Methodenartikel

Nahraumsublimations-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar cells für verbesserte Kurzschlussstromdichte und Photolumineszenz

DOI:

10.3791/60937

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6. März 2020

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1Department of Physics, Colorado State University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Diese Arbeit beschreibt den kompletten Herstellungsprozess von dünnabsorbierten Cadmiumselselentellurid/Cadmiumtellurid-Photovoltaikgeräten für eine höhere Effizienz. Das Verfahren nutzt ein automatisiertes Inline-Vakuumsystem zur Nahraumsublimationsablagerung, das skalierbar ist, von der Fertigung von kleinräumigen Forschungsgeräten bis hin zu großflächigen Modulen.

Zusammenfassung

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Entwicklungen in Photovoltaik-Anlagenarchitekturen sind notwendig, um Solarenergie inmitten des wachsenden globalen Energiebedarfs und des Klimawandels zu einer kostengünstigen und zuverlässigen Quelle erneuerbarer Energie zu machen. Die Dünnschicht-CdTe-Technologie hat kosten-wettbewerbsfähige und steigernde Effizienzen gezeigt, die teilweise auf schnelle Fertigungszeiten, minimalen Materialverbrauch und die Einführung einer CdSeTe-Legierung in eine Absorberschicht von 3 m zurückzuführen sind. Diese Arbeit stellt die Nahraumsublimationsfertigung von dünnen, 1,5 m CdSeTe/CdTe Bilayer-Geräten mit einem automatisierten Inline-Vakuumabscheidungssystem vor. Die dünne Zweischichtstruktur und Fertigungstechnik minimieren die Abscheidungszeit, erhöhen die Geräteeffizienz und erleichtern die zukünftige Entwicklung von Thin Absorber-basierten Gerätearchitekturen. Drei Fertigungsparameter scheinen die wirkungsvollsten für die Optimierung dünner CdSeTe/CdTe-Absorbergeräte zu sein: Substrat-Vorwärmtemperatur, CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnis und CdCl 2-Passivierung. Für eine ordnungsgemäße Sublimation des CdSeTe muss die Substrattemperatur vor der Abscheidung 540 °C (höher als bei CdTe) betragen, wie sie durch die Verweilzeit in einer Vorwärmquelle gesteuert wird. Die Variation des Dickenverhältnisses CdSeTe:CdTe zeigt eine starke Abhängigkeit der Geräteleistung von diesem Verhältnis. Die optimalen Absorberdicken sind 0,5 'm CdSeTe/1,0 'm CdTe, und nicht optimierte Dickenverhältnisse reduzieren die Effizienz durch Rückbarriereeffekte. Dünne Absorber reagieren empfindlich auf CdCl2 PassivierungVariation; eine viel weniger aggressive CdCl2-Behandlung (im Vergleich zu dickeren Absorbern) in Bezug auf Temperatur und Zeit ergibt eine optimale Geräteleistung. Mit optimierten Fertigungsbedingungen erhöht CdSeTe/CdTe die Kurzschlussstromdichte und Photolumineszenzintensität des Geräts im Vergleich zu CdTe mit Nurabsorber. Darüber hinaus bietet ein Inline-Nahraum-Sublimationsvakuumabscheidungssystem Material- und Zeitreduzierung, Skalierbarkeit und Erreichbarkeit zukünftiger ultradünner Absorberarchitekturen.

Einleitung

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Der weltweite Energiebedarf beschleunigt sich schnell, und das Jahr 2018 zeigte das schnellste( 2,3%) Wachstumsrate in den letzten zehn Jahren1. Gepaart mit dem zunehmenden Bewusstsein für die Auswirkungen des Klimawandels und der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist die Notwendigkeit kostenwettbewerbsfähiger, sauberer und erneuerbarer Energien überdeutlich geworden. Von den vielen erneuerbaren Energiequellen zeichnet sich die Solarenergie durch ihr Gesamtpotenzial aus, da die Menge an Sonnenenergie, die die Erde erreicht, den globalen Energieverbrauch bei weitem übersteigt2.

Photovoltaik-Gerä....

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Protokoll

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VORSICHT: Beim Umgang mit Substraten müssen Handschuhe getragen werden, um Filmkontaminationen und Hautkontakt zu verhindern. Dieser Herstellungsprozess erfordert den Umgang mit Strukturen, die Cadmiumverbindungen enthalten; Daher sollten ein Labormantel und Handschuhe jederzeit im Labor getragen werden.

1. Substratreinigung

  1. TCO-beschichtete Glassubstrate (9,1 cm x 7,8 cm) in ein Edelstahlgestell mit ausreichendem Abstand geben, so dass Reinigungslösung und Druckluft auf jede Glasfläche aufgebracht werden können.
  2. Blasen Sie Staub von den Substraten mit einem Stickstoff-Druckluftschlauch.
  3. Legen Sie das Rack in e....

