Bron:vonardenne.biz
Oorspronkelijk gepubliceerd in Photovoltaics International, editie 44, mei 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& versterker; Bernd Stannowski1
Abstract
Silicium heterojunction (SHJ) zonneceltechnologie is een aantrekkelijke technologie voor grootschalige productie van zonnecellen met een hoog conversierendement van meer dan 24%. Een belangrijk element van SHJ-zonnecellen, in tegenstelling tot de wijdverbreide technologie van gepassiveerde emitter- en achtercontactcellen (PERC) van vandaag, is het gebruik van transparant geleidend oxide (TCO), dat uitdagingen met zich meebrengt wat betreft prestaties en kosten, maar ook biedt kansen. Dit artikel bespreekt deze aspecten en toont het potentieel voor het verbeteren van de celefficiëntie tegen lagere kosten door gebruik te maken van nieuwe TCO's die worden afgezet door gelijkstroom (DC) sputteren. In het geval van SHJ-cellen aan de achterzijde is het mogelijk om het gebruik van indium in dergelijke TCO's te verminderen of zelfs te vermijden, waarbij met aluminium gedoteerd zinkoxide (AZO) een mogelijke vervanging is voor TCO's op basis van indiumoxide. De beschikbaarheid van hoogwaardige TCO's voor grootschalige massaproductie, die de marktpenetratie van SHJ-cellen zal stimuleren, wordt samengevat.
Voorbeeld van TCO-apparatuur voor massaproductie: VON ARDENNE's XEA|nova L
Invoering
Silicium zonnecellen op basis van gepassiveerde emitter en achtercontact (PERC)-technologie hebben multi-gigawatt-niveaus bereikt in massaproductie, met conversie-efficiëntie (CE's) van 22% en nadert nu 23%. Voor nog hogere CE's worden gepassiveerde contacten beschouwd als de volgende generatie celtechnologie. Hier is silicium heterojunctie (SHJ)-technologie een veelbelovende kandidaat en snelt het starthek uit, waarbij een CE van 23-24% al is aangetoond op wafers op ware grootte, niet alleen in proeflijnen maar ook in grootschalige productie [ 1]. Terwijl het Panasonic (voorheen Sanyo) was die deze technologie pionierde, hebben verschillende spelers wereldwijd ondertussen hun eigen productielijnen opgebouwd, zoals ENEL Green Energy en Hevel Solar in Europa, en REC, Jinergy, GS-Solar en diverse anderen in Azië. De belangrijkste voordelen van SHJ-technologie werden besproken in een recent artikel van Ballif et al. [2]. Naast de hoge CE is een belangrijk voordeel van SHJ de slanke productievolgorde, met slechts vier hoofdstappen die nodig zijn om beide zijden symmetrisch te verwerken:
1. Nat reinigen en textureren van wafels.
2. a-Si:H-afzetting door plasma-versterkte chemische dampafzetting (PECVD).
3. Afzetting van transparante geleidende oxide (TCO) lagen door middel van fysieke dampafzetting (PVD, gewoonlijk sputteren).
4. Zeefdruk van zilveren roosters.
Door de processen bij lage temperatuur (& lt;200 °C) en de symmetrische stapel van het apparaat, kunnen door spanning veroorzaakte wafelbuigen en barsten worden vermeden, wat betekent dat dunne wafels kunnen worden gebruikt, waardoor materiaalkosten en energie worden bespaard. De SHJ-stack komt van nature voor in een bifacial celontwerp; bovendien hebben SHJ-cellen de laagste temperatuurcoëfficiënt in het veld, doorgaans -0,28 %/°C. De combinatie van bifacialiteit en lage temperatuurcoëfficiënt verhoogt de energieopbrengst van een PV-systeem.
Aan de andere kant zijn enkele van de factoren die een snelle toename van de acceptatie van SHJ-technologie beperken, de relatief hoge apparatuurkosten, meestal voor PECVD (maar ook voor PVD), en de aangepaste celcontacten voor moduleproductie (geen standaard hoge temperatuur solderen). Er is meer Ag-pasta nodig dan voor standaard Si-cellen, vanwege de uitharding bij lage temperatuur, wat resulteert in vingers met een lager geleidingsvermogen; dit hangt echter af van de interconnectiebenadering, met name of er al dan niet rails worden gebruikt. Ten slotte, en in dit artikel in meer detail besproken, zijn doelen vereist voor het sputteren van de TCO-lagen aan beide zijden, wat kostbaar is voor de materialen die gewoonlijk worden gebruikt.
Indiumoxide (In2O3) gedoteerd met tin (Sn), aangeduid als ITO, is momenteel de meest gebruikte TCO [3-5]. Dit transparante geleidende oxide is bekend van de massaproductie van flat-panel displays (FPD) en vertoont geschikte opto-elektronische eigenschappen, zoals een lage soortelijke weerstand van dunne lagen en voldoende transparantie in het zichtbare bereik. Een belangrijke overweging voor de productie van FPD, ITO kan worden verwerkt door fotolithografie, omdat het etsbaar is (in de gedeponeerde toestand) en langdurig stabiel is na kristallisatie in vaste fase bij thermisch uitgloeien bij 150-200 ° C. Over het algemeen wordt ITO afgezet door gelijkstroom (DC) magnetronsputteren op grote oppervlakken. Hoewel DC-sputteren aanvankelijk enige schade aan de passivering van het siliciumoppervlak veroorzaakt, wordt dit volledig uitgegloeid bij temperaturen van ongeveer 200 ° C, wat wordt bereikt tijdens het sputteren of later tijdens het uitharden van de Ag-pasta na zeefdruk.
