방법 논문

단락 전류 밀도 및 광발광을 강화하기 위한 근접 공간 승화-증착 초박형 CdSeTe/CdTe 태양전지

DOI:

10.3791/60937

⸱

2020년 3월 6일

 ,  ,  , 
1Department of Physics, Colorado State University

이 논문에서

요약

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이 작품은 향상된 효율성을 위해 얇은 흡수 기 카드뮴 셀레늄 텔루라이드 / 카드뮴 텔루 라이드 광전지 장치의 전체 제조 공정을 설명합니다. 이 공정은 소규모 지역 연구 장치 및 대규모 모듈의 제작에서 부터 확장 가능한 근접 공간 승화 증착을 위해 자동화된 인라인 진공 시스템을 활용합니다.

초록

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태양광 장치 아키텍처의 개발은 증가하는 글로벌 에너지 수요와 기후 변화 속에서 태양 에너지를 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 재생 에너지원으로 만들기 위해 필요합니다. 박막 CdTe 기술은 빠른 제조 시간, 최소한의 재료 사용 및 ~ 3 μm 흡수층으로 CdSeTe 합금의 도입으로 인해 비용 경쟁력과 효율성 증가를 입증했습니다. 이 작품은 자동화된 인라인 진공 증착 시스템을 사용하여 얇은 1.5μm CdSeTe/CdTe 이중층 장치의 근접 공간 승화 제작을 제시합니다. 얇은 이중층 구조 및 제조 기술은 증착 시간을 최소화하고 장치 효율성을 높이며 미래의 얇은 흡수제 기반 장치 아키텍처 개발을 용이하게 합니다. 기판 예열 온도, CdSeTe:CdTe 두께 비율 및 CdCl2 패시베이션의 세 가지 제조 파라미터는 얇은 CdSeTe/CdTe 흡수 장치를 최적화하는 데 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보입니다. CdSeTe의 적절한 승화를 위해, 증착 전기 온도는 예열원에서의 거주 시간에 의해 제어되는 것과 같이 ~540°C(CdTe의 경우보다 높음)여야 합니다. CdSeTe:CdTe 두께 비율의 변화는 이 비율에 대한 장치 성능에 대한 강한 의존성을 보여줍니다. 최적의 흡수기 두께는 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe이며, 최적화되지 않은 두께 비는 백 배리어 효과를 통해 효율성을 감소시입니다. 얇은 흡수제는 CdCl2 패시베이션 변이에 민감합니다. 온도와 시간 모두에 관한 훨씬 덜 공격적인 CdCl2 처리 (두꺼운 흡수제에 비해)는 최적의 장치 성능을 산출합니다. 최적화된 제조 조건으로 CdSeTe/CdTe는 단일 흡수제 CdTe에 비해 장치 단락 전류 밀도 및 광발광 강도를 증가시킵니다. 또한 인라인 밀착 공간 승화 진공 증착 시스템은 향후 초박형 흡수기 아키텍처의 재료 및 시간 감소, 확장성 및 달성성을 제공합니다.

서론

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글로벌 에너지 수요가 빠르게 가속화되고 있으며, 2018년 은 가장 빠른 속도(2.3%)를 보였습니다. 지난 10년간의 성장률1. 기후 변화의 영향과 화석 연료 의 연소에 대한 인식이 증가함에 따라 비용 경쟁력, 청정 및 재생 에너지에 대한 필요성이 매우 분명해지고 있습니다. 많은 재생 가능 에너지원 중, 지구에 도달하는 태양 에너지의 양이 전 세계 에너지 소비량을 훨씬 초과하기 때문에 태양 에너지는 총 잠재력에 대해 독특합니다2.

태양광(PV) 장치는 태양 에너지를 전력으로 직접 변환하며 확장성(예: 개인 용 미니 모듈 및 그리드 통합 태양광 어레이) 및 재료 기술에서 다재다능합니다. 다중 접합 및 단일 접합, 단결정 갈륨 비소 (GaA) 태양 전지와 같은 기술은 효율이 각각 39.2 %와 35.5 %에도달합니다 3. 그러나 이러한 고효율 태양전지의 제조는 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 박막 PV용 재료로서 다결정 카드뮴 텔루라이드(CdTe)는 저렴한 비용, 높은 처리량의 제조, 다양한 증착 기술 및 유리한 흡수 계수에 유리합니다. 이러한 특성으로 인해 CdTe는 대규모 제조에 적합하며 효율성 이 개선되....

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프로토콜

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주의: 필름 오염 및 재료 대 피부 접촉을 방지하기 위해 기판을 취급할 때 장갑을 착용해야 합니다. 이 제조 공정은 카드뮴 화합물을 포함하는 구조의 처리를 필요로한다; 따라서 실험실 코트와 장갑은 항상 실험실에서 착용해야합니다.

1. 기판 세척

  1. TCO 코팅 유리 기판(9.1cm x 7.8cm)을 충분한 간격으로 스테인리스 스틸 랙에 배치하여 세척 액과 압축 공기를 각 유리 면에 적용할 수 있습니다.
  2. 질소 압축 공기 호스를 사용하여 기판에서 먼지를 날려 보입니다.
  3. 랙을 초음파 클리너 (UC1)에 놓고 이소프로필 알코올 (IPA)으로 채웁니다. 산업용 유리 절단 공정에서 잔류 오일과 오염 물질을 제거하기 위해 30 분 동안 앉아있게하십시오.
  4. UC1에서 IPA를 빼내십시오. IPA는 기판의 초기 세척을 위해 최대 5배까지 재사용할 수 있습니다.
  5. 탈이온화(DI) 물로 기판을 헹구고 UC1을 기판의 위쪽 가장자리 에서 약 1cm 높이의 DI 물로 채웁니다. 200 mL의 농축 세척액을 기판에 균일하게 추가하여 잔류 오일, 그리스, 미립자 또는 경수 얼룩을 추가로 제거합니다.
  6. 주 전원을 사용하여 UC1 ~ 43kHz 초음파 주파수 및 425W 전력....

