalment a prop del costat frontal). La compensació entre les contribucions Rs laterals i transversals determinarà quin disseny de cèl·lules solars és més adequat, en funció de la resistència disponible de la làmina de TCO.
La R▫Els rangs per a diferents TCO reportats a la literatura i tal com es defineixen a la taula 1 es mostren a la figura 3 amb l'ombra de color corresponent. TCO amb R baix▫(vermell) són més beneficiosos quan s’implementen en un dispositiu d’unió frontal, mentre que els TCO amb R de gamma mitjana▫(blau) es troben en una regió de transició on la Rsla diferència entre els dispositius de connexió frontal i posterior és bastant petita. En canvi, els TCO amb R alt▫(grisos) són clarament avantatjosos quan s’implementen en un disseny d’unió posterior; això és favorable per AZO, per exemple, ja que és altament transparent, però poc conductiu, tot i que segueix produint la mateixa eficiència cel·lular SHJ> un 23% com la cel·la de referència ITO [23]. A l'Helmholtz-Zentrum de Berlín, les cèl·lules solars SHJ amb TCO frontal basat tant en ITO com en AZO han aconseguit un CE certificat superior al 23,5% [29].
Un altre enfocament que aprofita el suport de transport lateral de l’hòstia, demostrat per alguns grups de recerca [27,30] i en producció pilot [31], és implementar TCOs més prims, que redueix l’absorció paràsita, mantenint o millorant així la cèl·lula solar CE. La implementació d'una capa de TCO més prima, però, requereix una segona capa a la part superior, per exemple, SiO2o Si3N4- per mantenir l'antireflexió (AR) òptima [32-34].
Per quantificar amb precisió el rendiment òptic de diferents TCO quan s’implementen a la pila de cèl·lules, és a dir, determinar la pèrdua específica de densitat de corrent de curtcircuit (Jsc), es van realitzar simulacions amb una eina de programari de rastreig de raigs (GenPro4 [35]). Tenint en compte la pèrdua de potència relacionada amb el TCO a la cèl·lula a causa tant d'un augment de Rs com d'una disminució de Jsc, es van comparar diferents materials de TCO, com es mostra a la figura 4. Per a aquest propòsit, una cèl·lula solar de referència amb CE=23,3 Es va considerar el%, sense pèrdues relacionades amb el TCO a Jsci Rs(FF). IOH, ITO i AZO es van estudiar com a exemples de baixa R▫, mitjan R▫i alt-R▫règims respectivament.
Es van estudiar les implementacions de TCO estàndard de 75 nm de gruix ("gruixut") i de TCOs prims ("prims") optimitzats òpticament. Per a una comparació justa (és a dir, mantenir-se en l'òptim de RA en tots els casos), totes les cel·les (amb TCO "gruixut" i "prim") es van acabar amb un a-SiO2capa de límit. Es va suposar que les resistivitats de contacte a les interfícies TCO / Ag i TCO / Si eren (baixes i) iguals per als tres TCO, cosa que, per descomptat, és una simplificació. Això es parlarà més endavant i es presentarà a Haschke et al. [36]. Podeu trobar més detalls sobre els gruixos de la capa optimitzats i els resultats de la simulació a Cruz et al. [27].
Els gràfics de la figura 4 mostren la pèrdua de potència relacionada amb el TCO a causa d’una disminució de Jsc i d’un augment de Rs, per a dispositius de connexió posterior (Fig. 4 (a)) i de connexió frontal (Fig. 4 (b)). És evident que l'IOH supera els altres dos TCO a causa de les seves excel·lents propietats optoelectròniques en ambdós casos. A la Fig. 4 (a), que mostra el gruixut ITO i AZO, els materials compensen les seves pèrdues de CE, ja que la conductivitat AZO inferior presenta una absorció paràsita inferior a la ITO. Quan es compara amb les versions més fines de TCO, es pot observar que la pèrdua de CE disminueix lleugerament com a conseqüència de la reducció de l’absorció paràsita de TCO. L’ITO clarament es beneficia més d’aquest aprimament, a causa de la seva absorció paràsita comparativament més elevada, que en última instància condueix a una CE lleugerament millor que amb AZO. Això demostra que els TCO més prims amb òptica millorada es poden implementar en una configuració d’unió posterior i seran beneficiosos en termes de CE.