In tegenstelling tot FPD's moet TCO bij toepassing op de voorzijde van SHJ-cellen aan aanvullende eisen voldoen, namelijk een uitstekende transparantie in het bredere golflengtebereik van 300-1.100 nm. Fig. 1 toont de absorptiespectra van verschillende TCO-lagen, waarbij de verschillen in parasitaire absorptie in de korte- en lange-golflengteregimes worden aangetoond. Naast deze lage absorptie zijn lage contactweerstanden met zowel de n- als p-gedoteerde siliciumlagen, evenals met het metalen rooster, verplicht voor de TCO-lagen aan beide zijden. Last but not least zijn de kostenbeperkingen van zonnecellen extreem streng, en om PV op een terawattschaal voor te stellen, is het essentieel om het gebruik van kritische of schaarse materialen, zoals indium ( In). Dit laatste aspect is echter nog steeds moeilijk aan te pakken, aangezien de meeste TCO's van apparaatkwaliteit indium bevatten. Een optie is om de dikte van dergelijke TCO's te verminderen, waarvoor vervolgens een tweede laag moet worden aangebracht om de ideale optische (antireflecterende) prestaties te behouden. Dit verhoogt op zijn beurt het aantal processtappen en daarmee de procescomplexiteit en kosten.
Dit artikel behandelt de optimalisatie van TCO voor opname in SHJ-zonnecellen. Er wordt een metriek gepresenteerd voor het evalueren en benchmarken van verschillende TCO's met betrekking tot hun geschiktheid voor toepassing in SHJ-cellen. Om het optische verlies in de front TCO te verminderen, is het gebruik van materialen met een hoge transparantie verplicht. Een hoge mobiliteit van ladingdragers, typisch>100 cm2/Vs, maakt een verlaging van de dragerdichtheid mogelijk (bij constante soortelijke weerstand), waardoor het optische verlies als gevolg van vrije-dragerabsorptie (FCA) wordt verminderd.
In het verleden zijn verschillende 'high-mobility' TCO-materialen op basis van indiumoxide met verschillende dopingen onderzocht [6–13]. Al deze vertonen uitstekende eigenschappen als TCO-lagen op glas en de meeste ook een hoge CE. Het vervaardigen van het doel is echter moeilijk en de kosten voor veel van deze materialen zijn hoog.
Er zijn nu nieuwe TCO's beschikbaar die kunnen worden verwerkt in grootschalige productie van draaibare doelen, wat een hoge mobiliteit oplevert en SHJ-cellen met een hoge CE produceert. De omstandigheden waaronder AZO als indiumvrij en goedkoop alternatief kan worden geïmplementeerd in hoogrenderende SHJ-cellen zullen later worden besproken. Een kostenvergelijking van op In- en ZnO gebaseerde doelen zal ook worden gepresenteerd.
Figuur 1. Optische absorptiespectra voor verschillende soorten TCO laagdikte
TCO voor SHJ-zonnecellen
In het verleden zijn verschillende TCO-materialen onderzocht voor gebruik in SHJ-zonnecellen. Belangrijke vereisten voor deze implementatie zijn een hoge geleidbaarheid en een hoge transparantie, met verwerkingstemperaturen onder 200 °C (vanwege de gevoeligheid van dunne-film silicium passiveringslagen), evenals een goede contactvorming met de aangrenzende lagen [14].
Onder enkele van de relevante TCO's, polykristallijn Sn-gedoteerde In2O3(ITO) gekweekt bij temperaturen onder 200°C, die een elektronenmobiliteit (μe) van ongeveer 40 cm . bereikt2/Vs [3-5], heeft brede toepassing gevonden in SHJ-zonnecellen. In-gebaseerde TCO's gedoteerd met andere metalen, zoals titanium (Ti) [15,16], zirkonium (Zr) [6,12,13], molybdeen (Mo) [15,17-19] en wolfraam (W) [ 10,11], geven μe-waarden groter dan 80 cm2/Vs bij een ladingdragerdichtheid (ne) variërend van 1×1020 tot 3×1020 cm-3.
Deze lagen kunnen worden afgezet via magnetronsputteren, pulsed laser deposition (PLD) en ionenplating met DC-boogontlading of reactieve plasmadepositie (RPD). Hiervan is sputteren de meest gevestigde methode voor massaproductie. Een nog hogere mobiliteit van μe>100 cm2/Vs kan worden bereikt voor vaste-fase gekristalliseerde (SPC) waterstof (H)-gedoteerde In2O3(IOH) [6–9] en cerium (Ce) ICeO:H [7] films met 1×1020<>< 3×1020="">-3. Deze films worden bij lage temperaturen in een amorfe matrix afgezet en vervolgens gegloeid bij temperaturen boven 150 °C, wat resulteert in hoge μe-waarden vanwege de vorming van grote korrels.
De hierboven geïntroduceerde TCO's zijn aantrekkelijk vanwege hun uitstekende opto-elektrische prestaties, maar tot op heden hebben vooral ITO en IWO:H hun weg gevonden naar de industriële productie. De schaarste aan indium is echter een motivatie voor de implementatie van alternatieve TCO's. AZO biedt het voordeel dat er meer composietmaterialen zijn. AZO-lagen met een dikte van enkele honderden nanometers, gesputterd bij verhoogde temperaturen >250 °C, geven goede opto-elektronische eigenschappen [20] en ook stabiliteit [21].
Dunne lagen met een dikte van minder dan 100 nm, afgezet bij temperaturen onder 200 °C, zoals vereist voor SHJ-cellen, vertonen daarentegen een slechte kristalstructuur, wat resulteert in lage mobiliteitswaarden rond 20 cm2/Vs en een slechte stabiliteit op lange termijn [22]. Verbeterde stabiliteit voor SHJ-zonnecellen is echter aangetoond door toepassing van een amorf siliciumoxide (a-SiO2) afdekken [23].