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Ergebnisse

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Die Zugabe von CdSeTe zu einem dünnen CdTe-Absorber verbessert die Geräteeffizienz durch überlegene Absorbermaterialqualität und höhere Kurzschlussstromdichte (JSC). Abbildung 3A und Abbildung 3B, (angepasst von Bothwell et al.8) zeigen PL bzw. TRPL für die einzelnen CdTe-Absorber- und CdSeTe/CdTe-Bilayer-Absorbergeräte. Sowohl PL- als auch TRPL-Messungen zeigen deutlich eine verbesserte Photolumineszenz mit dem CdSeTe/CdTe Bil.......

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Diskussion

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Dünne Zweischicht-CdSeTe/CdTe-Photovoltaikgeräte weisen aufgrund einer besseren Materialqualität und einer erhöhten Stromsammlung eine Effizienzsteigerung im Vergleich zu ihren CdTe-Pendants auf. Solche verbesserten Effizienzen wurden in Doppelschichtabsorbern von mehr als 3 m5,7, nachgewiesen, und jetzt mit optimierten Fertigungsbedingungen wurde gezeigt, dass erhöhte Effizienzen auch für dünnere, 1,5-m-Bilayer-Absorber erreichbar sind.

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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Die Autoren danken Professor W.S. Sampath für die Verwendung seiner Abscheidungssysteme, Kevan Cameron für die Systemunterstützung, Dr. Amit Munshi für seine Arbeit mit dickeren Zweischichtzellen und ergänzenden Aufnahmen des inline automatisierten CSS-Vakuumabscheidungssystems und Dr. Darius Kuciauskas für Unterstützung bei TRPL-Messungen. Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) des US-Energieministeriums im Rahmen der VereinbarungSnummer DE-EE0007543 des US-Energieministeriums unterstützt werden.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Alpha Step Surface ProfilometerTencor Instruments10-00020Instrument zur Messung der Schichtdicke
CdCl2 Material5N PlusN/AMaterial für die Absorberpassivierungsbehandlung
CdSeTe Halbleitermaterial5N PlusN/AP-Typ Halbleitermaterial für Absorberschicht
CdTe Halbleitermaterial5N PlusN/AP-Typ Halbleitermaterial für Absorberschicht
CESAR RF Power GeneratorAdvanced Energy61300050Stromgenerator für MgZnO Sputterabscheidung
CuCl MaterialSigma AldrichN/AMaterial für Absorberdotierung
Delineation MaterialKramer Industries Inc.Melamin Typ 3 60-80 MeshKunststoff-Sickenmaterial für die Filmabgrenzung
Glovebox EnclosureVaniman Manufacturing Co.Problast 3Glovebox-Gehäuse für die Filmabgrenzung
Gold CrystalKurt J. Lesker CompanyKJLCRYSTAL6-G10Crystal für die Überwachung der T-Verdampfungsdicke
HVLP und Standard Gravity Feed Spray Gun KitHuskyHDK00600SGApplicator Sprühpistole für die Anwendung von Ni-Farben mit Rückkontakt
MgZnO Sputter TargetPlasmaterials, Inc.PLA285287489N-Typ Emitterschichtmaterial
Micro 90 GlasreinigungslösungCole-ParmerEW-18100-05Lösung für die Erstreinigung von Glas
NSG Tec10 SubstratePilkingtonN/ATransparentes leitendes Oxidglas für den vorderen elektrischen Kontakt
Super Shield Ni Leitfähige BeschichtungMG Chemicals841AR-3.78LLeitfähige Farbe für die hintere Kontaktschicht
Te MaterialSigma AldrichMKBZ5843VMaterial für die hintere Kontaktschicht
DickenmonitorR.D. Mathis CompanyTM-100Instrument zur Programmierung und Überwachung der T-Verdampfungsbedingungen
Verdünner 1MG Chemikalien4351-1LFarbverdünner zum Mischen mit Ni für die hintere Kontaktschicht
Ultraschallreiniger 1L & R ElectronicsQ28OHUltraschallreiniger 1 für die Glasreinigung
Ultraschallreiniger 2Ultraschallreiniger100SUltraschallreiniger 2 für die Glasreinigung
UV/VIS Lambda 2 SpektrometerPerkinElmer166351Spektrometer für Transmissionsmessungen auf CdSeTe-Folien

Referenzen

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  1. Global energy demand rose by 2.3% in 2018, its fastest pace in the last decade. , Available from: https://www.iea.org/newsroom/news/2019/march/global-energy-demand-rose-by-23-in-2018-its-fastest-pace-in-the-last-decade.html (2019).
  2. Morton, O. Solar energy: A new day dawning?: Silicon valley sunrise. Nature. 443

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Schlagwörter

Ultrad nner AbsorberSubstratvorheiztemperaturCdSeTe CdTe Dickenverh ltnisCdCl2 PassivierungPhotolumineszenzintensit tautomatisierte In Line AbscheidungD nnschichtfertigung

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