En canvi, observant el disseny de la unió frontal de la figura 4 (b), es pot veure que l’IOH d’alta conductivitat no patirà la contribució inferior del transport lateral de l’hòstia. Tanmateix, les conductivitats més baixes ITO i AZO augmenten les pèrdues resistives. Disminuir el gruix de l’ITO no comporta cap avantatge CE, mentre que en el cas de l’AZO és clarament desavantatjós. Es pot concloure que un TCO d’alta conductivitat, aquí IOH a l’exemple, es pot implementar tant en configuracions de cèl·lules solars d’unió posterior com frontal, sense grans diferències en les pèrdues de CE. Els TCO de conductivitat inferior, com ITO i AZO, patiran les R laterals més altes presents a la configuració de la unió frontal. L’aprimament del TCO a les cèl·lules solars de la unió posterior és avantatjós si el TCO supera un determinat llindar d’absorció, fins i tot per a un TCO amb baixa conductivitat, aquí AZO a l’exemple. En un disseny d’unió frontal, l’aprimament només aportarà petits beneficis, o fins i tot pot ser desavantatjós per a TCO de conductivitat inferior, com ara AZO.
Actuació dels TCO industrials d'alta mobilitat
Per tal de provar els TCO d’alta mobilitat escampats a una velocitat elevada per la filtració de CC des d’objectius de tubs, tal com es realitza en la producció massiva a gran escala, es van utilitzar diferents materials per al TCO frontal a les cèl·lules solars SHJ de bifacial unió posterior. Es van provar dos tipus de TCO d’alta mobilitat, a saber, l’òxid d’indi dopat amb titani (ITiO) i l’òxid d’indi amb un tipus de dopatge no revelat (“Y”). A més, es va provar ITO amb diverses concentracions de dopatge, que contenia un 97% d'òxid d'indi i un 3% d'òxid d'estany a l'objectiu ('97 / 3 ') i ITO 99/1. Com a material de referència, ITO 97/3 es va implementar a la part posterior de totes les cel·les. També es va incloure un grup de cel·les amb ITO 95/5 a les dues cares davantera i posterior.
Les capes de prova corresponents sobre vidre van revelar resistències de fulls de TCO en el rang de 36-136 Ω després de la deposició i el recuit durant 30 minuts a 200 ° C en condicions ambientals, que és comparable al curat realitzat després de la serigrafia. Es tracta d’un rang adequat per a la implementació com a contacte frontal a les cèl·lules solars SHJ de la unió posterior, tal com s’ha comentat anteriorment (vegeu la figura 3). Cal tenir en compte, però, que les capes de TCO dipositades sobre el vidre poden presentar propietats (mobilitat portadora) diferents de les quan es dipositen les capes sobre silici, tal com es requereix per a les cèl·lules solars. Això s'ha atribuït a dos efectes [29]: (1) diferent nucleació de cristalls i, per tant, estructura del gra; (2) contingut d'hidrogen diferent que difon de la capa de silici al TCO.
Les capes ITiO i Y presenten altes mobilitats de fins a 90cm2 / V, però amb diferents densitats de portador de càrrega, és a dir, 2 × 1020cm-3i ~ 0,8 × 1020cm-3respectivament. Per a pel·lícules ITO97 / 3 i ITO99 / 1, valors de mobilitat més baixos, d’uns 60 i 70 cm2/ V a densitats de càrrega de 2,7 × 1020 cm-3i 1,8 × 1020cm-3respectivament, es van mesurar. Com a resultat de la densitat de portadora de càrrega molt baixa, les pel·lícules Y van mostrar la menor absorció paràsita a la regió de l’infraroig proper (vegeu la figura 1), cosa que fa d’aquest material el més prometedor per assolir el Jsc més alt i, possiblement, el CE més alt en cèl·lules solars.
ElI–VEls paràmetres de cadascun dels grups de prova es mostren a la figura 5. Totes les cel·les presenten tensions de circuit obert comparables (Voc), amb mitjanes en el rang estret de 737-738 mV. Això confirma que la passivació no es va degradar a causa de diferents danys per polvorització. Com era d’esperar, les cèl·lules solars amb TCO d’alta mobilitat van produir el J més altscvalors, amb medianes de 39,0 mA / cm2i 39,2 mA / cm2per a ITiO i Y respectivament. Això és de fins a 0,5 mA / cm2superior a l’aconseguit amb la referència ITO97 / 3.
