Industriële TCO's voor SHJ-zonnecellen: benaderingen voor het optimaliseren van prestaties en kosten

- Oct 05, 2020-

Bron: vonardenne.biz


Oorspronkelijk gepubliceerd in Photovoltaics International, editie 44, mei 2020

Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2GG-amp; Bernd Stannowski1

Abstract

Silicium heterojunctie (SHJ) zonneceltechnologie is een aantrekkelijke technologie voor grootschalige productie van zonnecellen met een hoge conversie-efficiëntie van meer dan 24%. Een belangrijk element van SHJ-zonnecellen, in tegenstelling tot de huidige' s wijdverspreide gepassiveerde emitter- en achtercontact (PERC) celtechnologie, is het gebruik van transparant geleidend oxide (TCO), dat uitdagingen met zich meebrengt qua prestaties en kosten, maar ook kansen biedt . Dit artikel bespreekt deze aspecten en toont het potentieel voor het verbeteren van de celefficiëntie tegen lagere kosten door het gebruik van nieuwe TCO's die zijn 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 op indiumoxide gebaseerde TCO's. De beschikbaarheid van hoogwaardige TCO's voor massaproductie op grote schaal, die de marktpenetratie van SHJ-cellen zal stimuleren, wordt samengevat.

Voorbeeld van TCO-massaproductieapparatuur: VON ARDENNE's XEA|nova L

Invoering

Siliciumzonnecellen op basis van gepassiveerde emitter- en achtercontact (PERC) -technologie hebben niveaus van meerdere gigawatt bereikt bij massaproductie, met conversierendementen (CE's) van 22% en nu bijna 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 racet uit het starthek, met een CE van 23–24% die al is aangetoond op wafers op ware grootte, niet alleen in pilootlijnen maar ook in grootschalige productie [ 1]. Terwijl het Panasonic (voorheen Sanyo) was die pionierde met deze technologie, 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 gestroomlijnde productievolgorde, met slechts vier hoofdstappen die nodig zijn om beide zijden symmetrisch te verwerken:

1. Nat reinigen en structureren van wafels.

2. a-Si: H-afzetting door plasma-versterkte chemische dampafzetting (PECVD).

3. Afzetting van transparante geleidende oxidelagen (TCO) door fysische opdamping (PVD, gewoonlijk sputteren).

4. Zeefdruk van zilveren roosters.

Door de lage temperatuur (GG lt; 200 ° C) processen en de symmetrische apparatenstapel kunnen spanningsgeïnduceerde wafelbuigingen en barsten worden vermeden, waardoor dunne wafels kunnen worden gebruikt, waardoor materiaalkosten en energie worden bespaard. De SHJ-stapel komt van nature voor in een ontwerp met twee gezichten; 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 het gebruik van SHJ-technologie beperken de relatief hoge apparatuurkosten, meestal voor PECVD (maar ook voor PVD), en het aangepaste celcontact voor de fabricage van modules (geen standaard hoge temperatuur solderen). Er is meer Ag-pasta nodig dan voor standaard Si-cellen, vanwege de uitharding bij lage temperatuur, waardoor vingers met een lagere geleidbaarheid worden verkregen; dit hangt echter af van de interconnectiebenadering, met name of rails al dan niet worden gebruikt. Ten slotte, en in meer detail besproken in dit document, zijn doelen nodig voor het sputteren van de TCO-lagen aan beide zijden, die duur zijn voor de materialen die gewoonlijk worden gebruikt.