Zoals aangegeven door deeverkregen waarden, en afhankelijk van de verwerkingsomstandigheden, vertonen de verschillende TCO's een breed scala aan elektronenmobiliteiten. De TCO-bladweerstand (R▫) bereiken kunnen worden geclassificeerd zoals weergegeven in Tabel 1. Hier is een dragerconcentratiebereik 1,5×1020<>< 2,0×1020="">-3wordt overwogen: dit vormt een goed compromis voor het bereiken van een lage FCA, goede elektrische geleidbaarheid en goede contactvorming met aangrenzende lagen, en een TCO-dikte van 75 nm voor antireflecterende eigenschappen.
De symmetrie in SHJ-celverwerking en het gebruik van (n-type) wafers met een zeer hoge levensduur van de drager maakt het mogelijk om vrij te kiezen welk contact (n of p) naar de voorkant wijst. De positie van het p-contact (junction) heeft een impact op de optimalisatie van de front TCO voor het verkrijgen van zowel hoge transparantie als lage serieweerstand Rsvan de cel [24-27]. Om dit te demonstreren, toont Fig. 2 schematische dwarsdoorsneden van bifaciale en monofaciale SHJ-zonnecellen in een configuratie met achterste kruising, waarbij alle Rs-bijdragen zijn aangegeven. Een gedetailleerde analyse van Rs-componenten en hun bijdragen in SHJ-zonnecellen is te vinden in Basset et al. [25] en Wang et al. [28]. De hoge geleidbaarheid, dwz dichtheid en mobiliteit, van elektronen in de c-Si-wafer, samen met de zeer lage contactweerstand van het n/TCO-contact, bevordert de keuze van het n-contact aan de voorkant ('rear junction'), omdat het laterale stroomtransport aanzienlijk wordt ondersteund door de wafer. Dit versoepelt de geleidbaarheidsvereiste van de TCO (bladweerstand), waardoor een optimalisatie naar de hoogste transparantie mogelijk wordt.
Om het effect van de bovengenoemde vrijheid in celontwerp te illustreren, presenteert figuur 3 gesimuleerde Rs-curven samen met experimentele waarden die zijn geëxtraheerd uit zonnecellen, met een ITO-procesvariatie als een functie van de weerstand van de front-TCO-plaat. De experimentele waarden valideren de trends van het model [27]. Zoals duidelijk te zien is, biedt het ontwerp van de achterste junctie een voordeel voor TCO's met hoge weerstand door te profiteren van de laterale ondersteuning in elektronengeleiding in de Si-wafer. Het front-junction-ontwerp is daarentegen gunstiger voor TCO-lagen met een lage soortelijke weerstand; dit ontwerp maakt gebruik van de lagere transversale Rs-bijdrage, aangezien elektronen, die een grotere mobiliteit hebben dan gaten, naar de achterkant van de wafer reizen (waarbij fotogeneratie voornamelijk dicht bij de voorkant plaatsvindt). De afweging tussen de laterale en transversale Rs-bijdragen zal bepalen welk zonnecelontwerp het meest geschikt is, afhankelijk van de beschikbare TCO-bladweerstand.
de R▫bereiken voor verschillende TCO's gerapporteerd in de literatuur en zoals gedefinieerd in Tabel 1 worden getoond in Fig. 3 met de bijbehorende kleurschakering. TCO's met lage R▫(rood) zijn voordeliger wanneer geïmplementeerd in een front-junction-apparaat, terwijl TCO's met R mid in het middenbereik▫(blauw) bevinden zich in een overgangsgebied waar de Rshet verschil tussen front-junction- en rear-junction-apparaten is vrij klein. Daarentegen TCO's met een hoge R▫(grijs) zijn duidelijk voordelig wanneer ze worden geïmplementeerd in een ontwerp met een achterwaartse kruising; dit is gunstig voor bijvoorbeeld AZO, omdat het zeer transparant is maar niet erg geleidend, maar toch dezelfde SHJ-celefficiëntie>23% produceert als de ITO-referentiecel [23]. In het Helmholtz-Zentrum Berlijn hebben SHJ-zonnecellen met zowel ITO- als AZO-gebaseerde front-TCO een gecertificeerde CE van meer dan 23,5 % [29] bereikt.
Een andere benadering die gebruik maakt van de ondersteuning voor lateraal transport van de wafel, aangetoond door sommige onderzoeksgroepen [27,30] en in proefproductie [31], is om dunnere TCO's te implementeren, die parasitaire absorptie verminderen, waardoor de CE van zonnecellen wordt behouden of verbeterd. De implementatie van een dunnere TCO-laag vereist echter een tweede laag bovenop - bijvoorbeeld SiO2of Si3N4– om de antireflectie (AR) optimaal te houden [32-34].
Om de optische prestaties van verschillende TCO's nauwkeurig te kwantificeren wanneer geïmplementeerd in de celstapel, dwz het specifieke verlies in kortsluitstroomdichtheid (Jsc), werden simulaties met een ray-tracing softwaretool (GenPro4 [35]) uitgevoerd. Rekening houdend met het TCO-gerelateerde vermogensverlies in de cel als gevolg van zowel een toename in Rs als een afname in Jsc, werden verschillende TCO-materialen gebenchmarkt, zoals weergegeven in Fig. 4. Voor dit doel werd een referentiezonnecel met CE=23,3 % werd overwogen, zonder TCO-gerelateerde verliezen in Jscen Rs(FF). IOH, ITO en AZO werden bestudeerd als voorbeelden van de lage R▫, midden R▫en hoge R▫respectievelijk regimes.
