この研究は、効率を高める薄吸収体カドミウムセレンテルル化物/カドミウムテルル化物の完全な製造プロセスを説明する。このプロセスでは、小規模領域研究デバイスの製造や大規模モジュールの製造など、スケーラブルな近接スペース昇華堆積のための自動インライン真空システムを利用しています。
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この記事について
サマリー
要約
太陽光発電装置アーキテクチャの開発は、世界的なエネルギー需要と気候変動の高まりの中で、太陽エネルギーを費用対効果の高い信頼性の高い再生可能エネルギー源にするために必要です。薄膜CdTe技術は、製造時間の短縮、材料使用量の最小化、およびCdSeTe合金の吸収層の導入により、コスト競争力と効率の向上を実証しています。この作品は、自動インライン真空堆積システムを使用して、薄い1.5 μmのCdSeTe/CdTe二重層デバイスの近接昇華加工を示します。薄い二重層構造と製造技術により、堆積時間を最小限に抑え、デバイスの効率を向上させ、将来の薄吸収装置ベースのデバイスアーキテクチャ開発を促進します。3 つの製造パラメーターは、薄い CdSeTe/CdTe 吸収デバイスを最適化するための最も影響を与えるようです: 基板予熱温度、 CdSeTe:CdTe 厚さ比、および CdCl2パッシベーション。CdSeTeの適切な昇華のために、堆積前の基板温度は、予熱源でのドウェル時間によって制御されるように〜540°C(CdTeの場合はそれよりも高い)でなければなりません。CdSeTe:CdTe の厚み比の変動は、この比率に対するデバイスの性能の強い依存性を明らかにします。最適な吸収材の厚さは0.5 μmのCdSeTe/1.0 μm CdTeであり、最適化されていない厚さ比はバックバリア効果により効率を低下させます。シンアブソーバはCdCl2パッシベーションの変動に敏感です。温度と時間の両方に関して(厚い吸収剤と比較して)はるかに少ない積極的なCdCl2処理は最適な装置の性能を生み出す。CdSeTe/CdTeは、最適化された製造条件により、単一吸収剤CdTeと比較して、デバイスの短絡電流密度と光発光強度を向上させます。さらに、インライン近接スペース昇華真空蒸着システムは、材料と時間の削減、スケーラビリティ、将来の超薄型吸収アーキテクチャの達成可能性を提供します。
概要
世界のエネルギー需要は急速に加速しており、2018年は最速(2.3%)を示した。過去10年間の成長率1.気候変動や化石燃料の燃焼の影響に対する意識の高まりと組み合わせることで、コスト競争力、クリーン、再生可能エネルギーの必要性が豊富に明らかになりました。再生可能エネルギーの多いエネルギー源の中で、地球に到達する太陽エネルギーの量は世界のエネルギー消費量2をはるかに上回るため、太陽エネルギーは、その潜在力の大きい点が特徴である。
太陽光発電(PV)デバイスは、太陽エネルギーを直接電力に変換し、拡張性(個人的な使用ミニモジュールやグリッド統合ソーラーアレイなど)や材料技術に汎用性があります。多結合および単結晶ガリウム砒素(GaAs)太陽電池などの技術は、それぞれ39.2%と35.5%に達する効率を有する。しかし、これらの高効率太陽電池の製造は、コストと時間がかかる。薄膜用材料として多結晶カドミウムテルル化物(CdTe)は、低コスト、高スループットの製造、様々な堆積技術、および良好な吸収係数に有利である。これらの属性は、大規模な製造のためにCdTeを有望にし、効率の改善は、Pv市場優勢シリコンと化石燃料4とのコスト競争力を作ったCdTeを作りました。
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プロトコル
注意: フィルム汚染や材料と皮膚の接触を防ぐために、基材を取り扱う際に手袋を着用する必要があります。この製造プロセスでは、カドミウム化合物を含む構造の取り扱いが必要です。したがって、ラボコートと手袋は、常にラボで着用する必要があります。
1. 基板洗浄
- TCOコーティングガラス基板(9.1 cm x 7.8 cm)をステンレス製のラックに入れ、洗浄液と圧縮空気を各ガラス面に塗布できるような十分な間隔を設けます。
- 窒素圧縮空気ホースを使用して、基板からほこりを吹き飛ばします。
- ラックを超音波洗浄機(UC1)に入れ、イソプロピルアルコール(IPA)で満たします。工業用ガラス切断工程から残った油と汚染物質を除去するために30分間座らせます。
- UC1 から IPA をドレインします。IPAは基質の最初のクリーニングのために5xまで再利用することができる。
- 基板を脱イオン(DI)水でリンスし、基板の上端から約1cm上のDI水でUC1を満たします。200 mLの濃縮洗浄液を基板全体に均一に加え、残留油、グリース、微粒子、または硬水汚れを除去します。
- 主電源を使用して、43 kHzの超音波周波数と425 WパワーにUC1をオンにし、基板を1時間座らせます。
- DI水で第二、より大きな超音波クリーナー(UC2)を洗浄し、DI水でその体積の4分の3を埋めます....