Indiumoxide (In2O3) gedoopt met tin (Sn), aangeduid als ITO, is momenteel de meest gebruikte TCO [3–5]. Dit transparante geleidende oxide is bekend uit de massaproductie van platte beeldschermen (FPD) en vertoont geschikte opto-elektronische eigenschappen, zoals een lage soortelijke weerstand van dunne lagen en voldoende transparantie in het zichtbare gebied. Een belangrijke overweging voor FPD-productie, ITO kan worden verwerkt door fotolithografie, aangezien het etsbaar is (in de gedeponeerde toestand) en langdurig stabiel is na kristallisatie in de vaste fase na 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 deze volledig uitgegloeid bij temperaturen van rond de 200 ° C, hetgeen wordt bereikt tijdens het sputteren of later tijdens het uitharden van de Ag-pasta na zeefdruk.

In tegenstelling tot FPD's moet TCO aan aanvullende eisen voldoen wanneer het wordt toegepast op de voorzijde van SHJ-cellen, namelijk een uitstekende transparantie in het bredere golflengtebereik van 300–1.100 nm. Fig. 1 toont de absorptiespectra van verschillende TCO-lagen en toont de verschillen in parasitaire absorptie in de korte en lange golflengteregimes. Naast deze lage absorptie zijn lage contactweerstanden met zowel de n- en p-gedoteerde siliciumlagen als met het metalen rooster verplicht voor de TCO-lagen aan beide zijden. Last but not least zijn de kostenbeperkingen van zonnecellen buitengewoon streng, en om PV op terawattschaal voor te stellen, is het essentieel om het gebruik van kritieke of schaarse materialen, zoals indium (of beter nog, te vermijden) In). Het 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 dan een tweede laag moet worden aangebracht om de ideale optische (antireflectie) prestatie 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 aan de voorkant TCO te verminderen, is het gebruik van materialen met een hoge transparantie verplicht. Een hoge mobiliteit van de ladingsdrager, typisch> 100 cm2/ Vs, maakt een vermindering van de draaggolfdichtheid mogelijk (bij constante soortelijke weerstand), waardoor het optische verlies als gevolg van de absorptie van de vrije drager (FCA) wordt verminderd.

Diverse 'high-mobility' TCO-materialen op basis van indiumoxide met verschillende doteringen zijn in het verleden onderzocht [6–13]. Al deze vertonen uitstekende eigenschappen als TCO-lagen op glas en de meeste hebben ook een hoge CE. Doelgerichte fabricage is echter moeilijk en de kosten zijn hoog voor veel van deze materialen.

Er zijn nu nieuwe TCO's beschikbaar die in grootschalige productie kunnen worden verwerkt vanaf roteerbare doelen, die een hoge mobiliteit opleveren en SHJ-cellen met een hoge CE produceren. De omstandigheden waaronder AZO als een indiumvrij en goedkoop alternatief kan worden geïmplementeerd in hoog-efficiënte SHJ-cellen, zullen later worden besproken. Er zal ook een kostenvergelijking van In-gebaseerde en ZnO-gebaseerde doelen worden gepresenteerd.

Figuur 1. Optische absorptiespectra voor verschillende soorten TCO-laagdikte

TCO voor SHJ-zonnecellen

In het verleden zijn verschillende TCO-materialen onderzocht voor toepassing 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-gedoteerd In2O3(ITO) gekweekt bij temperaturen onder 200 ° C, die elektronenmobiliteit (μe) bereikt rond 40 cm2/ 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], geef μe-waarden groter dan 80 cm2/ Vs bij een ladingsdraaggolfdichtheid (ne) variërend van 1 × 1020 tot 3 × 1020 cm-3.

Deze lagen kunnen worden afgezet via magnetronsputteren, gepulseerde laserafzetting (PLD) en ionenplating met DC-boogontlading of reactieve plasma-afzetting (RPD). Van deze is sputteren de meest gevestigde methode voor massaproductie. Een nog hogere mobiliteit van μe> 100 cm2/ Vs kunnen worden bereikt voor in vaste fase gekristalliseerd (SPC) waterstof (H) -gedoteerd2O3(IOH) [6–9] en cerium (Ce) ICeO: H [7] films met 1 × 1020<>< 3="" x="" 1020="">-3. Deze films worden bij lage temperaturen afgezet in een amorfe matrix en vervolgens uitgegloeid 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 voornamelijk 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, leveren goede opto-elektronische eigenschappen [20] en ook stabiliteit [21].