Implementaties van zowel standaard 75 nm-dikke ('dik') als optisch geoptimaliseerde dunnere ('dunne') TCO's werden bestudeerd. Voor een eerlijke vergelijking (dus om in elk geval in het AR-optimum te blijven) werden alle cellen (met 'dikke' en 'dunne' TCO's) afgewerkt met een a-SiO2afdeklaag. De contactweerstanden bij de TCO/Ag- en TCO/Si-interfaces werden verondersteld (laag en) gelijk te zijn voor alle drie de TCO's, wat natuurlijk een vereenvoudiging is. Dit zal later worden besproken en wordt gepresenteerd in Haschke et al. [36]. Verdere details van de geoptimaliseerde laagdiktes en simulatieresultaten zijn te vinden in Cruz et al. [27].
De grafieken in Fig. 4 tonen het TCO-gerelateerde vermogensverlies als gevolg van een afname in Jsc en een toename van Rs, voor apparaten voor achteraan (Fig. 4(a)) en voor kruising (Fig. 4(b)). Het is duidelijk dat de IOH in beide gevallen beter presteert dan de andere twee TCO's vanwege zijn uitstekende opto-elektronische eigenschappen. In figuur 4 (a), die de dikke ITO en AZO toont, compenseren de materialen hun CE-verliezen, aangezien de lagere geleidbaarheid AZO een lagere parasitaire absorptie vertoont dan de ITO. Wanneer dit wordt vergeleken met de dunnere versies van TCO's, kan worden vastgesteld dat het CE-verlies iets afneemt als gevolg van verminderde TCO parasitaire absorptie. De ITO profiteert duidelijk meer van deze verdunning, vanwege de vergelijkbaar hogere parasitaire absorptie, wat uiteindelijk leidt tot een iets betere CE dan bij AZO. Dit toont aan dat dunnere TCO's met verbeterde optica kunnen worden geïmplementeerd in een configuratie met een achterwaartse verbinding en gunstig zijn in termen van CE.
Als we daarentegen kijken naar het ontwerp van de frontjunctie in figuur 4 (b), kan worden gezien dat de IOH met hoge geleidbaarheid niet zal lijden onder de lagere laterale transportbijdrage door de wafer. De lagere geleidbaarheid ITO en AZO verhogen echter de weerstandsverliezen. Het verminderen van de dikte van de ITO leidt niet tot een CE-voordeel, terwijl dit in het geval van de AZO duidelijk nadelig is. Er kan worden geconcludeerd dat een TCO met hoge geleidbaarheid, hier IOH in het voorbeeld, kan worden geïmplementeerd op zowel zonnecelconfiguraties aan de achterzijde als aan de voorzijde zonder grote verschillen in CE-verliezen. TCO's met een lagere geleidbaarheid - zoals ITO en AZO - zullen lijden onder de hogere laterale R's die aanwezig zijn in de configuratie van de front-junction. Het verdunnen van de TCO op zonnecellen aan de achterzijde is voordelig als de TCO een bepaalde absorptiedrempel overschrijdt, zelfs voor een TCO met een lage geleidbaarheid, hier AZO in het voorbeeld. In een front-junction-ontwerp zal de verdunning slechts kleine voordelen opleveren, of zelfs nadelig zijn voor TCO's met een lagere geleidbaarheid, zoals AZO.
Prestaties van industriële TCO's met hoge mobiliteit
Om TCO's met hoge mobiliteit te testen die met een hoge snelheid worden gesputterd door DC-sputteren van buisdoelen, zoals uitgevoerd in grootschalige massaproductie, werden verschillende materialen gebruikt voor de voorste TCO in bifaciale SHJ-zonnecellen aan de achterkant. Er zijn twee typen TCO met hoge mobiliteit getest, namelijk met titanium gedoteerd indiumoxide (ITiO) en indiumoxide met een niet nader genoemd dopingtype ('Y'). Daarnaast werd ITO met verschillende dopingconcentraties getest, namelijk met 97% indiumoxide en 3% tinoxide in de target ('97/3') en ITO 99/1. Als referentiemateriaal werd ITO 97/3 geïmplementeerd op de achterkant van alle cellen. Een groep cellen met ITO 95/5 aan zowel de voor- als achterzijde was ook inbegrepen.
Overeenkomstige testlagen op glas onthulden TCO-bladweerstanden in het bereik van 36-136 Ω na depositie en gloeien gedurende 30 minuten bij 200 ° C onder omgevingsomstandigheden, wat vergelijkbaar is met de uitharding die wordt uitgevoerd na zeefdruk. Dit is een geschikt bereik voor de implementatie als frontcontact in SHJ-zonnecellen aan de achterzijde, zoals eerder besproken (zie Fig. 3). Er moet echter rekening mee worden gehouden dat op glas gedeponeerde TCO-lagen andere eigenschappen (dragermobiliteit) kunnen vertonen dan wanneer de lagen op silicium worden gedeponeerd, zoals vereist voor zonnecellen. Dit is toegeschreven aan twee effecten [29]: (1) verschillende kristalkiemvorming en dus korrelstructuur; (2) verschillende waterstofinhoud die vanuit de siliciumlaag in de TCO diffundeert.
De ITiO- en Y-lagen vertonen hoge mobiliteiten tot 90 cm2/Vs, maar met verschillende ladingsdragerdichtheden, namelijk 2×1020cm-3en ~0.8×10×20cm-3respectievelijk. Voor ITO97/3- en ITO99/1-films, lagere mobiliteitswaarden, van ongeveer 60 en 70 cm2/Vs bij ladingsdragerdichtheden van 2,7×1020 cm-3en 1.8×1020cm-3respectievelijk werden gemeten. Als gevolg van de zeer lage ladingsdragerdichtheid vertoonden de Y-films de laagste parasitaire absorptie in het nabij-infraroodgebied (zie Fig. 1), wat dit materiaal het meest veelbelovend maakt voor het bereiken van de hoogste Jsc en, mogelijk, de hoogste CE in zonnecellen.