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結果
薄いCdTe吸収剤にCdSeTeを添加することにより、優れた吸収材の品質と短絡電流密度(JSC)を通じてデバイスの効率が向上します。図3Aおよび図3Bは、(Bothwellらら8から適応)は、それぞれ、単一のCdTe吸収剤およびCdSeTe/CdSeTe/CdTe二重層吸収装置に対するPLおよびTRPLを示す。PLおよびTRPLの両方の測定は明確にCdSeTe/CdTe二重層吸収剤と改善された光発光を示す。PL強度は6倍に改善し、TRPLテール寿命は、減衰の遅い部分に単一指数でフィットし、二重層構造(単層構造の1.6 ±0.02nsと比較して)の12.6±0.1nsであり、CdSeTe材料品質が優れている。PL測定はCdSeTe層の正常な組み込みも確認します。ピークPL強度のシフトは、吸収バンドギャップに対応し、1.50から1.42eVに、低バンドギャップCdSeTe材料が吸収体層において作動していることを確認する。
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ディスカッション
薄二層CdSeTe/CdTe太陽光発電デバイスは、材料品質が向上し、現在のコレクションが増加しているため、CdTeの対応機器と比較して効率が向上しています。このような高効率化は、3μm5,7を超える二層吸収剤で実証されており、現在では製造条件が最適化されており、より薄い1.5μmの二層吸収剤についても高い効率が達成できることが実証されています。
薄二重層吸収剤の製造プロセスの最適化は、基質予熱温度、CdSeTe:CdTe厚さ比、およびCdCl2パッシベーションの3つの主要な変更に根ざしています。適切なCdSeTe昇華のために、基板の予熱温度は、プレヒート源で基板の内添い時間を変化させることによって達成されるCdTe昇華のための〜480°Cと比較して〜540°Cでなければなりません。良好なオープン回路電圧(VOC)を維持しながらデバイスの接触障壁を防ぐために、図6に.......
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開示事項
著者らは開示するものは何もない。
謝辞
著者らは、W.S.サンパス教授が堆積システムを使用してくれたことに感謝し、ケバン・キャメロンはシステムサポートに、アミット・ムンシ博士は、より厚い二層細胞とインライン自動CSS真空堆積システムの補足映像、および博士との研究に感謝したいと考えています。TRPL測定の援助のためのダリウス・クシアウスカス。この資料は、米国エネルギー省エネルギー省エネルギー省(EERE)が太陽エネルギー技術局(SETO)協定番号DE-EE0007543の支援を受けた作業に基づいています。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アルファステップ表面形状測定装置 | テンコーインスツルメンツ | 10-00020 | 膜厚測定装置 |
| CdCl2 材料 | 5N Plus | N/A | 吸収剤パッシベーション処理用材料 |
| CdSeTe半導体材料 | 5N | Plus N/A | 吸収層用P型半導体材料 |
| CdTe半導体材料 | 5Nプラス | N/A | 吸収層用P型半導体材料 |
| CESAR RF発電機 | 先進エネルギー | 61300050 | MgZnOスパッタ堆積用発電機 |
| CuCl材料 Sigma | Aldrich | N/A | 吸収体ドーピング用材料 |
| 描写材料 | Kramer Industries, Inc. | メラミンタイプ3 60-80メッシュ | フィルム描写用プラスチックビーズ材料 |
| グローブボックスエンクロージャ | ーVaniman Manufacturing Co. | Problast 3 | フィルム描写用グローブボックス筐体 |
| ゴールドクリスタル | Kurt J. Lesker Company | KJLCRYSTAL6-G10 | Te 蒸発膜厚モニター用クリスタル |
| HVLP および標準重力供給スプレーガンキット | ハスキー | HDK00600SG | アプリケーター Ni 塗料バックコンタクト用スプレーガン |
| MgZnO スパッタターゲット | Plasmaterials, Inc. | PLA285287489 | N型エミッタ層材料 |
| マイクロ90ガラス洗浄液 | コールパーマー | EW-18100-05 | 初期ガラス洗浄液 |
| NSG Tec10 基板 | ピルキントン | N/A | 前面電気接点用透明導電酸化物ガラス |
| スーパーシールド Ni導電性コーティング | MGケミカル | 841AR-3.78L | 背面接点層用導電性塗料 |
| Te Material | Sigma Aldrich | MKBZ5843V | バックコンタクト層用材料 |
| 厚さモニター | R.D. Mathis Company | TM-100 | プログラミングとモニタリング用機器 Te 蒸発条件 |
| シンナー 1 | MG ケミカル | 4351-1L | バックコンタクト層用 Ni と混合するシンナー |
| 超音波洗浄機 1 | L &R Electronics | Q28OH | ガラス洗浄用超音波洗浄機 |
| 超音波洗浄機 2 | 超音波洗浄 | 100S | ガラス洗浄用超音波洗浄 |
| UV/VIS ラムダ 2 分光計 | PerkinElmer | 166351 | CdSeTeフィルムの透過測定に使用される分光計 |
参考文献
- 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).
- Morton, O. Solar energy: A new day dawning?: Silicon valley sunrise. Nature. 443
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再版と許可
