Heimild: vonardenne.biz
Upphaflega birt í Photovoltaics International, 44. útgáfa, maí 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& magnari; Bernd Stannowski1
Útdráttur
Sólarfrumutækni (SHJ) kísil heterojunction er aðlaðandi tækni fyrir stórfellda framleiðslu á sólfrumum með mikla umbreytingar skilvirkni umfram 24%. Einn lykilþáttur SHJ sólarsellna, í mótsögn við nútíma' útbreiddan passivated emitter og aftan snertingu (PERC) frumutækni, er notkun gagnsæ leiðandi oxíðs (TCO), sem hefur í för með sér áskoranir í afköstum og kostnaði en einnig býður upp á tækifæri. Þessi grein fjallar um þessa þætti og sýnir möguleika á að bæta skilvirkni frumna með minni kostnaði með því að nota ný heildarskattstofn sem afhent eru með jöfnum straumi (DC). Þegar um er að ræða SHJ frumur að aftengimótum, er mögulegt að draga úr, eða jafnvel forðast, notkun indíums í slíkum TCO, þar sem áldópað sinkoxíð (AZO) er einn mögulegur staðgengill fyrir Tium, sem byggir á indíumoxíði. Tekið er saman framboð á afkastamiklum TCO fyrir stórfellda fjöldaframleiðslu, sem mun hvetja til markaðsskots SHJ frumna.
Dæmi um fjöldaframleiðslutæki TCO: XEA VON ARDENNE|nova L
Kynning
Kísilsólfrumur byggðar á passivated emitter og aftan snertitækni (PERC) tækni hafa náð margra gígavattstigum í fjöldaframleiðslu, með umbreytingarhagkvæmni (CE) 22% og nálgast nú 23%. Fyrir jafnvel hærri CE-ið eru passivated tengiliðir taldir vera næstu kynslóð frumutækni. Hér er sílikon heterojunction (SHJ) tækni efnilegur frambjóðandi og er í kappakstri út frá upphafshliðinu, þegar hefur verið sýnt fram á CE 23-24% á oblátum í fullri stærð, ekki aðeins í fluglínum heldur einnig í framleiðslu á stærri stærð [ 1]. Þó að það hafi verið Panasonic (áður Sanyo) sem var brautryðjandi í þessari tækni, þá hafa ýmsir aðilar um allan heim í millitíðinni verið að byggja upp eigin framleiðslulínur, svo sem ENEL Green Energy og Hevel Solar í Evrópu, og REC, Jinergy, GS-Solar og ýmsir aðrir í Asíu. Helstu kostir SHJ tækni voru ræddir í nýlegri grein eftir Ballif o.fl. [2]. Fyrir utan hátt CE er lykilkostur SHJ halla framleiðsluröð, með aðeins fjórum meginþrepum sem þarf til að vinna báðar hliðar samhverft:
1. Vothreinsun og áferð á oblátum.
2. a-Si: H útfelling með plasmabættu efnagufagjöf (PECVD).
3. Útfelling gagnsæra leiðandi oxíðlaga (TCO) með líkamlegri gufuútfellingu (PVD, venjulega sputter).
4. Skjárprentun silfurrista.
Vegna lághitastigs (& lt; 200 ° C) ferla og samhverfa tækjabunkans, er hægt að forðast spennu sem orsakast af oblátu og sprungu, sem þýðir að hægt er að nota þunnar oblátur og sparar þannig efniskostnað og orku. SHJ stafla kemur náttúrulega fram í tvífrumu hönnun; þar að auki hafa SHJ frumur lægsta hitastuðul á sviði, venjulega –0,28% / ° C. Samsetning bifaciality og lághitastuðull eykur orkuafrakstur PV kerfis.
Á hinn bóginn eru nokkrir þættir sem takmarka skjóta aukningu á upptöku SHJ tækni tiltölulega háan búnaðarkostnað, aðallega fyrir PECVD (en einnig fyrir PVD), og aðlagaðan frumu sem hefur samband við framleiðslu eininga (enginn venjulegur háhiti lóðmálmur). Meira Ag líma er þörf en fyrir venjulegar Si frumur, vegna lághitastigs ráðhús, sem skilar lægri leiðni fingrum; þetta veltur þó á samtengingaraðferðinni, sérstaklega hvort rútur eru notaðar eða ekki. Að lokum, og nánar er fjallað um í þessari grein, er krafist markmiðs um sputtering TCO laga beggja vegna, sem eru kostnaðarsöm fyrir þau efni sem venjulega eru notuð.
Indíumoxíð (í2O3) dópað með tini (Sn), nefnt ITO, er nú mest notað TCO [3-5]. Þetta gegnsæja leiðandi oxíð er vel þekkt frá fjöldaframleiðslu flatskjás (FPD) og sýnir viðeigandi sjón-rafræna eiginleika, svo sem litla viðnám þunnra laga og nægilegt gagnsæi á sýnilega sviðinu. Mikilvægt íhugun fyrir framleiðslu FPD, ITO er hægt að vinna með ljósritun, þar sem það er etsanlegt (í eins og afhentu ástandi) og er stöðugt til lengri tíma litið eftir föstu kristöllun við hitaleiðslu við 150-200 ° C. Almennt er ITO afhent með jafnstraums (DC) magnetron sputter á stórum svæðum. Jafnvel þó að DC-sputtering valdi upphaflega nokkrum skemmdum á kísilyfirborðinu, er þetta að fullu glóðað við hitastig um 200 ° C, sem næst annað hvort við sputtering eða síðar við ráðhús Ag-límsins eftir skjáprentun.