Tot i l’altJsci béVocvalors, però, les cel·les amb un contacte frontal en Y no van produir les eficiències més altes. La CE mitjana més alta del 22,9% es va obtenir realment per ITO99 / 1, mentre que el valor més alt de CE del 23,3% es va mesurar per a una cèl·lula amb ITiO. La CE més baixa en el cas de les mostres de Y resulta de la FF mitjana inferior de només al voltant del 77%, cosa que es deu a un valor de Rs que és considerablement superior; de fet, les cèl·lules amb un contacte frontal Y produeixen els valors Rs medians més alts d’1,3-1,6 Ω cm2. En canvi, el valor mitjà de Rs és de 0,9 Ω cm2per a les cèl·lules ITO99 / 1, resultant en una mediana significativament superiorFFdel 79,5%.
Taula 1. Comparació de les propietats elèctriques de diferents TCO.
Figura 2. Vistes esquemàtiques de seccions transversals de cèl·lules solars d'heterojunció de silici (SHJ) de la unió posterior: (a) disseny de cèl·lules bifacials; (b) disseny de cèl·lules monofacials, amb els components de resistència en sèrie (Rs) que es mostren.
Figura 3. Resistència de la sèrie enfront de la resistència de la làmina TCO davantera per a cèl·lules solars SHJ d'unió frontal i posterior. Les corbes representen resultats simulats, mentre que les caselles indiquen resultats per a les cèl·lules mesurades amb una variació ITO.
Importància de la baixa resistència al contacte
L'elevada resistència en sèrie de les cèl·lules amb (densitat de portadora baixa i) TCO d'alta mobilitat és de fet un aspecte que cal abordar. Més precisament, els dos components principals de Rsaquí teniu la resistència de contacte dels TCO amb les capes de contacte de silici dopades amb n i p, que s’han investigat amb detall a la literatura [37-40]. En el cas de les cèl·lules solars basades en c-Si dopades amb n, la resistència de contacte del TCO amb les capes de Si dopades amb n es pot caracteritzar per diverses tècniques, relativament senzilles, com Cox i Strack [41] o transmissió. -line [42] mètodes. La resistència de contacte del TCO amb la capa de Si dopat amb p (TCO / p), en canvi, és més difícil d’accedir perquè es forma una unió. Com mostren Basset et al. [21] i Wang et al. [24], per exemple, un mètode senzill per extreure el valor de la Rscomponent és derivar tots els components accessibles de Rs, i es conclou que el valor restant és la resistència de contacte TCO / p.
La resistivitat de contacte ρcdepèn de l'alineació de banda detallada i de la flexió de banda, així com dels estats de defecte de la interfície; per tant, diversos paràmetres són importants, específicament l’energia d’activació de la capa de Si dopat i la densitat del portador de càrrega, però també la diferència de funció de treball entre ambdós materials. Procel et al. [38] va mostrar que ρcés mínim quan les capes dopades presenten valors d’energia d’activació baixos, com els obtinguts amb capes de silici nanocristal·lí en lloc de capes amorfes.
A més, la densitat de portador de càrrega del TCO hauria de ser molt superior a 1 × 1020cm-3; això és particularment important per al contacte TCO / p, per al qual és essencial una recombinació eficient de forats i electrons al contacte. Pel que fa a la selecció i l'optimització de capes de TCO, això implica trobar un òptim per a ne, que ha de ser prou alt per aconseguir ρ prou baix.cvalors, però, al mateix temps, han de ser el més baixos possibles per tal de limitar l’absorció parasitària (FCA).
En un experiment més recent, es va seleccionar una capa Y amb una densitat de portadora més alta; La figura 8 mostra les propietats disponibles ajustant el procés. De fet, per al TCO adaptat, la FF de la cèl·lula es va recuperar, però a costa d’una petita disminució de Jsca causa de la FCA addicional. En general, el CE encara va augmentar fins a un nivell similar al trobat per als millors grups de la figura 5, la qual cosa demostra la importància d’una afinació acurada de les propietats de la capa i de la interfície.
