Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Close-Space Sublimering-Deponeret Ultra-Thin CdSeTe / CdTe solceller for forbedret kortslutning strømtæthed og fotoluminescens

Published: March 6, 2020 doi: 10.3791/60937
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Physics, Colorado State University

Summary

Dette arbejde beskriver den komplette fabrikation proces af tyndabsorber cadmium selen telluride / cadmium telluride fotovoltaiske enheder for øget effektivitet. Processen anvender et automatiseret in-line vakuumsystem til nærrumssublimering, der er skalerbar, fra fremstilling af små område forskningsenheder samt store moduler.

Abstract

Udviklingen inden for solcelleindretning er nødvendig for at gøre solenergi til en omkostningseffektiv og pålidelig kilde til vedvarende energi midt i voksende globale energibehov og klimaændringer. Tyndfilm CdTe-teknologi har vist omkostningskonkurrenceevne og øget effektivitet på grund af delvis hurtige fabrikationstider, minimal materialeanvendelse og indførelse af en CdSeTe-legering i et ~3 μm absorberlag. Dette arbejde præsenterer close-space sublimering fabrikation af tynde, 1,5 μm CdSeTe / CdTe tolags enheder ved hjælp af en automatiseret in-line vakuum aflejring system. Den tynde tolagsstruktur og fabrikationsteknik minimerer depositionstiden, øger enhedens effektivitet og letter den fremtidige udvikling af tyndabsorberbaseret enhedsarkitektur. Tre fabrikationsparametre synes at være de mest virkningsfulde til optimering af tynde CdSeTe/CdTe-absorberende enheder: substratforhedstemperatur, CdSeTe:CdTe tykkelsesforhold og CdCl 2-passivering. For korrekt sublimering af CdSeTe skal substrattemperaturen før aflejring være ~540 °C (højere end for CdTe) som kontrolleret ved dvæletid i en forvarmningskilde. Variation i forholdet cdsete:cdte tykkelse viser en stærk afhængighed af enhedens ydeevne på dette forhold. De optimale absorbertykkelser er 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, og ikke-optimerede tykkelsesforhold reducerer effektiviteten gennem back-barrier-effekter. Tynde absorbere er følsomme over for CdCl2 passivation variation; en langt mindre aggressiv CdCl2 behandling (sammenlignet med tykkere absorbere) med hensyn til både temperatur og tid giver optimal enhed ydeevne. Med optimerede fabrikationsforhold øger CdSeTe/CdTe enhedens kortslutningsstrømtæthed og fotoluminescensintensitet sammenlignet med cdte med enkeltabsorberende ydeevne. Derudover tilbyder et in-line close-space sublimationsvakuumaflejringssystem materiale- og tidsreduktion, skalerbarhed og opnåelighed af fremtidige ultratynde absorberarkitekturer.

Introduction

Den globale energiefterspørgsel accelererer hurtigt, og 2018 viste det hurtigste. vækstrate i det seneste årti1. Parret med stigende bevidsthed om virkningerne af klimaændringerne og afbrænding af fossile brændstoffer, er behovet for omkostningskonkurrencedygtig, ren og vedvarende energi blevet helt klart. Af de mange vedvarende energikilder, solenergi er karakteristisk for sit samlede potentiale, som mængden af solenergi, der når jorden langt overstiger det globale energiforbrug2.

Solcelleapparater (PV) konverterer direkte solenergi til elektrisk strøm og er alsidige inden for skalerbarhed (f.eks. minimoduler til personlig brug og netintegrerede solcelleanlæg) og materialeteknologier. Teknologier som multi- og single-junction, single-crystal gallium arsenid (GaAs) solceller har effektivitetsgevinster nå 39,2% og 35,5%, henholdsvis3. Men fremstilling af disse højeffektive solceller er dyrt og tidskrævende. Polykrystallinsk cadmium telluride (CdTe) som et materiale til tynd film PC'er er fordelagtigt for sin lave omkostninger, høj-throughput fabrikation, forskellige aflejring teknikker, og gunstige absorptionskoefficient. Disse egenskaber gør CdTe gunstig for storstilet produktion, og forbedringer i effektiviteten har gjort CdTe omkostningseffektiv med PV-markedet-dominerende silicium og fossile brændstoffer4.

En nylig fremskridt, der har drevet stigningen i CdTe enhedens effektivitet er indarbejdelsen af cadmium selen telluride (CdSeTe) legering materiale i absorber lag. Integration af den nederste ~ 1,4 eV bånd hul CdSeTe materiale i en 1,5 eV CdTe absorber reducerer det forreste bånd hul af tolagsabsorber. Dette øger fotonfraktionen over båndgabet og forbedrer dermed den aktuelle samling. Vellykket inkorporering af CdSeTe i absorbere, der er 3 μm eller tykkere for øget strømtæthed er blevet påvist med forskellige fabrikationsteknikker (dvs. nærrumssublimering, damptransportaflejring og galvanisering)5,6,7. Øget rumtemperatur fotoluminescens emission spektroskopi (PL), tid-løst fotoluminescens (TRPL), og elektroluminescens signaler fra tolagsabsorber enheder5,8 viser, at ud over øget strøm indsamling, CdSeTe synes at have bedre radiativ effektivitet og mindretal luftfartsselskab levetid, og en CdSeTe / CdTe enhed har en større spænding i forhold til det ideelle end med CdTe alene. Dette er i vid udstrækning blevet tilskrevet selen passivitet af bulk fejl9.

Der er kun rapporteret lidt forskning om inkorporering af CdSeTe i tyndere (≤1,5 μm) CdTe-absorbere. Vi har derfor undersøgt egenskaberne for tynde 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe tolagsabsorberende anordninger fremstillet ved nærrumssublimering (CSS) for at afgøre, om fordelene ved tykke tolagsabsorbere også kan opnås med tynde tolagsabsorbere. Sådanne CdSeTe/ CdTe absorbere, mere end dobbelt så tynd som deres tykkere kolleger, tilbyder et bemærkelsesværdigt fald i deposition tid og materiale og lavere produktionsomkostninger. Endelig har de potentiale for fremtidige enhed arkitektur udvikling, som kræver absorber tykkelser på mindre end 2 μm.

CSS-aflejring af absorbere i et enkelt automatiseret in-line vakuumsystem giver mange fordele i forhold til andre fabrikationsmetoder10,11. Hurtigere depositionshastigheder med CSS-fabrikation øger enhedens gennemløb og fremmer større eksperimentelle datasæt. Derudover begrænser CSS-systemets enkeltvakuummiljø i dette arbejde potentielle udfordringer med absorber-grænseflader. Tyndfilm PV-enheder har mange grænseflader, som hver især kan fungere som et rekombinationscenter for elektroner og huller, hvilket reducerer den samlede enhedseffektivitet. Brugen af et enkelt vakuumsystem til cdsete-, cdte- og cadmiumchlorid (CdCl2)aflejringer (nødvendig for god absorberkvalitet12,13,14,15,16) kan give en bedre grænseflade og reducere interfacial-defekter.