Öfugt við FPD, þarf TCO að uppfylla viðbótarkröfur þegar það er notað á framhlið SHJ frumna, þ.e. framúrskarandi gegnsæi á breiðara bylgjulengdarsviðinu 300–1100 nm. Mynd 1 sýnir frásogsspektró af ýmsum TCO lögum og sýnir fram á muninn á frásogi sníkjudýra í stuttum og löngum bylgjulengdum. Að auki þessa litlu frásogi, eru lítil snertimótstaða við bæði n- og p-lyfjakísil lögin, svo og við málmgrind, lögboðin fyrir TCO lögin á báðum hliðum. Síðast en ekki síst eru kostnaðartakmarkanir sólfrumna afar strangar og til að sjá fyrir sér PV á teravattskala er nauðsynlegt að draga úr (eða betra, forðast) notkun á mikilvægum eða af skornum skammti, svo sem indíum ( Í). Síðari þáttinn er þó enn erfitt að takast á við, þar sem flest tækjakostnaður tækjakosts inniheldur indíum. Einn valkostur er að minnka þykkt slíkra heildarkostnaðar, sem krefst þess að annað lagið sé afhent til að viðhalda fullkominni sjón (endurkastandi) frammistöðu. Þetta eykur aftur á móti fjölda ferlanna og þar af leiðandi flækjuna og kostnaðinn.
Þessi grein fjallar um hagræðingu TCO fyrir innlimun í SHJ sólfrumur. Mælikvarði er settur fram til að meta og meta mismunandi TCO með tilliti til hæfi þeirra til notkunar í SHJ frumur. Til að draga úr sjónleysi í framsölu TCO er notkun efna með miklu gagnsæi lögboðin. Mikil hleðslutæki, venjulega> 100 cm2/ Vs, gerir kleift að draga úr þéttleika burðarefnis (við stöðuga viðnám) og draga þar með úr sjóntapi vegna frásogs frjálsra burðarefna (FCA).
Ýmis „hreyfanleg“ TCO efni byggð á indíumoxíði með mismunandi lyfjamisnotkun hafa verið rannsökuð að undanförnu [6–13]. Allir þessir sýna framúrskarandi eiginleika sem TCO lög á gleri og flestir þeirra einnig hátt CE. Markframleiðsla er hins vegar erfið og kostnaðurinn er mikill fyrir mörg þessara efna.
Ný TCO sem hægt er að vinna í stórum stíl frá snúningsskotum eru nú fáanleg, sem skilar mikilli hreyfanleika og framleiðir SHJ frumur með mikið CE. Rætt verður síðar um þær kringumstæður þar sem hægt er að útfæra AZO sem indíumlaust og ódýran kost í mjög skilvirkum SHJ frumum. Einnig verður kynntur kostnaðarsamanburður á byggðum og ZnO byggðum markmiðum.
Mynd 1. Ljós frásogsspektróf fyrir ýmsar gerðir af TCO þykkt
TCO fyrir SHJ sólarsellur
Áður hafa nokkur TCO efni verið rannsökuð til notkunar í SHJ sólfrumum. Mikilvægar kröfur til þessarar framkvæmdar eru mikil leiðni og mikil gagnsæi, með vinnsluhitastig undir 200 ° C (vegna næmni þunnfilms sílikon passivation laga), auk góðrar snertimyndunar við nærliggjandi lög [14].
Meðal nokkurra viðeigandi heildarviðskiptagjalda, fjölkristallaðs Sn-doped In2O3(ITO) vaxið við hitastig undir 200 ° C, sem nær rafeindafærni (μe) um 40 cm2/ Vs [3-5], hefur fundið víðtæka notkun í SHJ sólarsellum. TCOs sem byggjast á lyfjum með öðrum málmum, svo sem títan (Ti) [15,16], sirkon (Zr) [6,12,13], mólýbden (Mo) [15,17–19] og wolfram (W) [ 10,11], skila μe gildi stærri en 80 cm2/ V við hleðslutæki (ne) á bilinu 1 × 1020 til 3 × 1020 cm-3.
Hægt er að leggja þessi lög með segulsvif, pulsed laser deposition (PLD) og jónhúðun með DC bogaútblæstri eða reactive plasma deposition (RPD). Af þessum er sputter mest þekktasta aðferðin til fjöldaframleiðslu. Enn meiri hreyfanleiki μe> 100 cm2/ V er hægt að ná fyrir fasta fasa kristölluðu (SPC) vetni (H) -dópað In2O3(IOH) [6-9] og cerium (Ce) ICeO: H [7] filmur með 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Þessar kvikmyndir eru afhentar við lágan hita í formlausu fylki og síðan glæddar við hitastig yfir 150 ° C, sem leiðir til mikilla μe gildi vegna myndunar stórra korna.
TCO sem kynnt voru hér að ofan eru aðlaðandi vegna framúrskarandi sjón-rafvirkni, en hingað til hafa aðallega ITO og IWO: H ratað í iðnaðarframleiðslu. Skortur á indíum er hins vegar hvatning til að innleiða aðra TCO. AZO býður upp á þann kost að hafa meira af samsettum efnum. AZO lög með þykkt nokkur hundruð nanómetra, sputtered við hækkað hitastig> 250 ° C, skila góðum sjón-rafeindareiginleikum [20] og einnig stöðugleika [21].
Þunn lög af þykkt minni en 100 nm afhent við hitastig undir 200 ° C, eins og krafist er fyrir SHJ frumur, sýna öfugt lélega kristalbyggingu, sem leiðir af sér lágt hreyfigildi um 20cm2 / Vs og lélegan stöðugleika til langs tíma [22]. Bættur stöðugleiki fyrir SHJ sólfrumur hefur hins vegar verið sýndur með því að bera á formlaust kísiloxíð (a-SiO2) þak [23].