DeI–Vparameters van elk van de testgroepen worden getoond in Fig. 5. Alle cellen vertonen vergelijkbare nullastspanningen (Voc), met medianen in het smalle bereik van 737-738 mV. Dit bevestigt dat de passivering niet verslechterde vanwege verschillende sputterschade. Zoals verwacht leverden de zonnecellen met hoge mobiliteit TCO's de hoogste J . opscwaarden, met medianen van 39,0 mA/cm2en 39,2 mA/cm2voor respectievelijk ITiO en Y. Dit is tot 0,5 mA/cm2hoger dan die behaald met de referentie ITO97/3.
Ondanks de hogeJscen lekkerVocwaarden, produceerden de cellen met een Y-frontcontact echter niet de hoogste efficiëntie. De hoogste mediane CE van 22,9% werd daadwerkelijk behaald voor ITO99/1, terwijl de hoogste waarde van CE van 23,3% werd gemeten voor een cel met ITiO. De lagere CE in het geval van de Y-monsters resulteert uit de lagere mediane FF van slechts ongeveer 77%, wat te wijten is aan een waarde van Rs die aanzienlijk hoger is; in feite geven de cellen met een Y-frontcontact de hoogste mediane Rs-waarden van 1,3-1,6 Ω cm2. Daarentegen is de mediane Rs-waarde 0,9 Ω cm2voor de ITO99/1-cellen, wat resulteert in een significant hogere mediaanFFvan 79,5%.
Tabel 1. Vergelijking van de elektrische eigenschappen van verschillende TCO's.
Figuur 2. Schematische dwarsdoorsnede van zonnecellen met achterste junctie silicium heterojunctie (SHJ): (a) ontwerp van tweezijdige cellen; (b) monofaciale celontwerp, met de serieweerstand (Rs) componenten getoond.
Figuur 3. Serieweerstand versus front-TCO-plaatweerstand voor SHJ-zonnecellen met voor- en achteraansluiting. De curven vertegenwoordigen gesimuleerde resultaten, terwijl de vakken resultaten aangeven voor gemeten cellen met een ITO-variatie.
Belang van lage contactweerstand
De hoge serieweerstand van de cellen met (lage carrierdichtheid en) hoge mobiliteit TCO is in feite een aspect dat moet worden aangepakt. Om precies te zijn, de twee hoofdcomponenten van Rshier zijn de contactweerstanden van de TCO's met de n- en p-gedoteerde siliciumcontactlagen, die in de literatuur in detail zijn onderzocht [37-40]. In het geval van n-gedoteerde c-Si-gebaseerde zonnecellen kan de contactweerstand van de TCO met de n-gedoteerde Si-lagen worden gekarakteriseerd door verschillende, relatief eenvoudige, technieken, zoals de Cox en Strack [41] of transmissie -lijn [42] methoden. De contactweerstand van de TCO met de p-gedoteerde Si-laag (TCO/p) is daarentegen moeilijker toegankelijk, omdat er een junctie wordt gevormd. Zoals aangetoond door Basset et al. [21] en Wang et al. [24], bijvoorbeeld een eenvoudige methode om de waarde van de R . te extraherenscomponent is om alle toegankelijke componenten van R . af te leidensen de resterende waarde wordt dan geconcludeerd als de TCO/p-contactweerstand.
De contactweerstand ρchangt af van de gedetailleerde banduitlijning en bandbuiging, evenals van de interface-defectstatussen; daarom zijn verschillende parameters belangrijk, met name de activeringsenergie van de gedoteerde Si-laag en de ladingsdragerdichtheid, maar ook het verschil in werkfunctie tussen beide materialen. Procel et al. [38] toonde aan dat ρcis minimaal wanneer de gedoteerde lagen lage activeringsenergiewaarden vertonen, zoals die verkregen met nanokristallijne siliciumlagen in plaats van amorfe lagen.
Bovendien moet de ladingsdragerdichtheid van de TCO ruim boven 1×10 . liggen20cm-3; dit is vooral belangrijk voor het TCO/p-contact, waarvoor een efficiënte recombinatie van gat en elektronen bij het contact essentieel is. Voor wat betreft de selectie en optimalisatie van TCO-lagen betekent dit het vinden van een optimum voor ne, dat hoog genoeg moet zijn om voldoende laag te bereiken ρcwaarden, maar moeten tegelijkertijd zo laag mogelijk zijn om parasitaire absorptie (FCA) te beperken.
In een recenter experiment is gekozen voor een Y-laag met een hogere dragerdichtheid; Fig. 8 toont de eigenschappen die beschikbaar zijn door het proces af te stemmen. Inderdaad, voor de aangepaste TCO herstelde de cel FF zich, maar ten koste van een kleine daling van Jscvanwege de extra FCA. Over het algemeen nam CE nog steeds toe tot een vergelijkbaar niveau als dat gevonden voor de beste groepen in figuur 5, wat het belang aantoont van zorgvuldige afstemming van de laag en interface-eigenschappen.
Figuur 4. Stroomdichtheidsgerelateerd vermogensverlies (Ploss J) en serieweerstandsgerelateerd vermogensverlies (Ploss R) voor (a) achterste junction en (b) front-junction SHJ-cellen. Conversie-efficiëntie (CE) verlieswaarden worden aangegeven door de stippellijnen; deze verliezen zijn ten opzichte van een referentiezonnecel met 23,3% CE, weergegeven door de paarse diamant op (0,0). De gevulde symbolen vertegenwoordigen 75 nm dikke TCO's (standaard) maar met een antireflectiecoating (ARC) bovenop, terwijl de open symbolen dunnere (geoptimaliseerde) TCO-lagen vertegenwoordigen, ook met een ARC.