In-line automatiseret vakuum system udviklet på Colorado State University10 er også en fordel i sin skalerbarhed og repeterbarhed. For eksempel er deposition parametre bruger-sæt, og deposition processen er automatiseret således, at brugeren ikke behøver at foretage justeringer under absorber fabrikation. Selv om små område forskningsenheder er fremstillet i dette system, kan systemet design skaleres op til større område depositions, så en sammenhæng mellem forskning-skala eksperimenter og modul-skala gennemførelse.

Denne protokol præsenterer de fabrikationsmetoder, der anvendes til fremstilling af 0,5-μm CdSeTe/1,0-μm CdTe tyndfilmspv-enheder. Til sammenligning fremstilles et sæt af 1,5 μm CdTe-enheder. Enkelt- og tolagsabsorberstrukturer har nominelt identiske aflejringsforhold i alle procestrin, bortset fra CdSeTe-aflejringen. At karakterisere, om tynde CdSeTe/ CdTe absorbere bevarer de samme fordele, som deres tykkere modstykker, strømtæthed-spænding (J-V), kvanteeffektivitet (QE), og PL målinger udføres på den tynde enkelt og tolags absorber enheder. En stigning i kortslutningsstrømtætheden (JSC) målt ved J-V og QE, ud over en stigning i PL-signalet for CdSeTe/CdTe vs. CdTe enhed, viser, at tynde CdSeTe / CdTe enheder fremstillet af CSS viser bemærkelsesværdige forbedringer i den nuværende samling, materialekvalitet, og enhedens effektivitet.

Selv om dette arbejde fokuserer på fordelene ved inkorporering af en CdSeTe legering i en CdTe PV enhed struktur, den komplette fabrikation proces for CdTe og CdSeTe / CdTe enheder er beskrevet efterfølgende i sin helhed. Figur 1A,B viser færdige enhedsstrukturer for henholdsvis CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheder, der består af et gennemsigtigt ledende oxid (TCO)-belagt glassubstrat, n-type magnesiumzinkoxid (MgZnO) emitterlag, p-type CdTe eller CdSeTe/CdTe absorber med CdCl2-behandling og kobberdopingbehandling, tyndt Te-lag og rygkontakt. Bortset fra CSS absorber aflejring, er fabrikationsbetingelserne identiske mellem enkelt- og tolagsstrukturen. Medmindre andet er angivet, udføres hvert trin således på både CdTe- og CdSeTe/CdTe-strukturerne.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIGTIG: Der skal bæres handsker ved håndtering af underlag for at forhindre filmforurening og kontakt mellem materialer og hud. Denne fabrikationsproces kræver håndtering af strukturer, der indeholder cadmiumforbindelser; Derfor bør der altid bæres en laboratoriekittel og handsker i laboratoriet.

1. Rensning af substrater

  1. Placer TCO-belagte glasunderlag (9,1 cm x 7,8 cm) i en rist i rustfrit stål med rigelig afstand, således at rengøringsopløsning og trykluft kan påføres hver glasflade.
  2. Blæs eventuelt støv af underlagene ved hjælp af en nitrogentrykluftslange.
  3. Placer risten i en ultralydsrenser (UC1) og fyld den med isopropylalkohol (IPA). Lad sidde i 30 minutter for at fjerne resterende olie og forurenende stoffer fra den industrielle glasskæring proces.
  4. Dræn IPA'en fra UC1. IPA'en kan genbruges op til 5 x til den første rengøring af underlag.
  5. Skyl substraterne med deioniseret (DI) vand, og fyld derefter UC1 med DI-vand ca. 1 cm over underlagenes øverste kant. Der tilsættes 200 ml koncentreret rengøringsopløsning ensartet på tværs af underlagene for yderligere at fjerne restolie, fedt, partikler eller hårde vandpletter.
  6. Brug hovedstrømmen til at tænde FOR UC1 til 43 kHz ultralydsfrekvens og 425 W-effekt, og lad underlagene sidde i 1 time.
  7. Skyl en anden, større ultralydsrenser (UC2) med DI-vand og fyld tre fjerdedele af sin volumen med DI-vand.
  8. Sluk for UC1, og fjern risten i rustfrit stål. Straks begynde skylning substrater med DI vand over en vask.
    BEMÆRK: Lad ikke underlagene tørre på dette tidspunkt.
  9. Overfør risten i rustfrit stål til UC2, og fyld helt med DI-vand, så underlagene er helt dækket. Tænd UC2 til 40 kHz ultralydsfrekvens og 600 W strøm og lad underlagene sidde i 30 min.
  10. Klargør den hjemmelavede IPA-damptørrer.
    1. Sikring af, at ventilen er lukket, tilslutte en gasslange til ultra-høj renhed (UHP) kvælstof. Åbn nitrogentanken og sæt regulatoren til 10 psi. Åbn ventilen til nitrogenflow og juster til 100 PSIG på den tilsatte flowmåler, og luk derefter ventilen igen.
    2. Kolben fyldes med 150 ml frisk IPA, og kolben fyldes tæt. Proppen forsegler tæt kolbens åbning, samtidig med at nitrogen og IPA passerer gennem to små metalrørsystemer indlejret i proppen. Disse forbinder til en lille metal rørsystem med fine huller, som sidder over UC2 sådan, at kvælstof / IPA damp er hændelse på underlagene.
  11. Når UC2 skyllecyklussen er færdig, skal du slukke for varmen og UC2.
  12. Åbn damptørrerventilen til nitrogen og IPA og åbn afløbsventilen på UC2, så DI-vandet kommer ud meget langsomt.
    BEMÆRK: DI-vandet skal tømmes meget langsomt. Denne proces erstatter DI-vandet med nitrogen/IPA-damp for at forhindre vandpletter i at danne på underlagene. Det skulle tage 1-2 timer i 30.000 cm3 vand.
  13. Når rack'et tømmes helt, skal du fjerne stativet fra UC2 og lukke damptørrerventilen.
  14. Opbevares i et rent og indesluttet miljø til fremtidig brug.
    BEMÆRK: Rensede underlag kan efterlades i dette miljø på ubestemt tid, så længe de forbliver rene. Efterse rensede underlag før yderligere brug for at sikre, at de ikke behøver at gennemgå rengøringsprocessen igen.

2. Magnesium zinkoxid vindue lag sputter aflejring

BEMÆRK: Denne MgZnO sputter-deposition proces udnytter en ubalanceret magnetron og en 4 "diameter, 0,25" tykt mål med en mål-til-substrat afstand på 15 cm. Målet er 99,99% renhed (MgO)11(ZnO)89 procent vægt.