Dunne lagen met een dikte van minder dan 100 nm die zijn 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 een amorf siliciumoxide (a-SiO2) afdekken [23].

Zoals aangegeven door de μeverkregen waarden, en afhankelijk van de verwerkingsomstandigheden, demonstreren de verschillende TCO's een breed scala aan elektronenmobiliteit. De TCO-plaatweerstand (R) bereiken kunnen worden geclassificeerd zoals weergegeven in tabel 1. Hier is een carrier-concentratiebereik 1,5 × 1020<>< 2,0="" x="" 1020="">-3wordt beschouwd: dit is een goed compromis voor het bereiken van een lage FCA, een goede elektrische geleiding en een goede contactvorming met aangrenzende lagen, en een dikte van 75 nm TCO voor antireflectie-eigenschappen.

Door de symmetrie in de SHJ-celverwerking en het gebruik van (n-type) wafers met een zeer lange levensduur van de drager, kan men vrij kiezen welk contact (n of p) naar voren is gericht. 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 achterovergang met alle Rs-bijdragen aangegeven. Een gedetailleerde analyse van Rs-componenten en van hun bijdragen in SHJ-zonnecellen is te vinden in Basset et al. [25] en Wang et al. [28]. De hoge geleidbaarheid, dat wil zeggen dichtheid en mobiliteit, van elektronen in de c-Si-wafer, samen met de zeer lage contactweerstand van het n / TCO-contact, geeft de voorkeur aan de keuze van het n-contact aan de voorkant ('achterste junctie'), omdat het zijwaartse stroomtransport aanzienlijk wordt ondersteund door de wafel. Dit vermindert de geleidbaarheidseis van de TCO (plaatweerstand), waardoor een optimalisatie naar de hoogste transparantie mogelijk is.

Om het effect van de bovengenoemde vrijheid in celontwerp te illustreren, presenteert Fig. 3 gesimuleerde Rs-curven samen met experimentele waarden die zijn geëxtraheerd uit zonnecellen, met een ITO-procesvariatie als functie van de front-TCO-plaatweerstand. De experimentele waarden valideren de trends van het model [27]. Zoals duidelijk te zien is, biedt het ontwerp van de achterovergang een voordeel voor TCO's met hoge weerstand door te profiteren van de laterale ondersteuning bij elektronengeleiding in de Si-wafel. Het ontwerp van de front-junction is daarentegen gunstiger voor TCO-lagen met een lage soortelijke weerstand; dit ontwerp maakt gebruik van de lagere transversale Rs-bijdrage, aangezien elektronen, met een grotere mobiliteit dan gaten, naar de achterkant van de wafer reizen (waarbij fotogeneratie voornamelijk plaatsvindt dichtbij de voorkant). De afweging tussen de laterale en transversale Rs-bijdragen zal bepalen welk zonnecelontwerp het meest geschikt is, afhankelijk van de beschikbare TCO-plaatweerstand.

De Rbereiken 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 ze worden geïmplementeerd in een front-junction-apparaat, terwijl TCO's met middenklasse R(blauw) bevinden zich in een overgangsgebied waar de Rshet verschil tussen voor-kruispunt- en achter-kruispunt-apparaten is vrij klein. Daarentegen zijn TCO's met hoge R(grijs) zijn duidelijk voordelig wanneer ze worden geïmplementeerd in een ontwerp met achterkruising; dit is bijvoorbeeld gunstig voor 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 Berlin hebben SHJ-zonnecellen met zowel ITO- als AZO-gebaseerde front-TCO een gecertificeerde CE van meer dan 23,5% behaald [29].