Eins og gefið er til kynna af μegildi sem fengust, og háð vinnsluskilyrðum, sýna mismunandi heildarvöruskilríki fjölbreytt rafeindaferðir. TCO blaðþolið (R▫) svið má flokka eins og sýnt er í töflu 1. Hér er burðarþéttni svið 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3er talið: þetta táknar góða málamiðlun við að ná lágu FCA, góðri rafleiðni og góðri snertimyndun við nálæg lög og 75 nm TCO þykkt fyrir endurskins eiginleika.
Samhverfan í SHJ frumuvinnslu og notkun (n-gerð) obláta með mjög háan líftíma burðarefnis gerir manni kleift að velja frjálslega hvaða snertingu (n eða p) snýr að framhliðinni. Staða p snertisins (mótanna) hefur áhrif á hagræðingu TCO framhliðarinnar til að fá bæði mikið gagnsæi og lítinn röð viðnám Rsfrumunnar [24–27]. Til að sýna fram á þetta sýnir mynd 2 skýringarmyndir þversniðs af tví- og einlits SHJ sólarsellum í uppstillingarmótum að aftan með öllum Rs framlögum tilgreind. Ítarlega greiningu á Rs íhlutum og framlagi þeirra í SHJ sólarsellum er að finna í Basset o.fl. [25] og Wang o.fl. [28]. Mikil leiðni, þ.e. þéttleiki og hreyfanleiki, rafeinda í c-Si obláti, ásamt mjög lágu snertimótstöðu n / TCO snertisins, leggur áherslu á að n snertingin sé að framan ('aftari mótum'), þar sem flutningur hliðarstraumsins er verulega studdur af oblátinu. Þetta slakar á leiðniskröfu TCO (blaðþol) og gerir þannig fínstillingu í átt að mestu gegnsæi.
Til að sýna fram á áhrif ofangreinds frelsis í frumuhönnun, sýnir mynd 3 hermdar Rs-ferla ásamt tilraunagildum sem unnir eru úr sólarsellum, með breytingum á ITO-ferli sem aðgerð fyrir framan TCO blaðaþol. Tilraunagildin staðfesta þróun líkansins [27]. Eins og glöggt má sjá býður afturmótahönnunin kost á háum mótstöðu TCO með því að njóta hliðarstuðnings í rafeindaleiðni í Si-oblatinu. Framhlaupshönnunin er aftur á móti hagstæðari fyrir TCO-lög með litla viðnám; þessi hönnun nýtir sér lægra framlag Rs, þar sem rafeindir, sem eru með meiri hreyfigetu en holur, ferðast að aftan á oblátinu (þar sem myndun kemur aðallega nálægt framhliðinni). Skiptingin milli hliðar og þverlægra Rs framlaga mun ákvarða hvaða hönnun sólfrumna hentar best, háð því hvaða TCO blaðaþol er í boði.
The R▫svið fyrir mismunandi TCO sem greint er frá í bókmenntunum og eins og þau eru skilgreind í töflu 1 eru sýnd á mynd 3 með samsvarandi litskyggingu. TCO með lágt R▫(rautt) er gagnlegra þegar það er útfært í tengibúnaði að framan, en heildarútgjöld með R-miðju▫(blá) eru á bráðabirgðasvæði þar sem Rsmunur á framhlutamótum og afturmótatækjum er frekar lítill. Aftur á móti, TCO með hátt R▫(gráar) eru greinilega hagstæðar þegar þær eru útfærðar í hönnunarmótum að aftan; þetta er til dæmis hagstætt fyrir AZO þar sem það er mjög gegnsætt en ekki mjög leiðandi en samt framleiðir það sömu SHJ frumu skilvirkni> 23% og ITO viðmiðunarfruman [23]. Í Helmholtz-Zentrum Berlín hafa SHJ sólarsellur með bæði ITO- og AZO-framhlið TCO náð vottuðu CE yfir 23,5% [29].
Önnur nálgun sem nýtir sér stuðninginn við hliðartilflutning á obláta, sem sumir rannsóknarhópar sýna fram á [27,30] og við tilraunaframleiðslu [31], er að innleiða þynnri TCO, sem dregur úr frásogi sníkjudýra og viðheldur þannig eða bætir sólfrumu CE. Útfærsla þynnra TCO-lags þarf hins vegar annað lag ofan á - til dæmis SiO2eða Si3N4- til að viðhalda andhverfingu (AR) sem bestum [32–34].
Til að mæla nákvæmlega sjónárangur mismunandi TCO þegar þeir eru útfærðir í frumustafli, þ.e. ákvarða sérstakt tap í skammhlaupsstraumþéttleika (Jsc) voru gerðar eftirlíkingar með geislaspáhugbúnaðartæki (GenPro4 [35]). Að teknu tilliti til TCO-tengds orkutaps í frumunni vegna bæði aukningar á Rs og lækkunar á Jsc voru mismunandi TCO efni metin, eins og sýnt er á mynd 4. Í þessu skyni var tilvísun sólfrumna með CE=23,3 % var talið, án TCO-tengds taps í Jscog Rs(FF). IOH, ITO og AZO voru rannsökuð sem dæmi um low-R▫, miðjan R▫og hár-R▫stjórnir hver um sig.
Útfærslur á bæði venjulegum 75 nm þykkum ('þykkum') og ljósleiðréttum þynnri ('þunnum') TCO voru rannsökuð. Til að fá sanngjarnan samanburð (þ.e. til að vera í besta falli í öllum tilvikum) voru allar frumur (með 'þykkar' og 'þunnar' TCO) kláraðar með a-SiO2þaklag. Tengiliðurþol við TCO / Ag og TCO / Si tengi var gert ráð fyrir að vera (lágt og) jafnt fyrir öll þrjú TCO, sem er auðvitað einföldun. Þetta verður rætt síðar og er kynnt í Haschke o.fl. [36]. Nánari upplýsingar um bjartsýni á þykkt laga og uppgerðarniðurstöður er að finna í Cruz o.fl. [27].