  1. Opstart af Sputter-system
    1. Tænd for den mekaniske pumpe og forlineventil, efterfulgt af diffusionspumpen til sputterkammeret. Sørg for, at målkølevandet er tændt, og at de mekaniske ventiler til målkølevandet er åbne.
    2. Tænd for belastningslåspumpen ved hjælp af kontakten på pumpen.
    3. Lad diffusionspumpen varme op i 15 min.
    4. Kontroller kammertrykket på trykmåleren: Hvis det er under 2,0 x 10-1 Torr, skal du åbne ventilen til diffusionspumpen. Hvis trykket er større end 2,0 x 10-1 Torr, skal forlinventilen lukkes, og skrub skrubventilen op, indtil trykket falder. Derefter lukkede kontakten skrubventilen, åbn forlinen og åbn manuelt diffusionspumpeportventilen.
    5. I computersoftwaren skal du indstille kørselstrykket til 5 mTorr og klikke på "gasenable", hvilket muliggør gasstrømmen. Flowet skal være ~ 19-20 sccm og ilt sat til 3% af det samlede flow med balancen som argon i softwaren.
    6. Lad kammeret pumpe i 10 min.
    7. Kontroller, at basistrykket er under 1,0 x 10-5 Torr på ionmålerens udlæsning.
    8. Sørg for, at overførselsarmen er trukket helt tilbage fra kammeret (kig gennem kammerets fremvisningsport for at sikre, at prøveholderen ikke er i kammeret), og skift ladelåsens dørventil lukket.
    9. Sørg for, at lukkeren er lukket: Dette kan kontrolleres ved at kigge gennem viewport vinduet for at se, at det er direkte over sputter katode.
    10. På strømforsyningen skal du indstille RF-generatorentil 60 W. I computeren software øge trykket til 15 mTorr for plasma tænding, tænde RF-strømmen, og når plasmaet er antændt, reducere trykket tilbage til 5 mTorr i softwaren. Den reflekterede effekt skal være 1-2 W. Hvis det er meget højere, skal RF-matchnetværket indstilles.
    11. Målet skal varmes op for at undgå revner: øge strømmen på RF-generatoren med en hastighed på 20 W / min, indtil de når en endelig effekt på 140 W. Den reflekterede effekt bør ideelt set være <5% af den virkelige magt. Lad målet pre-sputter med lukkeren lukket i 15 min.
  2. MgZnO sputter aflejring
    1. For at kalibrere aflejringshastigheden skal der fremstilles en vidneprøve. Brug en permanent markør til at tegne en ~0,2 cm (længde) linje på den TCO-belagte side af et rent underlag.
    2. Sørg for, at ladelåsens dørventil er lukket, og løsn og åbn lastlåsens dørknap. Udluft belastningslåsen med en kvart drejning af UHP's nitrogenudlufteventil, indtil lastlåsen løsner sig. Hold udluftningsventilen delvist åben for at rense lastlåsen, mens døren er åben.
    3. Brug en håndholdt luftblæser til forsigtigt at fjerne eventuelle støvpartikler fra det rene TCO-belagte substrat. Fjern eventuelt underlag på prøveholderen, og underlagetTco side nedad med et par pincet med gummispids. Hold prøven på kanten for at undgå aflejringsområdet.
    4. Luk og stram lågedøren. Tænd for belastningslåspumpen, og luk udluftningsventilen.
    5. Indpump belastningslåsen ned, indtil belastningslåsens trykmåler aflæser under 5,0 x 10-2 Torr. Sluk derefter for belastningslåsepumpen, og åbn lastlåsporten (trykket må ikke stige til over 7 mTorr). Vent på, at trykket stiger, og sæt overførselsarmen manuelt i, så prøven sidder over den lukkede katode.
    6. Indstil den ønskede deposition tid på en timer og begynde timing som lukkeren bliver manuelt åbnet. Luk straks lukkeren, når timeren slukkes.
    7. Træk manuelt overførselsarmen helt tilbage og luk lastlåssporten.
    8. Prøven fjernes eller udskiftes ved fremgangsmåden 2.2.2–2.2.5.
    9. For at opnå MgZnO-aflejringshastigheden fjernes den permanente markør fra vidneprøven med en bomuldsspidsapplikator dyppet i methanol. Tykkelsen måles ved hjælp af et profilometer17, og de indstiller efterfølgende depositionstider for den ønskede MgZnO-tykkelse (100 nm for de prøver, der præsenteres i dette arbejde).
    10. Gentag aflejringen for så mange prøver, som det ønskes.
      BEMÆRK: Efter MgZnO-aflejring kan prøverne opbevares i et stykke tid. Med risiko for oxiderende, anbefales det, at de opbevares i en ekssikkator under vakuum for ikke mere end 1 uge for de bedste resultater.