Een andere benadering die gebruik maakt van de laterale transportondersteuning van de wafer, zoals aangetoond door enkele onderzoeksgroepen [27,30] en in pilootproductie [31], is het implementeren van dunnere TCO's, die de parasitaire absorptie verminderen, waardoor de CE van de zonnecel gehandhaafd of verbeterd wordt. De implementatie van een dunnere TCO-laag vereist echter een tweede laag bovenop, bijvoorbeeld SiO2of Si3N4- om het antireflectie- (AR) -optimum te behouden [32–34].

Om de optische prestaties van verschillende TCO's nauwkeurig te kwantificeren wanneer deze in de celstapel geïmplementeerd zijn, dwz het specifieke verlies in kortsluitstroomdichtheid bepalen (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 figuur 4. Hiervoor werd een referentiezonnecel met CE=23.3 gebruikt. % werd in aanmerking genomen, zonder TCO-gerelateerde verliezen in Jscen Rs(FF). IOH, ITO en AZO werden bestudeerd als voorbeelden van de low-R, midden-Ren hoge Rregimes respectievelijk.

Implementaties van zowel standaard 75 nm dikke ('dikke') als optisch geoptimaliseerde dunnere ('dunne') TCO's werden bestudeerd. Voor een eerlijke vergelijking (dwz om in elk geval in het AR-optimum te blijven), werden alle cellen (met 'dikke' en 'dunne' TCO's) afgewerkt met een a-SiO2afdeklaag. Aangenomen werd dat de contactweerstanden bij de TCO / Ag- en TCO / Si-interfaces (laag en) gelijk 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]. Meer details over 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 van Jsc en een toename van Rs, voor apparaten aan de achterzijde (Fig. 4 (a)) en aan de voorzijde (Fig. 4 (b)). Het is duidelijk dat de IOH beter presteert dan de andere twee TCO's vanwege zijn uitstekende opto-elektronische eigenschappen in beide gevallen. 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 opgemerkt dat het CE-verlies licht afneemt als gevolg van verminderde TCO-parasitaire absorptie. De ITO profiteert duidelijk meer van deze uitdunning, vanwege de relatief hogere parasitaire opname, 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 achterste kruispunten en gunstig zullen zijn in termen van CE.

Als we daarentegen naar het front-junction-ontwerp in figuur 4 (b) kijken, 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 verkleinen van de dikte van de ITO leidt niet tot een CE-voordeel, terwijl het in het geval van de AZO duidelijk nadelig is. Geconcludeerd kan worden dat een hooggeleidende TCO, hier IOH in het voorbeeld, kan worden geïmplementeerd op zowel rear- als front-junction zonnecelconfiguraties 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 aan de voorzijde. Het verdunnen van de TCO op rear-junction zonnecellen 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 het verdunnen 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 een hoge mobiliteit te testen die met een hoge snelheid werden gesputterd door DC-sputteren van buisdoelen, zoals uitgevoerd bij grootschalige massaproductie, werden verschillende materialen gebruikt voor de voorste TCO in bifaciale SHJ-zonnecellen met achterovergang. Er werden twee soorten TCO met hoge mobiliteit getest, namelijk met titanium gedoteerd indiumoxide (ITiO) en indiumoxide met een niet bekendgemaakt dopingtype ('Y'). Daarnaast werd ITO met verschillende dopingconcentraties getest, namelijk met 97% indiumoxide en 3% tinoxide in het doelwit ('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 de voor- en achterkant was ook opgenomen.

Overeenkomstige testlagen op glas lieten TCO-plaatweerstanden zien in het bereik van 36–136 Ω na afzetting en gloeien gedurende 30 minuten bij 200 ° C onder omgevingsomstandigheden, wat vergelijkbaar is met de uitharding die werd uitgevoerd na zeefdrukken. Dit is een geschikt bereik voor de implementatie als frontcontact in SHJ-zonnecellen met achteraftakking, zoals eerder besproken (zie Fig. 3). Er moet echter rekening mee worden gehouden dat TCO-lagen die op glas zijn afgezet, andere eigenschappen (mobiliteit van de drager) kunnen vertonen dan wanneer de lagen op silicium worden afgezet, zoals vereist voor zonnecellen. Dit wordt toegeschreven aan twee effecten [29]: (1) verschillende kristalkiemvorming en dus korrelstructuur; (2) verschillend waterstofgehalte dat diffundeert van de siliciumlaag in de TCO.