Línuritin á mynd 4 sýna TCO-tengt orkutap vegna lækkunar á Jsc og hækkunar á Rs, fyrir afturmót (mynd 4 (a)) og framhlið (mynd 4 (b)) tæki. Ljóst er að IOH stendur sig betur en hin tvö heildarviðskiptakostnað vegna framúrskarandi sjón-rafrænna eiginleika í báðum tilvikum. Á mynd 4 (a), sem sýnir þykka ITO og AZO, bæta efnin CE tap þeirra, þar sem lægri leiðni AZO sýnir lægra frásog sníkjudýra en ITO. Þegar þetta er borið saman við þynnri útgáfur af heildarkostnaði, má sjá að CE-tap minnkar lítillega vegna minni TCO sníkjudýra frásogs. ITO græðir greinilega meira á þessari þynningu vegna sambærilegra frásogs sníkjudýra, sem að lokum leiðir til aðeins betra CE en hjá AZO. Þetta sýnir að þynnri heildarafsláttarkostnaður með bættri ljósfræði er hægt að innleiða í stillingum að aftan og verða gagnlegir hvað varðar CE.
Aftur á móti, þegar litið er á hönnunarmót að framan á mynd 4 (b), má sjá að IOH með háleiðni mun ekki þjást af lægra flutningsframlagi þvermálsins. Lægri leiðni ITO og AZO auka hins vegar viðnámstjón. Að lækka þykkt ITO leiðir ekki til CE-forskots en þegar um AZO er að ræða er það augljóslega ókostur. Það má draga þá ályktun að TCO með mikilli leiðni, hér IOH í dæminu, sé hægt að útfæra bæði á sól- og frumuuppsetningum að aftan og framan án þess að mikill munur sé á CE tapi. TCO með lægri leiðni - svo sem ITO og AZO - munu þjást af hærri hliðar Rs sem er til staðar í framstillingarmótum. Þynning TCO á sólarsellur að aftengingu er hagstæð ef TCO fer yfir ákveðin frásogarmörk, jafnvel fyrir TCO með litla leiðni, hér AZO í dæminu. Í hönnun framhliða mun þynningin aðeins skila litlum ávinningi, eða jafnvel geta verið óhagstæð fyrir minni leiðni TCO eins og AZO.
Árangur iðnaðar háhreyfanlegra heildarkostnaðar
Í því skyni að prófa háhreyfanlegan heildarstyrk, sem sputterað er með miklum hraða með DC-sputter frá rörarmörkum, eins og framkvæmt er í stórum stíl fjöldaframleiðslu, voru mismunandi efni notuð fyrir framhliðina í framhlið SHJ sólfrumna. Tvær gerðir af háum hreyfigetu TCO voru prófaðar, það er títan-dópað indíumoxíð (ITiO) og indíumoxíð með ótilgreindri lyfjategund ('Y'). Að auki var ITO með mismunandi lyfjaþéttni prófað, sem innihélt 97% indíumoxíð og 3% tinoxíð í markinu ('97 / 3 ') og ITO 99/1. Sem viðmiðunarefni var ITO 97/3 útfært á aftari hlið allra frumna. Einnig var innifalinn hópur frumna með ITO 95/5 bæði að framan og aftan.
Samsvarandi prófunarlög á gleri leiddu í ljós TCO blaðaþol á bilinu 36–136 Ω eftir útfellingu og glæðingu í 30 mínútur við 200 ° C við umhverfisaðstæður, sem er sambærilegt við ráðhúsið sem gerð var eftir skjáprentun. Þetta er heppilegt svið fyrir framkvæmdina sem framsnertur í SHJ sólarsellum að aftengingu, eins og áður var fjallað um (sjá mynd 3). Það verður þó að taka með í reikninginn að TCO lög sem eru lögð á gler geta haft aðra eiginleika (burðargetu) en þau sem lögin eru sett á kísil, eins og krafist er fyrir sólfrumur. Þetta hefur verið rakið til tveggja áhrifa [29]: (1) mismunandi kristalkjarnunar og þess vegna kornbyggingar; (2) mismunandi vetnisinnihald sem dreifist frá kísillaginu í TCO.
ITiO og Y lögin sýna mikla hreyfanleika allt að 90cm2 / V, en með mismunandi þéttleika hleðslutækisins, þ.e. 2 × 1020sentimetri-3og ~ 0,8 × 1020sentimetri-3hver um sig. Fyrir ITO97 / 3 og ITO99 / 1 kvikmyndir, lægri hreyfigildi, um 60 og 70 cm2/ Vs við þéttleika hleðslutækisins 2,7 × 1020 cm-3og 1,8 × 1020sentimetri-3hver um sig, voru mæld. Sem afleiðing af mjög lágum þéttleika hleðsluflutningsaðila sýndu Y filmurnar lægsta frásog sníkjudýra í nær-innrauðum svæðum (sjá mynd 1), sem gerir þetta efni það vænlegasta til að ná hæsta Jsc og hugsanlega hæsta CE í sólarsellum.
TheI–Vbreytur hvers prófunarhóps eru sýndar á mynd 5. Allar frumur sýna sambærilega opna hringrásarspenna (Voc), með miðgildi á þröngu bili 737–738 mV. Þetta staðfestir að óvirkni hrörnaðist ekki vegna mismunandi spunatjóns. Eins og við var að búast skiluðu sólarsellur með mikla hreyfigetu TCO hæsta Jscgildi, með miðgildi 39,0 mA / cm2og 39,2 mA / cm2fyrir ITiO og Y í sömu röð. Þetta er allt að 0,5 mA / cm2hærri en náð var með tilvísuninni ITO97 / 3.