Figura 4. Pèrdua de potència relacionada amb la densitat de corrent (Ploss J) i pèrdua de potència relacionada amb la resistència en sèrie (Ploss R) per a (a) cèl·lules SHJ d'unió posterior i (b) d'unió frontal. Els valors de pèrdua d’eficiència de conversió (CE) s’indiquen amb les línies discontínues; aquestes pèrdues són relatives a una cèl·lula solar de referència amb un 23,3% CE, representada pel diamant porpra a (0,0). Els símbols omplerts representen TCO de 75 nm de gruix (estàndard) però amb un revestiment antireflex (ARC) a la part superior, mentre que els símbols oberts representen capes de TCO més fines (optimitzades), també amb un ARC.
Aspectes industrials: costos objectiu
Els tipus comuns d’objectiu TCO que s’utilitzen a la indústria fotovoltaica de silici cristal·lí són objectius rotatius, que són carcasses cilíndriques del material TCO unides en un tub de suport fet de metall. Com més llarg sigui el tub, més closques s’han d’utilitzar per a l'objectiu del tub. La raó per la qual la indústria prefereix aquest tipus d’objectiu per a l’aparició de TCO és la taxa d’utilització molt més elevada del material objectiu de TCO que la dels tipus plans d’objectiu de TCO. La taxa d’utilització del material objectiu assolible amb un objectiu girable sol ser ≥80%; això té un interès particular en el cas que els materials TCO siguin cars, com els TCO basats en indi. Pel que fa als TCO de la indústria fotovoltaica de silici cristal·lí, els TCO basats en indi són dominants per les seves excel·lents propietats de capa (com també es va mostrar anteriorment). No obstant això, alguns agents del mercat també ofereixen TCO basats en zinc amb el mateix propòsit. De fet, hi ha avantatges i desavantatges per utilitzar TCO basats en zinc. Un dels avantatges és el menor cost d’un objectiu de tubs basats en zinc de dimensions idèntiques a les d’un objectiu basat en indi, mentre que la conductivitat inferior del zinc presenta algunes limitacions en el disseny de cèl·lules solars, tal com es va comentar anteriorment i es va visualitzar a la figura 3.
La figura 6 mostra el cost objectiu específic per cm3de dianes tubulars per a TCO basats en zinc i TCO basats en indi; tingueu en compte que el cost del tub de suport està exclòs del cost objectiu. Els punts de dades es van recollir de proveïdors objectiu de tot el món. El menor nombre de punts de dades dels TCO basats en zinc es pot atribuir a la manca d’interès per aquest material demostrat fins ara per la indústria fotovoltaica de silici cristal·lí.
Hi ha una mica de dispersió en el cost objectiu a causa dels diferents materials dins del grup de zinc i dins del grup d’indi, o a causa de diferents proveïdors. Els punts de dades que denoten un cost objectiu més elevat en ambdós grups es poden explicar per composicions menys habituals i / o processos de fabricació costosos i / o marges elevats. Els punts de dades de menor cost observats en ambdós grups haurien de ser valors representatius de costos per als productors de cèl·lules solars amb diversos centenars de demandes anuals de tubs.
Una comparació del valor més baix en ambdós grups revela que els TCO basats en Zn (cost objectiu ~ 0,6 $ / cm)3) pot aproximadament una quarta part del preu dels TCO basats en In (cost objectiu ~ 2,6 dòlars / cm)3). Cal assenyalar, però, que aquests punts de dades són una instantània de la situació actual i que aviat probablement quedaran obsolets, en funció de la volatilitat del mercat de valors pel que fa al material de matèria primera, en particular l’indi.
Figura 5. Paràmetres I-V de cèl·lules solars SHJ bifacials de 4 cm2 de mida amb diversos TCO frontals i ITO 97/3 a la part posterior. Com a referència es va incloure l’ITO 95/5, DC que va sortir d’un objectiu de tub a HZB.