De ITiO- en Y-lagen vertonen hoge mobiliteiten tot 90 cm2 / Vs, maar met verschillende ladingsdragerdichtheden, namelijk 2 × 1020cm-3en ~ 0,8 x 1020cm-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 x 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), waardoor dit materiaal het meest veelbelovend is 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 (V.oc), met medianen in het smalle bereik van 737-738 mV. Dit bevestigt dat de passivering niet afnam vanwege verschillende sputterbeschadigingen. Zoals verwacht leverden de zonnecellen met TCO's met hoge mobiliteit de hoogste J opscwaarden, met medianen van 39,0 mA / cm2en 39,2 mA / cm2voor ITiO en Y respectievelijk. Dit is maximaal 0,5 mA / cm2hoger dan bereikt met de referentie ITO97 / 3.

Ondanks de highJscen lekkerVocwaarden produceerden de cellen met een Y-frontcontact echter niet de hoogste efficiëntie. De hoogste mediane CE van 22,9% werd feitelijk verkregen voor ITO99 / ​​1, terwijl de hoogste CE-waarde van 23,3% werd gemeten voor een cel met ITiO. De lagere CE in het geval van de Y-steekproeven is het gevolg van de lagere mediane FF van slechts ongeveer 77%, wat te wijten is aan een waarde van Rs die aanzienlijk hoger is; in feite leveren de cellen met een Y-frontcontact de hoogste mediane Rs-waarden op van 1,3–1,6 Ω cm2. Daarentegen is de mediane Rs-waarde 0,9 Ω cm2voor de ITO99 / ​​1-cellen, resulterend in een significant hogere mediaanFFvan 79,5%.

Tabel 1. Vergelijking van de elektrische eigenschappen van verschillende TCO's.

Figuur 2. Schematische dwarsdoorsneden van zonnecellen van silicium heterojunctie (SHJ) aan de achterzijde van de overgang: (a) ontwerp van bifaciale cellen; (b) ontwerp van monofaciale cellen, met de componenten van de serieweerstand (Rs) weergegeven.

Figuur 3. Serieweerstand versus front-TCO-plaatweerstand voor SHJ-zonnecellen aan de voor- en achterzijde. 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 dragerdichtheid en) hoge mobiliteit TCO is namelijk een aspect dat moet worden aangepakt. Om precies te zijn, de twee belangrijkste componenten van Rshier is de contactweerstand van de TCO's met de n- en p-gedoteerde silicium-contactlagen, die in de literatuur uitvoerig 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 -line [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 leidens, en de resterende waarde wordt dan geconcludeerd als de TCO / p-contactweerstand.

De contactweerstand ρchangt af van de gedetailleerde banduitlijning en bandbuigingen, evenals van de defecttoestanden van de interface; 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. Met betrekking tot de selectie en optimalisatie van TCO-lagen betekent dit het vinden van een optimum voor ne, dat hoog genoeg moet zijn om een ​​voldoende lage ρ te bereikencwaarden, maar moet 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 niveau dat vergelijkbaar is met dat gevonden voor de beste groepen in Fig. 5, wat het belang aantoont van zorgvuldige afstemming van de laag- en interface-eigenschappen.