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결과

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얇은 CdTe 흡수제에 CdSeTe를 추가하여 우수한 흡수재 품질과 더 높은 단락 전류 밀도(JSC)를통해 장치 효율을 향상시킵니다. 도 3A 및 도 3B는단일 CdTe 흡수제 및 CdSe/CdTe 바이레이어 흡수 장치에 대해 각각 PL 및 TRPL을 나타내고 있다( Bothwell등에서 8). PL 및 TRPL 측정모두 CdSeTe/CdTe 바이레이어 흡수제를 통해 향상된 광발광을 명확하게 보여줍니다. PL 강도는 6의 인자에 의해 향상되고, TRPL 꼬리 수명은, 붕괴의 느린 부분에 대한 단일 지수에 적합하며, 이중층 구조에 대해 12.6±0.1 ns이다(단층 구조에 대한 1.6±0.02 ns에 비해), 이는 더 나은 CdSeTe 재료 품질을 나타낸다. PL 측정은 또한 CdSeTe 층의 성공적인 통합을 확인합니다. 흡수 대역 갭에 해당하는 피크 PL 강도의.......

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토론

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얇은 이중층 CdSeTe/CdTe 태양광 장치는 더 나은 재료 품질과 증가된 전류 수집으로 인해 CdTe 에 비해 효율성이 향상되었습니다. 이러한 향상된 효율성은 3 μm5,7보다큰 이중층 흡수제에서 입증되었으며, 이제 최적화된 제조 조건으로, 더 얇은 1.5μm 이중층 흡수제에 대해서도 증가된 효율이 달성된다는 것이 입증되었습니다.

얇은 이중층 흡수제제조 공정의 최적화는 기판 예열 온도, CdSeTe:CdTe 두께 비 및 CdCl2 패시베이션의 세 가지 주요 변형에 뿌리를 두고 있습니다. 적절한 CdSeTe 승화를 위해, 기판의 예열 온도는 예열 소스에서 기판 숙주 시간을 변화시킴으로써 달성되는 CdTe 승화에 대해 ~480°C에 비해 ~540°C이어야 한다. 양호한 개방 회로 전압(VOC)을유지하면서 장치의 접촉 장벽을 방지하기 위해.......

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공개 사항

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저자는 공개 할 것이 없다.

감사의 글

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저자는 그의 증착 시스템의 사용에 대한 교수 W.S. Sampath, 시스템 지원을위한 케반 카메론, 두꺼운 이중 층 세포와 인라인 자동화 CSS 진공 증착 시스템의 보충 영상과 그의 작품에 대한 아미트 문시 박사, 박사에게 감사드립니다. TRPL 측정에 대한 지원을 위한 다리우스 쿠치아우스카스. 이 자료는 미국 에너지 기술 사무소(SETO) 계약 번호 DE-EE0007543에 따라 미국 에너지 에너지 효율 및 신재생 에너지 사무소(EERE)가 지원하는 작업을 기반으로 합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
알파 스텝 표면 프로파일로 미터Tencor Instruments10-00020필름 두께 측정용 기기
CdCl2 재질5N 플러스N/A흡수제 패시베이션 처리용 재료
CdSeTe 반도체 재료5N 플러스N/A흡수층 용 P형 반도체
재료 CdTe 반도체 재료5N 플러스N/A흡수층용 P형 반도체 재료
CESAR RF 발전기Advanced Energy61300050MgZnO 스퍼터 증착용 발전기
CuCl 재료Sigma AldrichN/A흡수제 도핑용 재료
묘사 재료Kramer Industries Inc.멜라민 유형 3 60-80 메쉬필름 묘사 용 플라스틱 구슬 재료
글러브 박스 인클로저Vaniman Manufacturing Co.Problast 3필름 묘사용 글로브 박스 인클로저
골드 크리스탈Kurt J. Lesker CompanyKJLCRYSTAL6-G10Te 증발 두께 모니터용 크리스탈
HVLP 및 표준 중력 피드 스프레이 건 키트HuskyHDK00600SG어플리케이터 스프레이 건 Ni 페인트 백 접촉 애플리케이션용
MgZnO 스퍼터 타겟Plasmaterials, Inc.PLA285287489N형 이미터 층 재료
Micro 90 유리 세척 용액Cole-ParmerEW-18100-05초기 유리 세척 솔루션
NSG Tec10 기판PilkingtonN/A전면 전기 접촉용 투명 전도성 산화물 유리
Super Shield Ni 전도성 코팅MG Chemicals841AR-3.78L후면 접촉 층용 전도성 페인트
재질: Sigma AldrichMKBZ5843V후면 접촉 층 용 재질
두께 모니터R.D. Mathis CompanyTM-100Te 증발 조건 프로그래밍 및 모니터링 용 기기
Thinner 1MG Chemicals4351-1L후면 접촉 층 용 Ni와 혼합하는 페인트 희석제
초음파 세척기 1L & R ElectronicsQ28OH초음파 세척기 1 유리 세척
초음파 세척기 2초음파 세척100S초음파 세척기 2 유리 세척
용 UV / VIS Lambda 2 분광계PerkinElmer166351CdSeTe 필름의 투과 측정에 사용되는 분광계

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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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재인쇄 및 허가

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태그

CdSeTe CdTeCdCl2

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