Industriële aspecten: doelkosten
De gebruikelijke typen TCO-targets die in de kristallijne silicium PV-industrie worden gebruikt, zijn draaibare targets, dit zijn cilindrische schalen van het TCO-materiaal die op een metalen steunbuis zijn bevestigd. Hoe langer de buis, hoe meer granaten er voor het buisdoel moeten worden gebruikt. De reden waarom de industrie de voorkeur geeft aan dit type doel voor het sputteren van TCO's, is de veel hogere benuttingsgraad van het TCO-doelmateriaal dan die voor vlakke typen TCO-doelwit. De benuttingsgraad van het doelmateriaal dat haalbaar is met een roteerbaar doel is meestal ≥80%; dit is van bijzonder belang in het geval waar TCO-materialen duur zijn, zoals op indium gebaseerde TCO's. Wat betreft TCO's in de kristallijne silicium PV-industrie, domineren op indium gebaseerde TCO's vanwege hun uitstekende laageigenschappen (zoals ook eerder werd aangetoond). Niettemin bieden sommige marktspelers voor hetzelfde doel ook TCO's op basis van zink aan. Er zijn inderdaad voor- en nadelen aan het gebruik van op zink gebaseerde TCO's. Een voordeel zijn de lagere kosten van een op zink gebaseerd buisdoel met afmetingen die identiek zijn aan die van een op indium gebaseerd doel, terwijl de lagere geleidbaarheid van zink enkele beperkingen met zich meebrengt in het ontwerp van zonnecellen, zoals eerder besproken en gevisualiseerd in Fig. 3.
Fig. 6 toont de specifieke doelkosten per cm3van buisdoelen voor TCO's op basis van zink en TCO's op basis van indium; merk op dat de kosten van de steunbuis zijn uitgesloten van de doelkosten. De datapunten zijn verzameld bij doelleveranciers over de hele wereld. Het kleinere aantal datapunten voor op zink gebaseerde TCO's kan worden toegeschreven aan het gebrek aan interesse voor dat materiaal dat tot nu toe door de kristallijne silicium PV-industrie is getoond.
Er is enige verstrooiing in de doelkosten vanwege de verschillende materialen binnen de zinkgroep en binnen de indiumgroep, of vanwege verschillende leveranciers. De datapunten die hogere doelkosten in beide groepen aangeven, kunnen worden verklaard door minder gebruikelijke samenstellingen en/of dure fabricageprocessen en/of hoge marges. De goedkopere datapunten die in beide groepen worden waargenomen, zouden representatieve kostenwaarden moeten zijn voor zonnecelproducenten met honderden jaarlijkse buisdoelen.
Een vergelijking van de laagste waarde in beide groepen laat zien dat op Zn gebaseerde TCO's (doelkosten ~ $ 0,6/cm3) kan ongeveer een kwart zijn van de prijs van in-based TCO's (doelprijs ~$2,6/cm3). Er moet echter op worden gewezen dat deze gegevens een momentopname zijn van de huidige situatie en binnenkort waarschijnlijk achterhaald zullen zijn, afhankelijk van de volatiliteit van de aandelenmarkt met betrekking tot grondstof, in het bijzonder indium.
Figuur 5. IV-parameters van 4 cm2 grote tweezijdige SHJ-zonnecellen met verschillende TCO's aan de voorkant en ITO 97/3 aan de achterkant. ITO 95/5, DC gesputterd uit een buisdoel bij HZB, werd als referentie opgenomen.
Industriële aspecten: massaproductie
Naast de wens om indiumvrije TCO's te implementeren met als doel de operationele uitgaven (OPEX) te verbeteren, is het in het beste belang om een sputtertool voor hoge volumes te hebben die een hoogwaardige TCO-coating kan produceren tegen lage kosten. Fig. 7 toont het zeer productieve XEA|nova L-sputtersysteem van VON ARDENNE, dat in de basisversie TCO-lagen kan afzetten met een doorvoer van 8.000 M6-wafels per uur, en met een nog hogere doorvoer door gebruik te maken van upgradepakketten. In 2019 werd de XEA|nova-apparatuur onderdeel van een industriële productielijn die een celefficiëntie van meer dan 24% bereikte met behulp van TCO-films die vergelijkbaar zijn met de hier onderzochte films.
Om een hoge doorvoer te bereiken, moet de depositiesnelheid van de TCO-lagen hoog zijn, wat kan worden gerealiseerd door een hoog gelijkstroomvermogen op het buisdoel toe te passen. De TCO-eigenschappen moeten echter nog steeds worden behouden wanneer TCO wordt voorbereid bij hogere vermogensdichtheden. Fig. 8 toont de elektronenmobiliteit en ladingsdragerdichtheden van TCO-films, gesputterd bij 4 kW en 8 kW van keramische buisdoelen van TCO-type 'Y'. Hoge mobiliteiten van ongeveer 80 cm2/ Vs kan worden bereikt bij een vermogen van 4 kW na depositie. Een verhoging van het sputtervermogen tot 8 kW vermindert de maximale mobiliteit met maximaal 10%. Het is interessant dat de mobiliteiten verder kunnen worden verhoogd, tot 100 cm2/Vs, door de films gedurende 30 minuten bij 200 ° C te gloeien, zoals weergegeven in Fig. 8.
Figuur 6. Specifieke doelkosten per cm3 doelmateriaal voor op indium gebaseerde en op zink gebaseerde TCO's.
conclusies
SHJ-zonneceltechnologie heeft bewezen een belangrijke speler te zijn op weg naar vergroting van haar aandeel in grootschalige productie. Dit komt door de zeer hoge behaalde conversie-efficiënties en het lean productieproces.