Þrátt fyrir háttJscog gottVocgildi, en frumurnar með Y-framan snertingu skiluðu ekki mestri virkni. Hæsta miðgildi CE 22,9% fékkst í raun fyrir ITO99 / 1 en hæsta gildi CE 23,3% mældist fyrir frumu með ITiO. Lægra CE þegar um Y sýni er að ræða er aðeins lægri miðgildi FF sem er um 77%, sem stafar af gildi Rs sem er töluvert hærra; í raun skila frumurnar með Y-framan snertingu hæstu miðgildi Rs-gildanna 1,3-1,6 Ω cm2. Hins vegar er miðgildi Rs 0,9 Ω cm2fyrir ITO99 / 1 frumurnar, sem skilar sér í marktækt hærra miðgildiFFaf 79,5%.
Tafla 1. Samanburður á rafeiginleikum mismunandi TCO.
Mynd 2. Skýringarmynd þversniðs af kísil heterojunction (SHJ) sólfrumum að aftan: (a) tvífrumuhönnun; (b) einhliða frumuhönnun, með þætti í röð viðnám (Rs) sýndar.
Mynd 3. Röðviðnám gagnvart TCO blaðþol fyrir SHJ sólfrumur að framan og aftan. Ferlarnir tákna hermaðar niðurstöður en reitirnir benda til niðurstaðna fyrir mældar frumur með ITO afbrigði.
Mikilvægi lágs snertimóts
Mikil röð viðnám frumna með (lágan burðarþéttleika og) hreyfanlegan TCO er í raun þáttur sem þarf að takast á við. Nánar tiltekið, tveir meginþættir Rshér eru snertimótstöðu TCO við n- og p-doped kísil snertilögin sem hafa verið rannsökuð ítarlega í bókmenntum [37–40]. Þegar um er að ræða n-dópaða c-Si-byggðar sólfrumur, getur snertimótstaða TCO við n-dópað Si-lögin einkennst af ýmsum, tiltölulega einföldum aðferðum, svo sem Cox og Strack [41] eða sendingu -lína [42] aðferðir. Snertingarþol TCO við p-doped Si lagið (TCO / p), þvert á móti, er erfiðara aðgengi, vegna þess að mót myndast. Eins og Basset o.fl. [21] og Wang o.fl. [24], til dæmis, einföld aðferð til að draga úr gildi Rshluti er að leiða alla aðgengilega hluti Rsog afgangsgildið er síðan ályktað sem TCO / p snertimótstaða.
Snertimótstaðan ρcveltur á nákvæmri röðun hljómsveitarinnar og sveigju hljómsveitarinnar, sem og á ástandi viðmótsgalla; þess vegna eru nokkrar breytur mikilvægar, sérstaklega virkjunarorka dópaða Si lagsins og þéttleiki hleðsluflugvélarinnar, en einnig munurinn á vinnuaðgerðinni milli beggja efnanna. Procel o.fl. [38] sýndi að ρcer í lágmarki þegar dópuðu lögin sýna lágt virkjunarorkugildi, svo sem þau sem fást með nanókristallaðri kísilög í stað myndlausra laga.
Þar að auki ætti hleðsluflutningsþéttleiki TCO að vera vel yfir 1 × 1020sentimetri-3; þetta er sérstaklega mikilvægt fyrir TCO / p snertingu, þar sem skilvirk sameining holu og rafeinda við snertingu er nauðsynleg. Varðandi val og hagræðingu TCO laga felur þetta í sér að finna hámark fyrir ne, sem verður að vera nógu hátt til að ná nægilega lágu ρcgildi, en á sama tíma, verða að vera eins lág og mögulegt er til að takmarka frásog sníkjudýra (FCA).
Í nýlegri tilraun var Y lag með hærri burðarþéttleika valið; Mynd 8 sýnir þá eiginleika sem eru í boði með því að stilla ferlið. Reyndar, fyrir aðlagað TCO, náði fruman FF, en á kostnað lítillar lækkunar á Jscvegna viðbótar FCA. Á heildina litið jókst CE enn upp á svipað stig og það sem fannst fyrir bestu hópa á mynd 5, sem sýnir fram á mikilvægi þess að stilla lagið vel og tengi eiginleika.
Mynd 4. Straumþéttni tengd orkutap (Ploss J) og seríuþolstengt rafmagn (Ploss R) fyrir (a) aftengimót og (b) SHM frumur að framan. Viðmiðunargildi viðskipta (CE) tap eru merkt með strikuðu línunum; þetta tap er miðað við viðmiðunarsellu með 23,3% CE, táknað með fjólubláa demantinum við (0,0). Fylltu táknin tákna 75 nm þykk TCO (venjuleg) en með endurskinshúð (ARC) að ofan, en opnu táknin tákna þynnri (bjartsýni) TCO lög, einnig með ARC.
Iðnaðarþættir: markmiðskostnaður
Algengar tegundir TCO miða sem notaðar eru í kristalla kísil PV iðnaðinum eru snúanleg skotmörk, sem eru sívalur skeljar af TCO efni tengt á stuðningsrör úr málmi. Því lengur sem slönguna er, því fleiri skeljar verður að nota fyrir slöngumarkið. Ástæðan fyrir því að iðnaðurinn kýs frekar þessa tegund af skotmörkum fyrir sputtering af TCO er miklu hærri nýtingarhlutfall TCO markmiðsefnisins en fyrir planar tegundir TCO target. Nýtingarhlutfall markefnis sem náðist með snúningsmarki er venjulega ≥80%; þetta er sérstaklega áhugavert í tilfellinu þar sem TCO efni eru dýr, svo sem Tium innheimt. Hvað varðar TCO í kristölluðum kísil PV iðnaði eru Indium byggð TCO ríkjandi vegna framúrskarandi laga eiginleika þeirra (eins og einnig var sýnt fram á áðan). Engu að síður, sumir markaðsaðilar bjóða einnig sink-undirstaða TCO í sama tilgangi. Reyndar eru kostir og gallar við notkun sink-byggðra TCO. Einn kostur er lægri kostnaður við sinkmiðað rörrör miðað við mál eins og indíum byggt miða, en lægri leiðni sinks hefur nokkrar skorður í hönnun sólarsella, eins og áður var fjallað um og sýnt á mynd 3.