Figuur 4. Stroomdichtheidsgerelateerd vermogensverlies (Ploss J) en serieweerstandgerelateerd vermogensverlies (Ploss R) voor (a) achterovergang en (b) voorovergang SHJ-cellen. Verlieswaarden voor conversie-efficiëntie (CE) 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 staan ​​voor 75 nm dikke TCO's (standaard) maar met een antireflectiecoating (ARC) erop, terwijl de open symbolen staan ​​voor dunnere (geoptimaliseerde) TCO-lagen, ook met een ARC.

Industriële aspecten: streefkosten

De gebruikelijke typen TCO-doelen die in de kristallijne silicium-PV-industrie worden gebruikt, zijn roteerbare doelen, die cilindrische schalen van het TCO-materiaal zijn die zijn gebonden op een steunbuis van metaal. Hoe langer de buis, hoe meer schalen er voor het buisdoel moeten worden gebruikt. De reden waarom de industrie de voorkeur geeft aan dit type doelwit voor het verstuiven van TCO's, is de veel hogere bezettingsgraad van het TCO-doelmateriaal dan die voor vlakke typen TCO-doelwit. De bezettingsgraad van het doelmateriaal dat kan worden bereikt met een roteerbaar doelwit is gewoonlijk ≥ 80%; dit is met name van belang in het geval dat TCO-materialen duur zijn, zoals op indium gebaseerde TCO's. Wat betreft TCO's in de kristallijne silicium PV-industrie, zijn TCO's op basis van indium dominant vanwege hun uitstekende laageigenschappen (zoals ook eerder werd aangetoond). Niettemin bieden sommige marktspelers ook op zink gebaseerde TCO's aan voor hetzelfde doel. 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 dezelfde afmetingen als die van een op indium gebaseerd doelwit, 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 streefkosten per cm3van buisdoelen voor op zink gebaseerde TCO's en op indium gebaseerde TCO's; merk op dat de kosten van de steunbuis niet in de richtprijs zijn opgenomen. 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 tot dusver door de kristallijne silicium PV-industrie.

Enige spreiding in streefkosten bestaat 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 producenten van zonnecellen met honderden jaarlijkse vraag naar buisdoelen.

Een vergelijking van de laagste waarde in beide groepen onthult dat op Zn gebaseerde TCO's (doelkosten ~ $ 0,6 / cm3) kan ongeveer een kwart van de prijs van in-based TCO's bedragen (richtprijs ~ $ 2,6 / cm3). Er moet echter op worden gewezen dat deze datapunten een momentopname zijn van de huidige situatie en waarschijnlijk binnenkort verouderd zullen raken, afhankelijk van de volatiliteit van de aandelenmarkt met betrekking tot grondstoffen, in het bijzonder indium.

Figuur 5. IV-parameters van 4 cm2 grote bifaciale SHJ-zonnecellen met verschillende front-TCO's en ITO 97/3 aan de achterkant. ITO 95/5, DC gesputterd vanaf 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 grote volumes te hebben die tegen lage kosten een hoogwaardige TCO-coating kan produceren. Fig. 7 toont het zeer productieve XEA|nova L-sputter-systeem van VON ARDENNE, dat TCO-lagen kan deponeren met een doorvoersnelheid van 8.000 M6-wafers per uur in de basisversie, en met een nog hogere doorvoersnelheid door gebruik te maken van upgradepakketten. In 2019 werd de XEA|nova-apparatuur onderdeel van een industriële productielijn die een celrendement van meer dan 24% bereikte met behulp van TCO-films die vergelijkbaar zijn met de films die hier worden onderzocht.

Om een ​​hoge doorvoer te bereiken, moet de afzettingssnelheid van de TCO-lagen hoog zijn, wat kan worden gerealiseerd door een hoog gelijkstroomvermogen aan het buisdoel toe te voeren. De TCO-eigenschappen moeten echter nog behouden blijven wanneer TCO wordt bereid 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 mobiliteit van ongeveer 80 cm2/ Vs kunnen worden bereikt bij een vermogensniveau van 4 kW na afzetting. Een verhoging van het sputtervermogen naar 8 kW vermindert de maximale mobiliteit met maximaal 10%. Het is interessant dat de mobiliteiten verder kunnen worden vergroot, tot 100 cm2/ Vs, door de films gedurende 30 minuten bij 200 ° C te gloeien, zoals getoond in Fig.8.