3. Indlimation af nærrummet og behandling af absorberende lag

  1. Opstart af CSS-system
    1. Sørg for, at 1) systemet er under vakuum, 2) de mekaniske og diffusion spumper er på, 3) belastningslåsen ventilen er åben for kammeret, og 4) trykket er indstillet til 40 mTorr.
    2. Åbn gasstrømsventilen manuelt (98% N2 og 2% O2),og vælg "Gas enable" på computersoftwaren. Trykket skal stabilisere omkring 40 mTorr.
    3. Tænd for den resterende gasanalysator (RGA) ved at åbne RGA-ventilen og oprette forbindelse til softwareprogrammet. Dette er nødvendigt for at spore vand-, ilt-, nitrogen- og brintniveauer i systemet. Disse niveauer er typisk omkring 4,5 x 10-9, 2,5 x 10-8,2,3 x 10-6og 8,0 x 10-10 Torr for hver, hhv.
    4. Bring CSS-systemets top- og bundkilder op til driftstemperaturer i computerprogrammet. De højeste kildetemperaturer er sat til 620 °C for forvarmning, 360 °C for CdTe, 420 °C for CdSe20Te80, 387 °C for CdCl2,400 °C for glødog 620 °C for bakeoff. Temperaturerne under bunden er sat til 620 °C for forvarmning, 555 °C for CdTe, 545 °C for CdSe20Te80, 439 °C for CdCl2,400 °C for glødog 620 °C for bakeoff. Disse temperaturforskelle fremmer sublimering fra bunden til topkilder, således at materialet sublimeres på prøven, der er placeret mellem kilderne.
    5. Når kilderne har nået driftstemperaturer, skal du køre prøveholderen gennem bakeoff-opskriften: I softwaren skal du vælge "Bakeoff" på opskriftslisten og klikke på "Kør". Dette vil automatisk flytte overførselsarmen, således at prøveholderen forbliver i bakeoff-kilden i 480 s. Dette opvarmer prøveholderen og bager overskydende materiale af.
    6. Når overførselsarmen automatisk trækker prøveholderen tilbage til hjemmepositionen og lukker portventilen, skal du udlufte belastningslåsen ved at åbne UHP's nitrogenudluftningsventil. Når udluftet, åbne belastningen lås døren og lukke udluftningsventilen.
  2. CSS aflejring og passivering behandling af absorbere
    1. Brug en håndholdt luftblæser til forsigtigt at fjerne eventuelle støvpartikler fra det rene MgZnO/TCO-belagte underlag og lægge underlaget på prøveholderen (MgZnO-siden nedad).
    2. Luk lastlåsdøren, og pump lastlåsen ned ved at tænde for belastningslåsens skrubfræsningskontakt.
    3. Mens pumpning ned, input den ønskede opskrift på CSS aflejring i edb-programmet. De opskrifter, der anvendes til at forberede CdTe og CdSeTe / CdTe strukturer er forskellige på dette tidspunkt og er som følger.
    4. For cdtevidneprøven (til bestemmelse af CdTe-aflejringshastigheden, der kræves til både cdte- og cdsete-/cdte-enhedsfremstilling), anvendes:
      110 s i forvarmeren kilde (dette rejser glasset til ~ 480 °C således, at CdTe vil korrekt sublimere på substratet);
      110 s i CdTe kilde (dette sublimates CdTe på substratet);
      180 s i CdCl2 kilde [CdCl2 aflejring er nødvendig for god CdTe enhedens ydeevne (det har vist sig, at det passivates korn grænser og dinglende obligationer og fremmer kornvækst og tilpasning i polykrystallinske CdTe absorber12,13,14,15,16)];
      240 s i glødekilde (dette driver CdCl2 ind i absorber materiale); Og
      300 s i kølekilde (dette gør det muligt for prøven at køle af til losning).
    5. Ved hjælp af et barberblad, skriver et lille område af CdTe materiale fra substratet og måle CdTe film tykkelse ved hjælp af en overflade profilometer til at bestemme aflejringsats17.
    6. For cdsetevidneprøven (til bestemmelse af CdSeTe-aflejringshastigheden, som kun kræves til fremstilling af CdSeTe/CdTe-enheden) anvendes:
      140 s i forvarmeren kilde (dette rejser glasset til ~ 540 °C således, at CdSeTe vil korrekt sublimere på substratet);
      300 s i CdSeTe kilde (dette sublimates CdSeTe på substratet); Og
      300 s i kølekilde.
    7. Ved hjælp af et barberblad, skriver et lille område af CdSeTe materiale fra substratet og måle CdSeTe film tykkelse ved hjælp af en overflade profilometer til at bestemme deposition sats17.
    8. Til den tynde enkeltabsorber (CdTe-prøve) anvendes:
      110 s i forvarmeren kilde;
      xx s i CdTe-kilden [dvæletiden afhænger af CdTe-aflejringshastigheden og den ønskede tykkelse (for den 1,5 μm enkelt CdTe-absorber, der anvendes her, er dvæletiden 60 s)];
      150 s i CdCl2-kilden [CdCl2-behandlingen er afhængig af absorbertykkelse; derfor bør der udføres forsøg for at optimere behandlingsforholdene (de anførte dvæletider er optimeret til tynde, 1,5 μmabsorberende 18)];
      240 s i anneal kilde; Og
      300 s i kølekilde.
    9. Til den tynde tolagsabsorber (cdsete/cdteprøve) anvendes:
      140 s i forvarmeren kilde;
      xx s i CdSeTe-kilden [igen afhænger dvæletiden af CdSeTe-aflejringshastigheden og den ønskede tykkelse (for det 0,5 μm CdSeTe-lag, der anvendes her, er dvæletiden 231 s)];
      xx s i CdTe-kilden [dvæletiden afhænger af den ønskede CdTe-tykkelse og aflejringshastighed beregnet ud fra cdtevidneprøvens målte tykkelse (for den 1,5 μm tolags CdSeTe/CdTe-absorber, der anvendes her, er dvæletiden 50 s for et 1,0 μm CdTe-lag)];
      150 s i CdCl2 kilde;
      240 s i anneal kilde; Og
      300 s i kølekilde.
    10. Når belastningslåstrykket lyder under 40 mTorr i computersoftwaren ved hjælp af softwaren, skal du åbne belastningslåsens ventil og vælge "Start". Programmet kører automatisk den valgte opskrift og vender tilbage til hjemmepositionen, når du har fuldført afkølingstrin10.
    11. Når den fulde aflejring er helt åben, skal du åbne udluftningsventilen, udluftningen til atmosfæren og åbne lastlåsedøren for afsluttende underlagskøling. Efter ~60 s skal underlaget være køligt nok til at fjerne det fra prøveholderen med en fnugfri klud.
    12. Når prøven er fjernet, lukke belastningslåsdøren, pumpe belastningslåsen ned ved at tænde skrubkontakten og følge trin 3.1.5 for at køre bakeoff-opskriften. Der skal køres en bakeoff mellem hver prøveaflejring for at rengøre prøveholderen.
    13. Den forarbejdede prøve skal have et hvidt diset lag på filmen fra CdCl2-behandlingen. Tag et billede af filmen for at bemærke dis mønster. Hvis der er lidt eller intet synligt materiale fra CdCl2 behandling, denne behandling sandsynligvis behov optimering.
    14. Skyl det overskydende CdCl2 materiale ud af filmen i et gradueret bægerglas ved hjælp af DI vand og tør filmen med komprimeret argon.
      FORSIGTIG: Denne CdCl 2-skylning skal udføres i et indesluttet kabinet. Når CdCl 2/DI-vandblandingen er afsluttet, bortskaffes den i den korrekte beholder til farligt affald.
      BEMÆRK: Efter CSS-aflejring kan prøverne opbevares i et stykke tid, men det anbefales, at de opbevares i en ekssikkator under vakuum i højst 1 uge for at opnå de bedste resultater. Figur 2er en skematisk over det automatiske in-line CSS-aflejringssystem .