Mynd 6 sýnir sérstakan kostnað á cm3af röramarkmiðum fyrir sink-byggt TCO og indium byggt TCO; athugið að kostnaður við bakrör er undanskilinn markmiðskostnaði. Gagnapunktunum var safnað frá markaðilum um allan heim. Minni fjölda gagnapunkta fyrir sink byggð TCO má rekja til skorts á áhuga fyrir því efni sem kristallaður kísill PV iðnaður hefur sýnt hingað til.
Einhver dreifing í markmiðskostnaði er til vegna mismunandi efna innan sinkhópsins og innan indíumhópsins eða vegna mismunandi birgja. Gagnapunktana sem tákna hærri markmiðskostnað í báðum hópunum er hægt að skýra með sjaldgæfari samsetningum og / eða kostnaðarsömum framleiðsluferlum og / eða háum framlegð. Gagnapunktar lægri kostnaðar sem sést hafa í báðum hópum ættu að vera dæmigerð kostnaðargildi fyrir sólfrumuframleiðendur með nokkur hundruð árleg eftirspurn eftir túpum.
Samanburður á lægsta gildi í báðum hópum leiðir í ljós að Zn-byggð TCO (markmiðskostnaður ~ $ 0,6 / cm3) getur verið um fjórðungur af verði innbyggðra heildarútgjalda (markmiðskostnaður ~ $ 2,6 / cm3). Rétt er þó að benda á að þessir gagnapunktar eru skyndimynd af núverandi ástandi og verða brátt líklega úreltir, allt eftir sveiflum hlutabréfamarkaðarins með tilliti til efnis í fóðri, einkum indíums.
Mynd 5. I – V breytur 4cm2 stærðar tvístígandi SHJ sólarsellur með ýmsum TCO framan og ITO 97/3 að aftan. ITO 95/5, DC sputtered frá rör miða á HZB, var með sem viðmiðun.
Iðnaðarþættir: fjöldaframleiðsla
Fyrir utan löngunina til að innleiða Indium-frjáls TCO með það að markmiði að bæta rekstrarútgjöld (OPEX), þá er það best að hafa mikið magn af framleiðslu sputtering tóli sem getur framleitt hágæða TCO húðun með litlum tilkostnaði. Mynd 7 sýnir mjög afkastamikið XEA|nova L sputter kerfi frá VON ARDENNE, sem getur lagt TCO lög við afköst 8.000 M6 obláta á klukkustund í grunnútgáfunni og við enn meiri afköst með því að nota uppfærslupakka. Á árinu 2019 varð XEA|nova búnaðurinn hluti af iðnaðarframleiðslulínu sem náði yfir 24% skilvirkni frumna með því að nota TCO filmur svipaðar þeim sem hér voru rannsakaðar.
Til þess að ná miklu afköstum verður útfellingarhlutfall TCO-laganna að vera hátt, sem hægt er að átta sig á með því að beita miklum DC afli á rörmarkið. Samt sem áður þarf að viðhalda eiginleikum TCO þegar TCO er búið til við meiri aflþéttleika. Mynd 8 sýnir rafeindaferðir og þéttleika hleðsluflutnings TCO kvikmynda, sputteraðar við 4kW og 8kW frá keramikrörumörum af TCO gerð 'Y'. Mikil hreyfanleiki er um 80 cm2/ Vs gæti náðst á aflstiginu 4kW eftir útfellingu. Aukning á sputtering aflinu í 8 kW dregur úr hámarks hreyfigetu að hámarki 10%. Það er athyglisvert að hægt væri að auka farsímana frekar, allt að 100 cm2/ Vs, með því að glæða filmurnar í 30 mínútur við 200 ° C, eins og sýnt er á mynd 8.
Mynd 6. Sérstakur markmiðskostnaður á hvern cm3 af markmiðsefnum fyrir innkaup og sink byggt á heildar TCO.
Ályktanir
SHJ sólarsellutækni hefur sýnt sig vera mikilvægur aðili á leiðinni til að auka hlut sinn í stórframleiðslu. Þetta er vegna mjög mikillar umbreytingarárangurs sem náðst hefur og halla framleiðsluferli.
Varðandi hlutverk TCO, þá þarf enn að takast á við þrjá þætti til að auka möguleika SHJ tækni til að gera frekari sókn í sólarselluiðnaðinn:
1. Bæta enn frekar frammistöðu frumna.Þessu er hægt að ná með því að innleiða heildarafsláttarkostnað sem hentar til fjöldaframleiðslu. Sýnt var fram á að hægt er að þyrla hámarks hreyfanlegum heildarkostnaði við mikla afköst og þessir heildarkostnaður var prófaður í SHJ sólfrumum. Þrátt fyrir að CE slíkra SHJ frumna sé hátt, er það enn á eftir því sem viðmiðunarfrumur eru með bestu ITO framhliðarkostnaðinn, þrátt fyrir minni frásog og meiri hreyfanleika. p-lyfjakísil tengiliði. Fínstilla TCO og innleiðingu snertilaga og / eða hagræðingar viðmóts þarf að taka til til að draga enn frekar úr viðnámstapi við þessi viðmót og þar með ávinningur af betri TCO eiginleikum.