Aspectes industrials: producció en massa
A més del desig d’implementar TCO sense indi amb l’objectiu de millorar la despesa operativa (OPEX), és del millor interès disposar d’una eina de pulverització de fabricació d’alt volum que pugui produir un recobriment de TCO d’alta qualitat a baix cost. La figura 7 mostra el sistema de polvorització XEA|nova L altament productiu de VON ARDENNE, que pot dipositar capes de TCO a un rendiment de 8.000 hòsties M6 per hora a la versió bàsica, i a un rendiment encara més alt mitjançant l’ús de paquets d’actualització. Durant el 2019, l’equip XEA|nova va passar a formar part d’una línia de fabricació industrial que va aconseguir eficiències cel·lulars superiors al 24% mitjançant pel·lícules de TCO similars a les investigades aquí.
Per tal d’aconseguir un rendiment elevat, la velocitat de deposició de les capes de TCO ha de ser elevada, cosa que es pot aconseguir aplicant una alta potència de CC a l’objectiu del tub. Tot i això, les propietats del TCO encara s’han de mantenir quan es prepara el TCO a densitats de potència més altes. La figura 8 mostra les mobilitats electròniques i les densitats de càrrega de les pel·lícules de TCO, escampades a 4kW i 8kW de tubs ceràmics objectius de tipus TCO 'Y'. Mobilitats elevades d’uns 80 cm2/ Vs es podrien aconseguir a un nivell de potència de 4 kW després de la deposició. Un augment de la potència de polvorització a 8 kW redueix la mobilitat màxima un màxim del 10%. És interessant que es puguin augmentar les mobilitats fins a 100 cm2/ Vs, recocint les pel·lícules durant 30 minuts a 200 ° C, tal com es mostra a la figura 8.
Figura 6. Cost objectiu específic per cm3 de material objectiu per a TCO basats en indi i en zinc.
Conclusions
La tecnologia de cèl·lules solars SHJ ha demostrat ser un actor important en el camí per augmentar la seva participació en la producció a gran escala. Això es deu a les altes eficiències de conversió aconseguides i al procés de producció escassa.
Pel que fa al paper dels TCO, encara s’han d’abordar tres aspectes per augmentar les perspectives de la tecnologia SHJ d’incidir més en la indústria de les cèl·lules solars:
1. Milloreu encara més el rendiment de les cèl·lules.Això es pot aconseguir mitjançant la implementació de TCO d'alta mobilitat adequats per a la producció en massa. Es va demostrar que els TCO d’alta mobilitat es poden escampar a elevats rendiments, i aquests TCO es van provar en cèl·lules solars SHJ. Tot i que la CE d’aquestes cèl·lules SHJ és elevada, encara es queda per darrere de la de les cèl·lules de referència amb el millor TCO frontal ITO, malgrat una menor absorció i major mobilitat. Això s’atribueix a una major resistivitat de contacte dels TCO amb els n- i / o contactes de silici dopats per p. S’haurà d’abordar la posada a punt del TCO i la implementació de capes de contacte i / o l’optimització de la interfície per tal de reduir encara més les pèrdues resistives en aquestes interfícies i, d’aquesta manera, obtenir tots els beneficis de les propietats superiors del TCO.
2. Reduir l’ús de materials escassos (i cars), especialment l’indi.Una opció atractiva per aconseguir un estalvi en el cost del material és disminuir el gruix del TCO; això és encara més atractiu amb costosos costos elevats de conductivitat (alta mobilitat). Tanmateix, cal un altre pas de procés per dipositar una segona capa antirreflectant (límit) (ARC) a la part superior del TCO per tal de reduir les pèrdues de reflexió. Alternativament, tal com es mostra en aquest article, es poden implementar TCOs de conductivitat inferior (AZO en l'exemple donat) en cèl·lules solars de connexió posterior sense comprometre's amb CE. Això guanya rellevància pel que fa al cost: en l’anàlisi presentada, els objectius basats en ZnO demostren un cost inferior a 0,6 dòlars / cm3per al material objectiu, en comparació amb 2,6 $ / cm3per a objectius basats en. La limitada estabilitat de l’AZO es pot fer front, per exemple, tapant-lo amb una capa dielèctrica (a-SiO2o a-SiNx).
3. Reduir els costos dels equips PVD.L’escalat i l’augment del rendiment de les línies de producció de TCO és el camí a seguir, ja que la protecció de CC està preparada per a la producció d’alt rendiment de TCO d’alt rendiment.