4. Nærrumssublimering kobber behandling

  1. Opstart af CSS-system
    1. Sørg for, at de mekaniske pumper og diffusionspumperne er tændt.
    2. Åbn procesgasventilen, og juster gasflowkontrolknappen manuelt, indtil driftstrykket på 40 mTorr vises på trykmåleren.
    3. Manuelt indstille og tænde CSS kilder ved hjælp af proportional-integral-derivat (PID) controllere. De højeste kildetemperaturer, der anvendes i dette eksperiment, er 330 °C for forvarmningskilden, 170 °C for CuCl-kilden og 200 °C for glødekilden. De nederste kildetemperaturer er 330 °C for forvarmningskilden, 190 °C for CuCl-kilden og 200 °C for glødekilden.
    4. Åbn diffusionspumpeventilen, og luk indlæsningslåseventilen manuelt.
  2. CuCl behandling på absorber strukturer
    1. Når kilderne har nået driftstemperaturen, kan prøven læsses på prøveholderen:
      1. Løsn knappen til lastlåsdøren.
      2. Udluft belastningslåsen med en kvart drejning af UHP nitrogenudluftventilen.
      3. Åbn lågedøren, og brug en håndholdt luftblæser til forsigtigt at fjerne eventuelle støvpartikler fra prøven. Prøvefilmens side anbringes på prøveholderen ved hjælp af et par pincetmed gummispids, der holder prøven på kanten for at undgå aflejringsområdet.
      4. Luk udluftningsventilen og luk og stram lastlåsdøren.
      5. Åbn belastningslåspumpen manuelt, og lad belastningslåspumpen være under tværtrykket (40 mTorr).
    2. Når krydsovertrykket opnås, lukkes belastningslåsepumpen manuelt, og ladeportventilen åbnes manuelt.
    3. Manuelt flytte overførsel arm i forvarmning, CuCl, og anneal positioner sekventielt. Der bruges en timer til dvæletiden i hver position. For de beskrevne prøver er dvæletiderne henholdsvis 75 s, 5 s og 250 s for forvarmningen, CuCl og glødekilderne.
    4. Efter glødetrinnet skal du manuelt bringe overførselsarmen tilbage til hjemmepositionen og lukke belastningslåsens portventil.
    5. Følg trin 4.2.1 for at udveksle prøver.
      BEMÆRK: Når du aflæser en tidligere prøve, er den sandsynligvis stadig varm. Tag prøven af med et par gummispidsede pincet, og lad den køle af (filmsiden op) på en metalblok. Efter Cu-behandlingen kan prøverne opbevares i nogen tid, men det anbefales, at de opbevares i en ekssikkator under vakuum i højst 1 uge for at opnå de bedste resultater.

5. Fordampning aflejring af tyndt tellurium

  1. Tænd for den mekaniske pumpe, forlineventil og diffusionspumpe ved hjælp af kontakter på fordampersystemet. Lad diffusionspumpen varme op i 20 min.
  2. Udluft og åbn kammeret ved at åbne nitrogenventilen og løfte fordamperkammeret. Læg Te i aluminiumoxid-belagt molybdæn båd. Flyt fordamperkammeret på plads igen, når materialet er indlæst.
  3. Angiv de korrekte indstillinger for Te-aflejring fra en aluminiumoxidbelagt molybdænbåd i QCM-panelet (kvartskrystalmonitoren) (densitet = 6,25 g/cm3 og akustisk impedans = 9,81 g/cm2s).
  4. Åbn kammertoppen for at få adgang til prøveholderen. Brug en håndholdt luftblæser til forsigtigt at fjerne eventuelle støvpartikler fra prøven. Læg prøvefilmens side ned på prøveholderen, og luk kammertoppen.
  5. Bevæg grebet manuelt i skrubstillingen. både skrub- og kammertrykudlæsninger bør begynde at falde. Lad trykket falde til under 10 mTorr.
  6. Drej forlinventilen tilbage til forlinen position. Vent ~ 30 s for enhver momentan spike i tryk, der skal løses, derefter åbne den høje vakuumventil. Når kammertryklæseren har udstværet, er det korrekte aflejringstryk på 1,0 x 10-5 Torr nået.
  7. Tænd for afbryderen, åbn lukkeren, og skru op for den aktuelle kontrol for at begynde at aflejre. Det optimale aktuelle driftsområde er 90-100 AMP-ampere, således at aflejringshastigheden vil være ~5-10 Å/s. Depositionshastigheden, der vises på QCM-udlæsningen, kan ændres hurtigt. Derfor skal strømmen justeres løbende under aflejringen for at opretholde hastigheden mellem 5-10 Å/s.
  8. Når QCM viser den ønskede Te-tykkelse (40 nm for de prøver, der bruges her), hurtigt og samtidig tomgangsstrømmen til nul, sluk for afbryderen og luk lukkeren.
  9. Luk højvakuumventilen, åbn nitrogenventilen, og fjern prøven fra prøveholderen. Trin 5.4-5.8 gentages for aflejring på yderligere prøver.
    BEMÆRK: Efter Te aflejring, kan prøverne opbevares i nogen tid, men det anbefales, at de opbevares i en ekssikkator under vakuum i højst 1 uge for de bedste resultater.

6. Nikkel tilbage kontakt ansøgning

FORSIGTIG: På grund af dampene fra Ni-malingen og methylethylæonen (MEK) skal du altid køre en overliggende ventilator for at cykle luft under denne proces.

  1. Monter prøverne (filmsiden vendt fremad) på en lodret monteringshylde.
  2. Sørg for, at Ni applikatorpistolen er ren hele vejen igennem. Hvis ikke, rengør med MEK.
  3. Rygkontakten er en blanding af ledende Ni-maling og tyndere i forholdet 2:1. Før malingen påføres, skal du ryste back-contact-løsningen for at sikre fuldstændig blanding.
  4. Hæld Ni rygkontaktopløsningen i applikatorpistolen, og tænd for den tilsluttede luftkompressorslange. Spray et prøveemne (dvs. pap) for at sikre, at malingen anvendes ensartet. Hvis den er ensartet, skal rygkontakten påføres prøverne ved at sprøjte opløsningen hen over prøvesættet med en langsom sidebevægelse. Lad bagkontakten tørre en smule og anvende så mange gange, som det er nødvendigt for fuldstændig dækning (typisk fem passerer fungerer godt).
    BEMÆRK: Ni-opløsningen kan tørre og tilstoppe applikatorpistolen. For at undgå en de-tilstopning sproces under back-kontakt ansøgning, er det vigtigt at vente ikke mere end 60 s mellem spray sæt.
  5. Sluk for luftkompressoren, og lad rygkontakten tørre på prøverne i mindst 1 time.

7. Afgrænsning i 25 enheder i små områder

BEMÆRK: For at afslutte den tynde filmstruktur i elektrisk kontaktbare enheder skal filmstakken afgrænses i små områdeenheder, således at TCO-frontkontakten og Ni-tilbagekontakten er elektrisk tilgængelig. Dette gøres ved hjælp af en metalmaske med mekanisk fjernelse af halvleder.