2. Draga úr notkun á skornum (og dýrum) efnum, einkum indíum.Aðlaðandi valkostur til að átta sig á sparnaði í efniskostnaði er að draga úr þykkt TCO; þetta er enn meira aðlaðandi með kostnaðarsaman flutningsgetu fyrir mikla leiðni (mikla hreyfanleika). Hins vegar er þörf á öðru ferlisskrefi til að leggja annað, endurkastandi (þak) lag (ARC) ofan á TCO til að draga úr speglunartapi. Að öðrum kosti, eins og sýnt er í þessari grein, er hægt að framkvæma lægri leiðni TCO (AZO í dæminu hér að ofan) í sólarsellur að aftengingu án þess að skerða CE. Þetta hefur þýðingu hvað varðar kostnað: í greiningunni sem kynnt er sýna ZnO markmið miða við lægri kostnað við $ 0,6 / cm3fyrir miðunarefni samanborið við $ 2,6 / cm3fyrir byggð markmið. Hægt er að takast á við takmarkaðan stöðugleika AZO með því til dæmis að hylja það með raflagi (a-SiO2eða a-SiNx).
3. Lækkaðu PVD búnaðarkostnað.Að stækka og auka afköst framleiðslulína TCO er leiðin, þar sem DC-sputter er tilbúinn til framleiðslu á afkastamiklum heildarafköstum.
Þakkir
Fjármögnun þýska sambandsráðuneytisins vegna efnahags- og orkumála (BMWi) innan ramma Dynasto verkefnisins undir # 0324293 er þakklát fyrir.
Mynd 8. Rafeiginleikar TCO laga sputtered við 4kW og 8kW frá keramikrörumörkum af TCO gerð 'Y', í eins og afhentu ástandi og eftir glæðingu í 30 mínútur við 200 ° C við umhverfisaðstæður.
Þakkir
Fjármögnun þýska sambandsráðuneytisins vegna efnahags- og orkumála (BMWi) innan ramma Dynasto verkefnisins undir # 0324293 er þakklát fyrir.
Tilvísanir
[1] Chunduri, SK&magnari; Schmela, M. 2019, „Heterojunction solar technology“, Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_EN_ download_version2.pdf].
[2] Ballif, C. o.fl. 2019, „Að leysa alla flöskuhálsa fyrir kísil-heterojunction tækni“, Photovoltaics International, 42. útgáfa, bls. 85.
[3] Frank, G.&magnari; Köstlin, H. 1982, „Rafmagns eiginleikar og galla líkan af tin-dópuðum indíumoxíð lögum“, Appl. Phys. A, bindi. 27, nr. 4, bls. 197–206 [https: // doi. org / 10.1007 / BF00619080].
[4] Hamberg, I.&magnari; Granqvist, CG 1986, „Evaporated Sn» doped In2O3 filmur: Grunnljós eiginleikar og forrit til orkusparandi glugga “, J. Appl. Phys., Bindi. 60, nr. 11, bls. R123 – R160 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.337534].
[5] Balestrieri, M. o.fl. 2011, „Einkenni og hagræðing af indíum tini oxíðfilmum fyrir hitasöfnun sólfrumna“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 95, nr. 8, bls. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.&magnari; Kondo, M. 2007, „Samanburðarrannsóknir á gegnsæjum leiðandi Ti-, Zr- og Sn-dópuðu In2O3 með því að nota sameiningaraðferð“, J. Appl. Phys., Bindi. 101, nr. 6, bls. 063713 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.&magnari; Yamamoto, T. 2015, „Gagnsæ leiðandi þunnar filmur af cerium-dópuðu vetnuðum indíumoxíði“ með mikilli hreyfanleika “, Appl. Phys. Framsfl., Árg. 8, nr. 1, bls. 015505 [https: // doi. org / 10.7567 / APEX.8.015505].
[8] Macco, B. o.fl. 2014, „Mikil hreyfanleiki In2O3: H gegnsæ leiðandi oxíð unnin með útfellingu lotukerfis og kristallaðri fastafasa“, physica status solidi (RRL), bindi. 8, nr. 12, bls. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. o.fl. 2019, „Bættir rafeiginleikar púlsaðs DC magnetron sputtered vetnisdópað indíumoxíð eftir glæðingu í lofti“, Mater. Sci. Semicon. Proc., Bindi. 89, bls. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. o.fl. 2016, „Volframdópað indíumoxíðfilmur: Tilbúinn fyrir tvíþætta koparmetallisering kísil heterojunction sólfrumu“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 144, bls. 359–363 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF o.fl. 2005, „Mikil rafeindafærni með W-lyfjameðferð In2O3 þunnum kvikmyndum með púlsaðri leysiútfellingu“, Appl. Phys. Lett., Bindi. 87, nr. 11, bls. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.&magnari; Leskelä, M. 2003, „Vöxtur atómlags útfellingar af sirkóníum dópaðri In2O3 kvikmyndum“, Thin Solid Films, Vol. 440, nr. 1, bls. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090 (03) 00822-8].
[13] Morales-Masis, M. o.fl. 2018, „Mjög leiðandi og breiðband gagnsætt Zr-dópað In2O3 sem rafskaut að framan fyrir sólfrumur“, IEEE J. Photovolt., Bls. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. o.fl. 2017, „Gegnsæ rafskaut til skilvirkrar rafsjónauka“, Adv. Rafeind. Mater., Bindi. 3, nr. 5, bls. 1600529 [https: // doi. org / 10.1002 / aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE&magnari; Guo, SY 2005, „Gegnsæ og hálfgagnsæ leiðandi filmuútfelling með hvarfgjarnu umhverfi, holur bakskautssputter“, J. Vac. Sci. Technol. A, bindi. 23, nr. 4, bls. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM o.fl. 2005, „Titaniumdoped indium oxide: A high-hreyfanlegur gegnsær leiðari“, Appl. Phys. Lett., Bindi. 87, nr. 3, bls. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. o.fl. 2001, „Ný gegnsæ leiðandi þunn kvikmynd In2O3: Mo“, Thin Solid Films, Vol. 394, nr. 1–2, bls. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090 (01) 01142-7].