Figuur 6. Specifieke doelkosten per cm3 doelmateriaal voor op indium gebaseerde en op zink gebaseerde TCO's.

Conclusies

De SHJ-zonneceltechnologie heeft aangetoond een belangrijke speler te zijn op weg naar het vergroten van haar aandeel in grootschalige productie. Dit komt door de zeer hoge omzettingsrendementen die worden behaald en het gestroomlijnde productieproces.

Met betrekking tot de rol van TCO's, moeten er nog drie aspecten worden aangepakt om de vooruitzichten van SHJ-technologie op een verdere doorbraak in de zonnecelindustrie te vergroten:

1. Verdere verbetering van de celprestaties.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 een hoge mobiliteit kunnen worden gesputterd bij hoge doorvoersnelheden, 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. Fijnafstemming van de TCO en de implementatie van contactlagen en / of interface-optimalisatie zullen moeten worden aangepakt om weerstandsverliezen bij 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 een ​​besparing op materiaalkosten te realiseren, is het verlagen van de TCO-dikte; dit is zelfs nog aantrekkelijker met kostbare TCO's met hoge geleidbaarheid (hoge mobiliteit). Er is echter nog een processtap nodig om een ​​tweede, antireflecterende (capping) laag (ARC) op de TCO af te zetten om reflectieverliezen te verminderen. Als alternatief, zoals getoond in dit document, kunnen TCO's met een lagere geleidbaarheid (AZO in het gegeven voorbeeld) worden geïmplementeerd in zonnecellen met achterovergang zonder afbreuk te doen aan CE. Dit wint aan relevantie als het gaat om de kosten: in de gepresenteerde analyse laten ZnO-gebaseerde doelen lagere kosten zien van $ 0,6 / cm3voor doelmateriaal, vergeleken met $ 2,6 / cm3voor in-based doelen. De beperkte stabiliteit van AZO kan worden aangepakt door het bijvoorbeeld af te dekken met een diëlektrische laag (a-SiO2of a-SiNx).

3. Verlaag de kosten van PVD-apparatuur.Schaalvergroting en verhoging van de doorvoer van TCO-productielijnen is de juiste keuze, waarbij DC-sputteren klaar is voor productie met hoge doorvoer van hoogwaardige TCO's.

Erkenningen

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 4 kW en 8 kW van keramische buisdoelen van TCO type 'Y', in de gedeponeerde toestand en na uitgloeien gedurende 30 minuten bij 200 ° C onder omgevingsomstandigheden.

Erkenningen

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& Schmela, M. 2019, "Heterojunction solar technology", Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_NL_ download_version2.pdf].

[2] Ballif, C. et al. 2019, “Oplossing van alle knelpunten voor silicium-heterojunctie-technologie”, Photovoltaics International, 42e editie, p. 85.

[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, "Elektrische eigenschappen en defectmodel van met tin gedoteerde indiumoxidelagen", Appl. Phys. A, Vol. 27, nr. 4, blz. 197-206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].

[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, "Evaporated Sn" gedoteerde In2O3-films: optische basiseigenschappen en toepassingen voor energie-efficiënte 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. Cells, Vol. 95, nr. 8, blz. 2390-2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].

[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, "Vergelijkende studies van transparant 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.& Yamamoto, T. 2015, "Transparante geleidende dunne films met hoge mobiliteit van met cerium gedoteerd gehydrogeneerd indiumoxide", Appl. Phys. Expr., Vol. 8, nr. 1, p. 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 gepulseerd DC magnetron gesputterd met waterstof gedoteerd indiumoxide na gloeien in lucht", Mater. Sci. 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. Cells, 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 gepulseerde laserafzetting", Appl. Phys. Lett., Vol. 87, nr. 11, p. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].