  1. Læg en prøve i metalmasken.
  2. Den maskerede prøve anbringes i handskerummet, og brug en sifonslange, påfør glasset, beaded media, på de umaskeret dele af prøven. Korrekt materialefjernelse opnås, når maskevinduerne bliver næsten gennemsigtige.
  3. Gentag denne proces med den anden maske, således at 25 små firkantede områdeenheder vises i et 5 x 5-mønster på prøven, når de er udfyldt. De færdige områder er ~ 0,6 cm2.
  4. Rengør filmen side af prøverne med en bomuld-tippet applikator dyppet i DI vand.
  5. For at minimere sidemodstand i elektriske målinger af de færdige enheder, lod et gittermønster mellem enhederne med en indiumlodde.
    BEMÆRK: De færdige anordningsstrukturer er angivet i figur 1A og figur 1B for henholdsvis CdTe- og CdSeTe-/CdTe-absorberen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tilføjelsen af CdSeTe til en tynd CdTe absorber forbedrer enhedens effektivitet gennem overlegen absorber materiale kvalitet og højere kortslutning strømtæthed (JSC). Figur 3A og Figur 3B(tilpasset fra Bothwell et al.8) viser henholdsvis PL og TRPL for enkeltabsorberen CdTe og CdSeTe/CdTe.-tolagsabsorberende anordninger. Både PL- og TRPL-målinger viser tydeligt forbedret fotoluminescens med cdsete/cdte-tolagsabsorberen. PL-intensiteten forbedres med en faktor på seks, og TRPL-halens levetid, der passer med en enkelt eksponentiel til den langsomme del af henfaldet, er 12,6 ± 0,1 ns for tolagsstrukturen (sammenlignet med 1,6 ± 0,02 ns for monolagsstrukturen), hvilket indikerer en bedre CdSeTe-materialekvalitet. PL-målingen kontrollerer også den vellykkede inkorporering af CdSeTe-laget. Forskydningen i peak PL-intensiteten, som svarer til hullet i absorberbåndet, fra 1,50 til 1,42 eV, bekræfter, at det nedre båndhul CdSeTe-materiale er operativt i absorberlaget.

Højere JSC i tolagsabsorberen påvises ved målinger af strømtæthedsspænding (J-V) og kvanteeffektivitet (QE), vist i henholdsvis figur 4 og figur 5. Forskydningen i de lyse J-V-kurver langs den strømtæthedsakse, der er vist i figur 4, svarer til en ændring i JSC fra 24,0 mA/cm2 til 25,5 mA/cm2 for de mest effektive CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheder.

QE-målinger af CdTe- og CdSeTe/CdTe-enhederne ( henholdsvisfigur 5A og figur 5B)viser tolagsanordningens yderligere fotonomdannelse i det lange bølgelængdeområde og bekræfter stigningen i JSC for den pågældende enhed. JSC-værdier, der bestemmes ved at integrere QE-dataene over bølgelængdeområdet19, er 24,6 mA/cm2 for CdTe-enheden og 25,9 mA/cm2 for CdSeTe/CdTe-enheden. Ved hjælp af optiske transmissionsdata målt på en 0,5 μm CdSeTe-film er QE-dataene for tolagsenheden opdelt i strøm, der indsamles i CdSeTe- og CdTe-lagene8. Dette understreger den dominerende rolle, som CdSeTe spiller i absorption. Den aktuelle massefylde, der indsamles i CdSeTe-laget, er 22,9 mA/cm2 sammenlignet med 3,0 mA/cm2 i CdTe-laget, således at CdSeTe tegner sig for ~90% af den aktuelle samling i tolagsabsorberen.

Effektiviteten af en tolagsabsorber afhænger af optimering af fremstillingsprocessen. Oplyste J-V-data i figur 6 viser vigtigheden af at optimere cdsete-/cdtetykkelsesforholdet: Dataene viser en signifikant knæk i den ikke-optimale 1,25-μm CdSeTe/0,25-μm CdTe-enhed. Den kink, sandsynligvis på grund af rygbarriere effekter, genererer et bemærkelsesværdigt fald i enhedens effektivitet til 11,0%. Optimeret CdCl2 passivering er også afgørende for god enhedsydeevne. Tynde CdTe-enheder udviser følsom afhængighed af CdCl 2-aflejringstid18, og uden CdCl2-passivering kan enhedens effektivitet falde til ~2%11. Selv om forfatterne har fundet CdCl2 passivation og CdSeTe: CdTe tykkelse forholdet at være blandt de mest betydningsfulde procesbetingelser, optimering af alle fabrikation faser og parametre er nødvendig.

Figure 1
Figur 1: Enhedsstruktur for færdige CdTe-baserede solceller. (A) En 1,5 μm CdTe absorber enhed struktur blev brugt som reference til sammenligning med tolagsstrukturen. (B) En 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe-anordningblev fremstillet for at forbedre fotovoltaisk effektivitet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Automatiseret in-line vakuum-nærpunktssublimeringssystem. Vist er en 2D skematisk giver konfiguration detaljer om prøven indehaveren, belastning lås, vakuum kabinet, og individuelle kilder. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Sammenligning af CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheder ved fotoluminescens. (A) Peak PL intensitet stiger 6-fold med inkorporering af CdSeTe, og peak position skifter til en lavere bånd hul, hvilket indikerer en vellykket indarbejdelse af CdSeTe. (B) TRPL hale levetid, passer med en enkelt eksponentiel til den langsomme del af henfald, er især længere for CdSeTe / CdTe enhed end CdTe enhed, hvilket indikerer bedre materialeegenskaber cdsete lag. Dette tal er genoptrykt fra Bothwell et al.8Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: J-V sammenligning af CdTe og CdSeTe/CdTe enheder. J-V-data under belysning viser en stigning i JSC, målt ved nulspændingspunktet, fra henholdsvis 24,0 mA/cm2 til 25,5 mA/cm2 for CdTe- og CdSeTe/CdTe-enhederne. Mørke J-V-data vises også til sammenligning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: QE-sammenligning af CdTe- og CdSeTe/CdTe-enheder. QE-dataene for CdTe-enheden og (B) CdSeTe/CdTe-enheden viser en stigning i JSC fra 24,6 mA/cm2 til 25,9 mA/cm2, som bestemt ved at integrere QE-dataene over bølgelængdeområdet. Transmissionsmålinger på en 0,5 μm CdSeTe-film blev brugt til at adskille QE-signalet i (B) i strøm, der er indsamlet i CdTe- og CdSeTe-laget: CdSeTe-laget udgør ~90 % af den aktuelle samling i 1,5 μm tolagsenheden. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: J-V sammenligning af optimerede og ikke-optimerede CdSeTe/CdTe-enheder. J-V-data under belysning af en CdSeTe/CdTe-enhed med et ikke-optimeret CdSeTe:CdTe-tykkelsesforhold viser en knæk i kurven og reduktion af enhedens effektivitet, hvilket understreger vigtigheden af at optimere forholdet mellem CdSeTe:CdTe:CdTe. Mørke J-V-data vises også til sammenligning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tynde tolags CdSeTe/ CdTe fotovoltaiske enheder demonstrere forbedringer i effektiviteten i forhold til deres CdTe kolleger på grund af bedre materialekvalitet og øget nuværende indsamling. Sådanne øgede effektivitetsgevinster er blevet påvist i tolagsabsorbere på over 3 μm5,7, og nu med optimerede fabrikationsbetingelser er det blevet påvist, at der også kan opnås øget effektivitet for tyndere, 1,5-μm tolagsabsorbere.