Wat de rol van TCO's betreft, moeten er nog drie aspecten worden aangepakt om de vooruitzichten van SHJ-technologie op verdere doorbraak in de zonnecelindustrie te vergroten:
1. Verbeter de celprestaties verder.Dit kan worden bereikt door de implementatie van TCO's met hoge mobiliteit die geschikt zijn voor massaproductie. Er werd aangetoond dat TCO's met hoge mobiliteit kunnen worden gesputterd bij hoge doorvoer, en deze TCO's werden getest in SHJ-zonnecellen. Hoewel de CE van dergelijke SHJ-cellen hoog is, blijft deze nog steeds achter bij die van referentiecellen met de beste ITO-front-TCO, ondanks een lagere absorptie en hogere mobiliteit. Dit wordt toegeschreven aan een verhoogde contactweerstand van de TCO's met de n- en/of p-gedoteerde siliconen contacten. Verfijning van de TCO en de implementatie van contactlagen en/of interface-optimalisatie zullen moeten worden aangepakt om weerstandsverliezen op deze interfaces verder te verminderen en daardoor ten volle te profiteren van de superieure TCO-eigenschappen.
2. Verminder het gebruik van schaarse (en dure) materialen, met name indium.Een aantrekkelijke optie om materiaalkosten te besparen is het verlagen van de TCO-dikte; dit is nog aantrekkelijker met dure TCO's met hoge geleidbaarheid (hoge mobiliteit). Er is echter nog een processtap nodig om een tweede, antireflecterende (capping), laag (ARC) bovenop de TCO te deponeren om reflectieverliezen te verminderen. Als alternatief kunnen, zoals in dit artikel wordt getoond, TCO's met een lager geleidingsvermogen (AZO in het gegeven voorbeeld) worden geïmplementeerd in zonnecellen aan de achterzijde, zonder afbreuk te doen aan CE. Dit wint aan relevantie wat betreft de kosten: in de gepresenteerde analyse laten op ZnO gebaseerde doelen lagere kosten zien van $ 0,6/cm3voor doelmateriaal, vergeleken met $ 2.6/cm3voor In-gebaseerde doelen. De beperkte stabiliteit van AZO kan worden aangepakt door het bijvoorbeeld af te dekken met een diëlektrische laag (a-SiO2of een-SiNx).
3. Verlaag de kosten van PVD-apparatuur.Het opschalen en verhogen van de doorvoer van TCO-productielijnen is de juiste keuze, waarbij DC-sputteren klaar is voor high-throughput-productie van hoogwaardige TCO's.
Dankbetuigingen
Financiering door het Duitse federale ministerie voor economische zaken en energie (BMWi) in het kader van het Dynasto-project onder #0324293 wordt dankbaar erkend.
Figuur 8. Elektrische eigenschappen van TCO-lagen gesputterd bij 4kW en 8kW van keramische buistargets van TCO type 'Y', in de afgezette toestand en na 30 min uitgloeien bij 200°C onder omgevingsomstandigheden.
Dankbetuigingen
Financiering door het Duitse federale ministerie voor economische zaken en energie (BMWi) in het kader van het Dynasto-project onder #0324293 wordt dankbaar erkend.
Referenties
[1] Chunduri, SK&versterker; 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, "Alle knelpunten voor silicium heterojunctietechnologie oplossen", Photovoltaics International, 42e editie, p. 85.
[3] Frank, G.&versterker; Köstlin, H. 1982, "Elektrische eigenschappen en defectmodel van met tin gedoteerde indiumoxidelagen", Appl. Fys. A, vol. 27, nr. 4, blz. 197-206 [https://doi. org/10.1007/BF00619080].
[4] Hamberg, I.&versterker; Granqvist, CG 1986, "Verdampte Sn»gedoteerde In2O3-films: optische basiseigenschappen en toepassingen voor energiezuinige ramen", J. Appl. Phys., Vol. 60, nr. 11, blz. R123–R160 [https://doi. org/10.1063/1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, "Karakterisering en optimalisatie van indiumtinoxidefilms voor heterojunctiezonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 95, nr. 8, blz. 2390-2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.&versterker; Kondo, M. 2007, "Vergelijkende studies van transparante geleidende Ti-, Zr- en Sn-gedoteerde In2O3 met behulp van een combinatorische benadering", J. Appl. Phys., Vol. 101, nr. 6, p. 063713 [https://doi. org/10.1063/1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.&versterker; Yamamoto, T. 2015, "Hoge mobiliteit transparante geleidende dunne films van met cerium gedoteerd gehydrogeneerd indiumoxide", Appl. Fys. Uitdr., vol. 8, nr. 1, blz. 015505 [https://doi. org/10.7567/APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, "Hoge mobiliteit In2O3: H transparante geleidende oxiden bereid door atomaire laagafzetting en vaste fase kristallisatie", physica status solidi (RRL), Vol. 8, nr. 12, blz. 987-990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, "Verbeterde elektrische eigenschappen van gepulseerde DC-magnetron gesputterd met waterstof gedoteerd indiumoxide na uitgloeien in lucht", Mater. Wetenschap. Semicon. Proc., Vol. 89, blz. 170-175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, "Met wolfraam gedoteerde indiumoxidefilm: klaar voor bifaciale kopermetallisatie van silicium heterojunctie zonnecel", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 144, blz. 359-363 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, "Hoge elektronenmobiliteit W-gedoteerde In2O3-dunne films door gepulste laserdepositie", Appl. Fys. Lett., Vol. 87, nr. 11, p. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.&versterker; Leskelä, M. 2003, "Atomic layer afzetting groei van met zirkonium gedoteerde In2O3-films", Thin Solid Films, Vol. 440, nr. 1, blz. 152-154 [https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, "Zeer geleidende en breedband transparante Zr-gedoteerde In2O3 als frontelektrode voor zonnecellen", IEEE J. Photovolt., pp. 1-6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, "Transparante elektroden voor efficiënte opto-elektronica", Adv. Elektron. Mater., Vol. 3, nr. 5, blz. 1600529 [https://doi. org/10.1002/aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE&versterker; Guo, SY 2005, "Transparante en semitransparante geleidende filmafzetting door reactieve omgeving, sputteren met holle kathode", J. Vac. Wetenschap. technologie. A, vol. 23, nr. 4, blz. 1215-1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, "Met titanium gedoteerd indiumoxide: een transparante geleider met hoge mobiliteit", Appl. Fys. Lett., Vol. 87, nr. 3, p. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, "Een nieuwe transparante geleidende dunne film In2O3: Mo", Thin Solid Films, Vol. 394, nr. 1–2, blz. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090(01)01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Ontwikkeling van radiofrequente magnetron gesputterde indiummolybdeenoxide", J. Vac. Wetenschap. technologie. A, vol. 21, nr. 4, blz. 1092-1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, "High-mobility transparant geleidende Mo-gedoteerde In2O3 dunne films door gepulste laserdepositie", J. Appl. Phys., Vol. 95, nr. 7, blz. 3831-3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, “Verbeterd elektrisch transport in met Al gedoteerd zinkoxide door thermische behandeling”, J. Appl. Phys., Vol. 107, nr. 1, p. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, "Vochtige hittestabiele gedoteerde zinkoxidefilms", Thin Solid Films, Vol. 555, blz. 48-52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, "Vochtige hittestabiliteit van met Al-gedoteerde zinkoxidefilms op gladde en ruwe ondergronden", Thin Solid Films, Vol. 520, nr. 4, blz. 1285-1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, "ITO-vrije silicium heterojunctie zonnecellen met ZnO:Al/SiO2-frontelektroden die een conversie-efficiëntie van 23% bereiken", IEEE J. Photovolt., Vol. 9, nr. 1, blz. 1-6 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivor, M. et al. 2014, "Silicon heterojunction-achteruitstralende zonnecellen: minder beperkingen op de opto-elektrische eigenschappen van TCO's aan de voorkant", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 122, blz. 120-129 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, "Series weerstandsafbraak van silicium heterojunctie zonnecellen geproduceerd op CEA-INES pilootlijn", Proc. 35e EU PVSEC, Brussel, België, blz. 721-724 [https://doi. org/10.4229/35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, "Driedimensionale numerieke analyse van hybride heterojunctie siliciumwafer zonnecellen met heterojunctie achterste puntcontacten", AIP Adv., Vol. 5, nr. 7, blz. 077124 [https://doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, "Effect van TCO aan de voorkant op de prestaties van silicium heterojunctie zonnecellen aan de achterzijde: inzichten uit simulaties en experimenten", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 195, blz. 339-345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, "Een eenvoudige methode met analytisch model om weerstandscomponenten van heterojunctie zonnecellen te extraheren en om de A-Si: H (i / p) te extraheren tot transparante geleidende oxidecontactweerstand", AIP Conf. Proc., Vol. 2147, nr. 1, p. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, "Invloed van siliciumlagen op de groei van ITO en AZO in silicium heterojunctie zonnecellen", IEEE J. Photovolt., pp. 1-7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.&versterker; Roux, D. 2019, "De race voor hoge efficiëntie in productie: waarom heterojunctie nu klaar is voor de markt", Proc. 36e EU PVSEC, Marseille, Frankrijk, blz. 1-20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, "'HJT 2.0' prestatieverbeteringen en kostenvoordelen voor de productie van silicium heterojunctiecellen", Proc. 36e EU PVSEC, Marseille, Frankrijk, blz. 300–303 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, "Ontwerp en fabricage van een SiOx / ITO dubbellaagse antireflectiecoating voor heterojunctie siliciumzonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 117, blz. 132-138 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, "Silicium heterojunction zonnecellen met verkoperde roosterelektroden: Status en vergelijking met zilveren dikke-filmtechnieken", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 4, blz. 1055-1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, "ITO / SiOx: H-stapels voor silicium heterojunctie zonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 158, deel 1, blz. 98-101 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, "Handleiding voor optische simulatiesoftware voor zonnecellen: GENPRO4", Photovoltaic Materials and Devices, Technische Universiteit Delft.
[36] Haschke, J. et al. 2020, "Lateraal transport in siliciumzonnecellen", J. Appl. Phys., Vol. 127 [https://doi. org/10.1063/1.5139416].
[37] Bivor, M. et al. 2012, "Verbetering van het a-Si: H (p) contact met de achterste emitter van n-type siliciumzonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 106, blz. 11-16 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, "Theoretische evaluatie van contactstapels voor IBC-SHJ-zonnecellen met hoog rendement", Sol. Energie Mater. Sol. Cellen, vol. 186, blz. 66-77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, "Contactweerstand van de TCO / a-Si: H / c-Si heterojunctie", Proc. 36e EU PVSEC, Marseille, Frankrijk, blz. 538-540 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, "Invloed van grensvlakoxiden bij TCO/gedoteerde Si-dunne-filmcontacten op het ladingsdragertransport van passiverende contacten", IEEE J. Photovolt., pp. 1-8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH&versterker; Strack, H. 1967, "Ohmse contacten voor GaAs-apparaten", Solid-State Electron., Vol. 10, No. 12, blz. 1213-1218 [https://doi.org/10.1016/0038-1101(67)90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.&versterker; Biro, D. 2014, "Analytische modellering van industriële siliciumzonnecellen", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 1, blz. 504-513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