[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, "Atoomlaag 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, "Hooggeleidende 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. Electron. Mater., Vol. 3, nr. 5, p. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].

[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, "Transparante en semitransparante geleidende filmafzetting door reactieve omgeving, holle kathode sputteren", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 23, nr. 4, blz. 1215-1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].

[16] van Hest, MFAM et al. 2005, "Titaniumdoped indiumoxide: een transparante geleider met hoge mobiliteit", Appl. Phys. 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 radiofrequentie magnetron gesputterd indium molybdeen oxide", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 21, nr. 4, blz. 1092-1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].

[19] Warmsingh, C. et al. 2004, "Hoge mobiliteit transparant geleidende Mo-gedoteerde In2O3 dunne films door gepulseerde laserafzetting", 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 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 hittebestendige 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 Al-gedoteerde zinkoxidefilms op gladde en ruwe substraten", 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] Bivour, M. et al. 2014, "Silicium heterojunctie zonnecellen aan de achterzijde: minder beperkingen op de opto-elektrische eigenschappen van TCO's aan de voorzijde", Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 122, blz. 120-129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].

[25] Basset, L. et al. 2018, "Serie-weerstandsanalyse van silicium heterojunctie-zonnecellen geproduceerd op CEA-INES pilootlijn", Proc. 35e EU PVSEC, Brussel, België, pp. 721-724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].

[26] Ling, ZP et al. 2015, "Driedimensionale numerieke analyse van hybride heterojunctie-siliciumwafelzonnecellen met heterojunctie-achterpuntcontacten", AIP Adv., Vol. 5, nr. 7, p. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].

[27] Cruz, A. et al. 2019, "Effect van front-TCO op de prestaties van silicium heterojunctie-zonnecellen aan de achterzijde: inzichten uit simulaties en experimenten", Sol. Energie Mater. Sol. Cells, 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 heterojunctie zonnecelserie weerstandscomponenten te extraheren en de A-Si: H (i / p) te extraheren naar transparant geleidend oxide contactweerstand", 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.& Roux, D. 2019, "De race voor hoge efficiëntie in productie: waarom heterojunctie nu marktrijp is", Proc. 36e EU PVSEC, Marseille, Frankrijk, pp. 1–20.

[31] Strahm, B. et al. 2019, "'HJT 2.0' prestatieverbeteringen en kostenvoordelen voor de productie van silicium heterojunctiecel", Proc. 36e EU PVSEC, Marseille, Frankrijk, pp. 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 anti-reflecterende coating voor heterojunctie silicium zonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 117, blz. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].

[33] Geissbühler, J. et al. 2014, "Silicium heterojunctie zonnecellen met verkoperde roosterelektroden: status en vergelijking met zilverdikfilmtechnieken", 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-stacks voor silicium heterojunctie-zonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cells, 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”, Fotovoltaïsche materialen en apparaten, 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] Bivour, M. et al. 2012, "Verbetering van het a-Si: H (p) achter-emittercontact van n-type siliciumzonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cells, Vol. 106, blz. 11-16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].

[38] Procel, P. et al. 2018, "Theoretische evaluatie van contactstapel voor hoogrenderende IBC-SHJ-zonnecellen", Sol. Energie Mater. Sol. Cells, 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, pp. 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 ladingdragertransport van passiverende contacten", IEEE J. Photovolt., Pp. 1-8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].

[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, "Ohmse contacten voor GaAs-apparaten", Solid-State Electron., Vol. 10, nr. 12, blz. 1213-1218 [https://doi.org/10.1016/0038-1101 (67) 90063-9].

[42] Fellmeth, T., Clement, F.&&; Biro, D. 2014, "Analytische modellering van industrieel gerelateerde siliciumzonnecellen", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 1, blz. 504-513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].