[18] Yoshida, Y. o.fl., „Þróun magnetfrekvens magnetron sputtered indium molybdenum oxide“, J. Vac. Sci. Technol. A, bindi. 21, nr. 4, bls. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. o.fl. 2004, „Gagnsæ gagnsæ leiðandi Mo-doped In2O3 þunnar filmur með púlsuðum leysiútfellingu“, J. Appl. Phys., Bindi. 95, nr. 7, bls. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. o.fl. 2010, „Bættur rafmagnsflutningur í al-dópuðu sinkoxíði með hitameðferð“, J. Appl. Phys., Bindi. 107, nr. 1, bls. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. o.fl. 2014, „Damp hit stabile doped sink oxide films“, Thin Solid Films, Vol. 555, bls. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. o.fl. 2011, „Dæmur hitastöðugleiki al-dópaðra sinkoxíðfilma á sléttum og gróft undirlag“, Thin Solid Films, Vol. 520, nr. 4, bls. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB o.fl. 2018, „ITO-frjáls sílikon heterojunction sólfrumur með ZnO: Al / SiO2 rafskaut að framan sem ná umbreytingarhagkvæmni 23%“, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, nr. 1, bls. 1–6 [https: // doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. o.fl. 2014, „Sílikellur úr kísilhitauppstreymi að aftan frá lofti: Minni takmörkun á ljósfræðilegum eiginleikum heildarútgjalda TCO“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 122, bls. 120–129 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. o.fl. 2018, „Röðunarþol sundurliðunar á kísilfrumuaflsólum framleiddar á CEA-INES fluglínu“, Proc. 35. ESB PVSEC, Brussel, Belgía, bls. 721–724 [https: // doi. org / 10.4229 / 35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP o.fl. 2015, „Þrívíddar töluleg greining á tvinnblandaðri heterojunction kísilplötu sólarsellum með tengiliðum að aftanpunkti“, AIP Adv., Bindi. 5, nr. 7, bls. 077124 [https: // doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. o.fl. 2019, „Áhrif TCO að framan á frammistöðu kísil heterojunction sólfrumna að aftan: Innsýn úr eftirlíkingum og tilraunum“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 195, bls. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. o.fl. 2019, „Einföld aðferð með greiningarmódeli til að draga úr viðnámshlutum sólfrumuraðra frumna og draga út A-Si: H (i / p) til gegnsæra leiðandi oxíðsnertunarþols“, AIP Conf. Proc., Bindi. 2147, nr. 1, bls. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. o.fl. 2019, „Áhrif kísillaga á vöxt ITO og AZO í sílikon heterojunction sólarsellum“, IEEE J. Photovolt., Bls. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.&magnari; Roux, D. 2019, „Hlaupið að mikilli skilvirkni í framleiðslu: Hvers vegna heterojunction er nú tilbúið fyrir markað“, Proc. 36. ESB PVSEC, Marseille, Frakklandi, bls. 1–20.
[31] Strahm, B. o.fl. 2019, „HJT 2.0“ árangursbætur og kostnaðarávinningur fyrir framleiðslu kísilfrumufrumnafrumna, Proc. 36. ESB PVSEC, Marseille, Frakklandi, bls. 300–303 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. o.fl. 2013, „Hönnun og tilbúningur SiOx / ITO tvöfalt lags andspeglunarhúð fyrir heterojunction kísilsólfrumur“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 117, bls. 132–138 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. o.fl. 2014, „Sólfrumur úr kísilofhverfu með koparhúðuðum rafskautum: Staða og samanburður við silfurþykka filmutækni“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 4, bls. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY o.fl. 2016, „ITO / SiOx: H staflar fyrir kísilfrumuofsólfrumur“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 158, 1. hluti, bls. 98–101 [https: // doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, „Handbók fyrir ljósgerðarhugbúnað fyrir sólarsellur: GENPRO4“, Ljósgeislavirk efni og tæki, Tækniháskólinn í Delft.
[36] Haschke, J. o.fl. 2020, „Hliðarflutningur í kísilsólfrumum“, J. Appl. Phys., Bindi. 127 [https: // doi. org / 10.1063 / 1.5139416].
[37] Bivour, M. o.fl. 2012, „Að bæta a-Si: H (p) snertiskil að aftan frá kísilsólfrumum af n-gerð“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 106, bls. 11–16 [https: // doi. org / 10.1016 / j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. o.fl. 2018, „Fræðilegt mat á snertistafla fyrir IBC-SHJ sólfrumur með mikilli skilvirkni“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol. 186, bls. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. o.fl. 2019, „Snertimótstaða TCO / a-Si: H / c-Si heterojunction“, Proc. 36. ESB PVSEC, Marseille, Frakklandi, bls. 538–540 [https: // doi. org / 10.4229 / EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. o.fl. 2019, „Áhrif fléttuoxíða við TCO / dópað Si þunnfilmusnerti á flutningshleðslu snertilausa tengiliða“, IEEE J. Photovolt., Bls. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH&magnari; Strack, H. 1967, „Ohmic contact for GaAs devices“, Solid-State Electron., Vol. 10, nr. 12, bls. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101 (67) 90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.&magnari; Biro, D. 2014, „Analytical modelling of industrial-related silicium solar cells“, IEEE J. Photovolt., Vol. 4, nr. 1, bls. 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