Optimeringen af fremstillingsprocessen for tynde tolagsabsorbere er forankret i tre hovedændringer: substratforhedstemperatur, CdSeTe:CdTe tykkelsesforhold og CdCl 2-passivering. For korrekt CdSeTe-sublimering skal substratets forvarmetemperatur være ~540 °C sammenlignet med ~480 °C for CdTe-sublimering, hvilket opnås ved at variere substratets tid i forvarmningskilden. For at forhindre kontaktbarrierer i enheden og samtidig opretholde en god åben kredsløbsspænding (VOC)blev det konstateret, at 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe er det optimale forhold i de tynde tolagsenheder, som det fremgår af figur 6. CdCl2 behandling af tolagsabsorberen, der er afgørende for passivering af korngrænser og fremme af kornvækst og -tilpasning12,13,14,15,16, kan være særligt følsom i tynde absorbere18. Det blev fastslået, at en langt mindre aggressiv CdCl2 behandling, der involverer både kildetemperaturer og dvæle gange, var nødvendig for korrekt passivat de tynde tolagsabsorbere18 sammenlignet med tykke tolagsabsorbere5.

CSS automatiseret in-line vakuum system og multi-lag, multi-trins fabrikation proces giver mulighed for ændringer i hele enhedens struktur. CdSeTe-laget, der er sublimeret fra CdSe20Te80-kilden i denne undersøgelse, kan også deponeres ved colimation fra CdSe- og CdTe-kilder. Nogle indledende arbejde er blevet udført på Colorado State University involverer co-sublimering af CdSeTe med begrænset succes20. CdSeTe/CdTe-grænsefladen kan også justeres ved at styre interdiffusionen af CdSeTe- og CdTe-lagene.

Der er ingen målrettet interdiffusion i de tynde tolagsanordninger præsenteret; imidlertid fremmes interdiffusion af lagene i tykkere tolage og opnås ved at øge glødetiden efter CdCl 2-aflejring for en termisk drevet interdiffusionsproces5. Kontrol af omfanget af interdiffusion giver mulighed for nogle bånd hul engineering af tolagsabsorber og kan bruges til at justere foton absorption profiler og nuværende samling i færdige enheder. Forskellige dopants, såsom gruppe-V dopants6,21,22, kan også indarbejdes til at erstatte den historisk anvendte Cu dopant. Gruppe-V doping tilbyder højere opnåelige absorber doping niveauer på 1.0E17 cm-3, viser langsigtet stabilitet6, og kan indarbejdes problemfrit i CSS-deposition proces ved hjælp af en dopet kildemateriale til sublimering (i øjeblikket udforskes af kolleger på Colorado State University)23,24. Yderligere lag i den tynde film struktur kan også ændres i store eller små måder, hvis det ønskes. Mulighederne omfatter komplet materiale fjernelse eller udskiftning, fabrikation metode ændringer, eller variationer i deposition betingelser eller post deposition behandlinger.

En tolagsegenskab, der gør CdSeTe/CdTe-absorberen gunstig i forhold til en CdTe-absorber, fungerer også som en begrænsning. Den nederste, 1,42 eV bånd hul af tolagsabsorber vs. 1,50 eV-båndhullet i den monolayer CdTe absorber øger foton samling for forbedret JSC, men det nedre bånd hul også i sagens natur begrænser den maksimalt opnåelige åbne kredsløb spænding (VOC),hvilket begrænser enhedens effektivitet. For at afbøde denne begrænsning, det næste skridt i at forbedre den tynde CdSeTe / CdTe enhed struktur er at indarbejde en højere bånd hul materiale på bagsiden af enheden for at øge VOC.

Modellering har vist, at indarbejdelsen af en tynd, ~ 100 nm, 1,8 eV materiale efter CdTe lag vil skabe en ledning band barriere på bagsiden og reducere tilbage overflade rekombination ved at reflektere fotoelektroner og fremstrømselektroner væk fra rekombination-tilbøjelige bagfladen 25,26. Denne "elektronreflektor"-struktur kræver en fuldt udtømt absorber, således at absorbertykkelsen er begrænset til mindre end 2 μm25,hvilket gør den tynde tolagsabsorber velegnet til denne konfiguration. Cadmium magnesium telluride (CdMgTe), et højt bånd hul CdTe legering materiale, er en ideel kandidat til dette lag på grund af sin afstemmelige bånd hul og ligetil inkorporering i den eksisterende enhed fabrikation proces ved co-sublimeation eller sputter aflejring.

Øget enhedseffektivitet gennem forbedret strømaftagning og fotoluminescerende egenskaber af tynde CdSeTe/CdTe tolagsenheder er signifikant for fabrikationstid og omkostningsreduktion, og fremtidige forbedringer af enhedens struktur og VOC. CSS automatiserede in-line vakuumsystem, der anvendes til absorber aflejring og passivering i denne undersøgelse er bemærkelsesværdig for sin deposition hastighed. Andre fabrikationsmetoder såsom sputtering og metal organisk kemisk dampaflejring (MOCVD) kan tage mere end femten gange så lang tid for den samme aflejring27,28.

In-line CSS tilbyder også skalerbarhedsmuligheder. De fabrikationsprocesser, der anvendes til at gøre det lille område forskning enheder præsenteres kan gennemføres i større skala processer for PV modul fabrikation med minimal tab i fabrikation parameterisering. Den CdSeTe / CdTe tolags struktur præsenteret i dette arbejde også bærer betydning med sin succes ved hjælp af den meget tynde absorber. Specielt viser enhedens effektivitet ved at være 16 % med kun en tolagsabsorber på 1,5 μm fordelene ved CdSeTe til CdTe selv i ultratynde absorbere. Tynde absorberer lag som disse giver yderligere fabrikation tid og materialebesparelser, og mulighed for at udforske en elektron reflektor struktur for at minimere spændingen underskud til stede i CdSeTe / CdTe enheder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke professor WS Sampath for brug af hans deposition systemer, Kevan Cameron for systemstøtte, Dr. Amit Munshi for hans arbejde med tykkere tolagsceller og supplerende optagelser af in-line automatiseret CSS vakuum deposition system, og Dr. Darius Kuciauskas for at få hjælp til TRPL-målinger. Dette materiale er baseret på arbejde, der støttes af u.S. Department of Energy's Office of Energy And Renewable Energy (EERE) under Solar Energy Technologies Office (SETO) Aftale nummer DE-EE0007543.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Alpha Step Surface Profilometer Tencor Instruments 10-00020 Instrument for measuring film thickness
CdCl2 Material 5N Plus N/A Material for absorber passivation treatment
CdSeTe Semiconductor Material 5N Plus N/A P-type semiconductor material for absorber layer
CdTe Semiconductor Material 5N Plus N/A P-type semiconductor material for absorber layer
CESAR RF Power Generator Advanced Energy 61300050 Power generator for MgZnO sputter deposition
CuCl Material Sigma Aldrich N/A Material for absorber doping
Delineation Material Kramer Industries Inc. Melamine Type 3 60-80 mesh Plastic beading material for film delineation
Glovebox Enclosure Vaniman Manufacturing Co. Problast 3 Glovebox enclosure for film delineation
Gold Crystal Kurt J. Lesker Company KJLCRYSTAL6-G10 Crystal for Te evaporation thickness monitor
HVLP and Standard Gravity Feed Spray Gun Kit Husky HDK00600SG Applicator spray gun for Ni paint back contact application
MgZnO Sputter Target Plasmaterials, Inc. PLA285287489 N-type emitter layer material
Micro 90 Glass Cleaning Solution Cole-Parmer EW-18100-05 Solution for initial glass cleaning
NSG Tec10 Substrates Pilkington N/A Transparent-conducting oxide glass for front electrical contact
Super Shield Ni Conductive Coating MG Chemicals 841AR-3.78L Conductive paint for back contact layer
Te Material Sigma Aldrich MKBZ5843V Material for back contact layer
Thickness Monitor R.D. Mathis Company TM-100 Instrument for programming and monitoring Te evaporation conditions
Thinner 1 MG Chemicals 4351-1L Paint thinner to mix with Ni for back contact layer
Ultrasonic Cleaner 1 L & R Electronics Q28OH Ultrasonic cleaner 1 for glass cleaning
Ultrasonic Cleaner 2 Ultrasonic Clean 100S Ultrasonic cleaner 2 for glass cleaning
UV/VIS Lambda 2 Spectrometer PerkinElmer 166351 Spectrometer used for transmission measurements on CdSeTe films