Agraïments
Es reconeix el finançament del ministeri federal alemany per a afers econòmics i energia (BMWi) en el marc del projecte Dynasto sota el número 0324293.
Figura 8. Propietats elèctriques de les capes de TCO escampades a 4kW i 8kW a partir de dianes de tubs ceràmics de tipus TCO 'Y', en l'estat tan dipositat i després de recuit durant 30 minuts a 200 ° C en condicions ambientals.
Agraïments
Es reconeix el finançament del ministeri federal alemany per a afers econòmics i energia (BMWi) en el marc del projecte Dynasto sota el número 0324293.
Referències
[1] Chunduri, SK&lificador; 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, "Solució de tots els colls d'ampolla per a la tecnologia d'heterojunció de silici", Photovoltaics International, 42a edició, p. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, "Propietats elèctriques i model de defectes de capes d'òxid d'indi induades amb estany", Appl. Phys. A, vol. 27, núm. 4, pàgs. 197-206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, pel·lícules In2O3 dopades "Evaporated Sn": propietats òptiques bàsiques i aplicacions a finestres eficients en energia ", J. Appl. Phys., Vol. 60, núm. 11, pàgines R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, “Caracterització i optimització de pel·lícules d’òxid d’estany d’indi per a cèl·lules solars d’heterojunció”, Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 95, núm. 8, pàgines 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, “Estudis comparatius d’In2O3 dopats amb Ti, Zr i Sn dopats conductors transparents mitjançant un enfocament combinatori”, J. Appl. Phys., Vol. 101, núm. 6, pàg. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, "Pel·lícules fines conductores transparents d'alta mobilitat d'òxid d'indi hidrogenat dopat amb ceri", Appl. Phys. Expr., Vol. 8, núm. 1, pàg. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, "Alta mobilitat In2O3: òxids conductors transparents H preparats per deposició de capa atòmica i cristal·lització en fase sòlida", estat físic solidi (RRL), Vol. 8, núm. 12, pàgines 987-990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, "Propietats elèctriques millorades del magnetró de pols de CC que va escopir òxid d'indi dopat amb hidrogen després del recuit a l'aire", Mater. Ciència. Semicon. Proc., Vol. 89, pàgines 170-175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, “Pel·lícula d’òxid d’indi dopat amb tungstè: llest per a la metal·lització del coure bifacial de la cèl·lula solar d’heterojunció de silici”, Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 144, pàgines 359-363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, “Pel·lícules primes In2O3 dopades amb W amb alta mobilitat d’electrons per deposició làser polsada”, Appl. Phys. Lletres, vol. 87, núm. 11, pàg. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, "Creixement de la deposició de capa atòmica de pel·lícules In2O3 dopades amb zirconi", Thin Solid Films, Vol. 440, núm. 1, pàgines 152-154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, "In2O3 dopat amb Zr transparent d'alta conductivitat i banda ampla com a elèctrode frontal per a cèl·lules solars", IEEE J. Photovolt., Pàgines 1-6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales ‐ Masis, M. et al. 2017, “Elèctrodes transparents per a una optoelectrònica eficient”, Adv. Electrons. Mater., Vol. 3, núm. 5, pàg. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, amplificador AE &; Guo, SY 2005, "Deposició de pel·lícules conductores transparents i semitransparents per entorn reactiu, aspersió de càtode buit", J. Vac. Ciència. Tecnologia. A, vol. 23, núm. 4, pàgines 1215-1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, “Titaniumdoped indium oxide: A high-mobility transparent conductor”, Appl. Phys. Lletres, vol. 87, núm. 3, pàg. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, "Una nova pel·lícula prima conductora transparent In2O3: Mo", Thin Solid Films, vol. 394, núm. 1-2, pàgs. 218-222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Desenvolupament de magnetrons de radiofreqüència escopits d'òxid d'indi molibdè", J. Vac. Ciència. Tecnologia. A, vol. 21, núm. 4, pàgines 1092-1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, "Pel·lícules primes In2O3 dopades amb Mo que porten transparència d'alta mobilitat mitjançant deposició làser polsada", J. Appl. Phys., Vol. 95, núm. 7, pàgines 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, "Millora del transport elèctric d'òxid de zinc dopat amb Al per tractament tèrmic", J. Appl. Phys., Vol. 107, núm. 1, pàg. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, "Pel·lícules d'òxid de zinc dopats a calor humit", Thin Solid Films, vol. 555, pàgines 48-52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, “Estabilitat tèrmica humida de les pel·lícules d’òxid de zinc dopat amb Al en substrats llisos i rugosos”, Thin Solid Films, Vol. 520, núm. 4, pàgines 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, "Cèl·lules solars heterojunció de silici sense ITO amb elèctrodes frontals ZnO: Al / SiO2 que aconsegueixen una eficiència de conversió del 23%", IEEE J. Photovolt., Vol. 9, núm. 1, pàgines 1-6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, “Cèl·lules solars de l’emissor posterior amb heterojunció de silici: Menys restriccions a les propietats optoelèctriques dels TCO laterals frontals”, Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 122, pàgines 120-129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, “Desglossament de la resistència de la sèrie de cèl·lules solars d’heterojunció de silici produïdes a la línia pilot CEA-INES”, Proc. 35th EU PVSEC, Brussels, Belgium, pp. 721-724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, "Anàlisi numèric tridimensional de cèl·lules solars hòsties d'hòstia de juntes de silici amb contactes de punts posteriors d'heterojunció", AIP Adv., Vol. 5, núm. 7, pàg. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, "Efecte del TCO frontal sobre el rendiment de les cèl·lules solars d'heterojunció de silici de la unió posterior: estadístiques de simulacions i experiments", Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 195, pàgines 339-345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, "Un mètode senzill amb model analític per extreure components de resistència de la sèrie de cèl·lules solars d'heterojunció i extreure l'A-Si: H (i / p) per aconseguir resistivitat de contacte amb òxid conductor transparent", AIP Conf. Proc., Vol. 2147, núm. 1, pàg. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, "Influència de les capes de silici sobre el creixement d’ITO i AZO en cèl·lules solars d’heterojunció de silici", IEEE J. Photovolt., Pp. 1-7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, "La carrera per una alta eficiència en la producció: per què l'heterojunció ja està preparada per al mercat", Proc. 36è PVSEC de la UE, Marsella, França, pàgines 1-20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, "Millores de rendiment 'HJT 2.0' i avantatges de costos per a la producció de cèl·lules d'heterojunció de silici", Proc. 36a UE PVSEC, Marsella, França, pàgines 300-303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, “Disseny i fabricació d’un revestiment antireflectant de doble capa SiOx / ITO per a cèl·lules solars de silici heterojunció”, Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 117, pàgines 132-138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, “Cèl·lules solars d’heterojunció de silici amb elèctrodes de quadrícula xapats: estat i comparació amb tècniques de pel·lícula gruixuda de plata”, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, núm. 4, pàgines 1055-1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, "ITO / SiOx: piles H per a cèl·lules solars d'heterojunció de silici", Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 158, primera part, pàgines 98-101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, "Manual per a programari de simulació òptica de cèl·lules solars: GENPRO4", Materials i dispositius fotovoltaics, Universitat de Tecnologia de Delft.
[36] Haschke, J. et al. 2020, "Transport lateral en cèl·lules solars de silici", J. Appl. Phys., Vol. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, "Millora del contacte emissor posterior a-Si: H (p) de cèl·lules solars de silici de tipus n", Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 106, pàg. 11-16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, “Avaluació teòrica de la pila de contactes per a cèl·lules solars IBC-SHJ d’alta eficiència”, Sol. Energia Mater. Sol. Cells, vol. 186, pàgines 66-77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, “Resistivitat de contacte de l’heterojunció TCO / a-Si: H / c-Si”, Proc. 36a UE PVSEC, Marsella, França, pàgines 538-540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, "Influència d'òxids interfacials en contactes de pel·lícula fina de TCO / Si dopats sobre el transport de càrrega de contactes passivants", IEEE J. Photovolt., Pp. 1-8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, amplificador RH &; Strack, H. 1967, "Contactes òhmics per a dispositius GaAs", electró d'estat sòlid., Vol. 10, núm. 12, pàgines 1213-1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, "Modelització analítica de cèl·lules solars de silici relacionades amb la indústria", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, núm. 1, pàgines 504-513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