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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 (7107), 19-22 (2006).
  3. Best research-cell efficiency chart. , Available from: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2019).
  4. First Solar. First Solar sustainability report. , Available from: http://www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/Sustainability-Documents/FirstSolar_SustainabilityReport_Web_2018.ashx (2018).
  5. Munshi, A., et al. Polycrystalline CdSeTe/CdTe absorber cells with 28 mA/cm2 short-circuit current. IEEE Journal of Photovoltaics. 8 (1), 310-314 (2018).
  6. Metzger, W. K., et al. Exceeding 20% efficiency with in situ group V doping in polycrystalline CdTe solar cells. Nature Energy. 4, 837-845 (2019).
  7. Hsiao, K. J. Electroplated CdTe solar technology at Reel Solar. Proceedings of 46thIEEE PVSC. , Chicago, IL. (2019).
  8. Bothwell, A. M., Drayton, J. A., Jundt, P. M., Sites, J. R. Characterization of thin CdTe solar cells with a CdSeTe front layer. MRS Advances. 4 (37), 2053-2062 (2019).
  9. Fiducia, T. A. M., et al. Understanding the role of selenium in defect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluride solar cells. Nature Energy. 4, 504-511 (2019).
  10. Swanson, D. E., et al. Single vacuum chamber with multiple close space sublimation sources to fabricate CdTe solar cells. Journal of Vacuum Science and Technology A. 34, 021202 (2016).
  11. McCandless, B. E., Sites, J. R. Cadmium telluride solar cells. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Luque, A., Hegedus, S. , John Wiley & Sons Ltd. West Sussex, England. 617-662 (2003).
  12. Abbas, A., et al. Cadmium chloride assisted re-crystallization of CdTe: the effect of annealing over-treatment. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , Denver, CO. (2014).
  13. Munshi, A., et al. Effect of varying process parameters on CdTe thin film device performance and its relationship to film microstructure. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , Denver, CO. (2014).
  14. Metzger, W. K., et al. Time-resolved photoluminescence studies of CdTe solar cells. Journal of Applied Physics. 94 (5), 3549-3555 (2003).
  15. Moseley, J., et al. Luminescence methodology to determine grain-boundary, grain-interior, and surface recombination in thin film solar cells. Journal of Applied Physics. 124, 113104 (2018).
  16. Amarasinghe, M., et al. Obtaining large columnar CdTe grains and long lifetime on nanocrystalline CdSe, MgZnO, or CdS layers. Advanced Energy Materials. 8, 1702666 (2018).
  17. Tencor Instruments. Alpha-Step 100 User's Manual. , Tencor Instruments. Mountain View, CA. (1984).
  18. Wojtowicz, A., Huss, A. M., Drayton, J. A., Sites, J. R. Effects of CdCl2 passivation on thin CdTe absorbers fabricated by close-space sublimation. Proceedings of 44th IEEE PVSC. , Washington D.C. (2017).
  19. Kirchartz, T., Ding, K., Rau, U. Fundamental electrical characterization of thin film solar cells. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. Abou-Ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. Weinheim, Germany. 47 (2011).
  20. Swanson, D. E., Sites, J. R., Sampath, W. S. Co-sublimation of CdSexTe1-x layers for CdTe solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 159, 389-394 (2017).
  21. McCandless, B. E., et al. Overcoming Carrier Concentration Limits in Polycrystalline CdTe Thin Films with In Situ Doping. Scientific Reports. 8, 14519 (2018).
  22. Romeo, N., Bossio, A., Rosa, G. The back contact in CdTe/CdS thin film solar cells. Proceedings ISES Solar World Congress 2017. , Abu Dhabi, UAE. (2017).
  23. Munshi, A. H., et al. Doping CdSexTe1-x/CdTe graded absorber films with arsenic for thin film photovoltaics. Proceedings of 46th IEEE PVSC. , Chicago, IL. (2019).
  24. Danielson, A. Doping CdTe Absorber Cells using Group V Elements. Proceedings of WCPEC-7. , Waikoloa, HI. (2018).
  25. Hsiao, K. J. Electron Reflector Strategy for CdTe Thin film Solar Cells. , Colorado State University. Doctoral dissertation (2010).
  26. Swanson, D. E., et al. Incorporation of Cd1-xMgxTe as an electron reflector for cadmium telluride photovoltaic cells. Proceedings of MRS Spring Meeting and Exhibit. , San Francisco, CA. (2015).
  27. Wendt, R., Fischer, A., Grecu, D., Compaan, A. D. Improvement of CdTe solar cell performance with discharge control during film deposition by magnetron sputtering. Journal of Applied Physics. 84 (5), 2920-2925 (1998).
  28. Sudharsanan, R., Rohatgi, A. Investigation of metalorganic chemical vapor deposition grown CdTe/CdS solar cells. Solar Cells. 31 (2), 143-150 (1991).

Tags

Kemi cadmium telluride selen fotovoltaik chalcogenide tynde film close-space sublimering fotoluminescens kortslutning strømtæthed
Close-Space Sublimering-Deponeret Ultra-Thin CdSeTe / CdTe solceller for forbedret kortslutning strømtæthed og fotoluminescens
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bothwell, A. M., Drayton, J. A.,… More

Bothwell, A. M., Drayton, J. A., Jundt, P. M., Sites, J. R. Close-Space Sublimation-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar Cells for Enhanced Short-Circuit Current Density and Photoluminescence. J. Vis. Exp. (157), e60937, doi:10.3791/60937 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter