Fonte:vonardenne.biz
Pubblicato originariamente su Photovoltaics International, edizione 44, maggio 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amplificatore; Bernd Stannowski1
Astratto
La tecnologia delle celle solari ad eterogiunzione al silicio (SHJ) è una tecnologia interessante per la produzione su larga scala di celle solari con un'elevata efficienza di conversione oltre il 24%. Un elemento chiave delle celle solari SHJ, in contrasto con la diffusa tecnologia delle celle a emettitore passivato e a contatto posteriore (PERC) di oggi&n. presenta opportunità. Questo documento discute questi aspetti e mostra il potenziale per migliorare l'efficienza delle celle a costi ridotti utilizzando nuovi TCO depositati dallo sputtering in corrente continua (DC). Nel caso delle celle SHJ a giunzione posteriore, è possibile ridurre, o addirittura evitare, l'uso di indio in tali TCO, con l'ossido di zinco drogato con alluminio (AZO) come possibile sostituto dei TCO a base di ossido di indio. Viene riassunta la disponibilità di TCO ad alte prestazioni per la produzione di massa su larga scala, che incoraggerà la penetrazione nel mercato delle celle SHJ.
Esempio di apparecchiature per la produzione di massa TCO: XEA|nova L . di VON ARDENNE
introduzione
Le celle solari al silicio basate sulla tecnologia dell'emettitore passivato e del contatto posteriore (PERC) hanno raggiunto livelli multi-gigawatt nella produzione di massa, con efficienze di conversione (CE) del 22% e ora vicine al 23%. Per CE ancora più elevati, i contatti passivati sono considerati la prossima generazione della tecnologia cellulare. Qui, la tecnologia dell'eterogiunzione di silicio (SHJ) è un candidato promettente e sta correndo fuori dal cancello di partenza, con un CE del 23-24% che è già stato dimostrato su wafer a grandezza naturale, non solo nelle linee pilota ma anche nella produzione su larga scala [ 1]. Sebbene sia stata Panasonic (ex Sanyo) a pioniere di questa tecnologia, nel frattempo vari attori in tutto il mondo hanno costruito le proprie linee di produzione, come ENEL Green Energy e Hevel Solar in Europa, e REC, Jinergy, GS-Solar e vari altri in Asia. I principali vantaggi della tecnologia SHJ sono stati discussi in un recente articolo di Ballif et al. [2]. Oltre all'elevata CE, un vantaggio chiave di SHJ è la sequenza di produzione snella, con solo quattro passaggi principali necessari per la lavorazione simmetrica di entrambi i lati:
1. Pulizia a umido e testurizzazione dei wafer.
2. a-Si:H deposizione mediante deposizione chimica in fase vapore potenziata con plasma (PECVD).
3. Deposizione di strati di ossido conduttivo trasparente (TCO) mediante deposizione fisica da vapore (PVD, solitamente sputtering).
4. Serigrafia di griglie argentate.
Grazie ai processi a bassa temperatura (& lt;200 °C) e allo stack del dispositivo simmetrico, è possibile evitare la flessione e la fessurazione del wafer indotte da sollecitazioni, il che significa che è possibile utilizzare wafer sottili, risparmiando così sui costi dei materiali e sull'energia. Lo stack SHJ si trova naturalmente in un design cellulare bifacciale; inoltre, le celle SHJ hanno il coefficiente di temperatura più basso del campo, tipicamente -0,28 %/°C. La combinazione di bifaccialità e basso coefficiente di temperatura aumenta la resa energetica di un impianto fotovoltaico.
D'altro canto, alcuni dei fattori che limitano un rapido aumento della diffusione della tecnologia SHJ sono i costi relativamente elevati delle apparecchiature, principalmente per PECVD (ma anche per PVD), e il contatto delle celle adattato per la produzione di moduli (nessuna saldatura). È necessaria più pasta Ag rispetto alle celle Si standard, a causa della polimerizzazione a bassa temperatura, che produce dita a conduttività inferiore; questo, tuttavia, dipende dall'approccio di interconnessione, in particolare dall'utilizzo o meno delle sbarre. Infine, e discusso più dettagliatamente in questo documento, sono necessari obiettivi per sputtering degli strati TCO su entrambi i lati, che sono costosi per i materiali che vengono solitamente impiegati.
Ossido di indio (In2O3) drogato con stagno (Sn), indicato come ITO, è attualmente il TCO più comunemente usato [3-5]. Questo ossido conduttivo trasparente è ben noto dalla produzione di massa di display a schermo piatto (FPD) e presenta proprietà optoelettroniche adeguate, come bassa resistività di strati sottili e sufficiente trasparenza nel campo del visibile. Una considerazione importante per la produzione di FPD, ITO può essere elaborato mediante fotolitografia, poiché è attaccabile (nello stato depositato) ed è stabile a lungo termine dopo la cristallizzazione in fase solida su ricottura termica a 150-200 ° C. Generalmente, ITO viene depositato da magnetron in corrente continua (DC) che sputtering su vaste aree. Anche se lo sputtering DC provoca inizialmente alcuni danni alla passivazione superficiale del silicio, questa viene completamente ricotta a temperature di circa 200 °C, che vengono raggiunte durante lo sputtering o successivamente durante la polimerizzazione della pasta Ag dopo la serigrafia.
A differenza degli FPD, il TCO deve soddisfare requisiti aggiuntivi quando applicato al lato anteriore delle celle SHJ, ovvero un'eccellente trasparenza nell'intervallo di lunghezze d'onda più ampio 300-1.100 nm. La Fig. 1 mostra gli spettri di assorbimento di vari strati di TCO, dimostrando le differenze nell'assorbimento dei parassiti nei regimi a lunghezza d'onda corta e lunga. Oltre a questo basso assorbimento, per gli strati TCO su entrambi i lati sono obbligatorie basse resistenze di contatto sia con gli strati di silicio drogati n e p, sia con la griglia metallica. Ultimo, ma non meno importante, i vincoli di costo delle celle solari sono estremamente stringenti e, per immaginare il fotovoltaico su scala terawatt, è fondamentale ridurre (o meglio evitare) l'uso di materiali critici o scarsi, come l'indio ( Nel). Quest'ultimo aspetto, tuttavia, è ancora difficile da affrontare, poiché la maggior parte dei TCO di qualità dei dispositivi contiene indio. Un'opzione consiste nel ridurre lo spessore di tali TCO, che richiede quindi il deposito di un secondo strato per mantenere prestazioni ottiche (antiriflesso) ideali. Ciò, a sua volta, aumenta il numero di fasi del processo e, quindi, la complessità e i costi del processo.
Questo documento affronta l'ottimizzazione del TCO per l'incorporazione nelle celle solari SHJ. Viene presentata una metrica per valutare e confrontare diversi TCO in relazione alla loro idoneità all'applicazione nelle celle SHJ. Per ridurre la perdita ottica nel TCO frontale, è obbligatorio l'uso di materiali con un'elevata trasparenza. Un'elevata mobilità del portatore di carica, tipicamente>100 cm2/Vs, consente una riduzione della densità della portante (a resistività costante), riducendo così la perdita ottica dovuta all'assorbimento della portante libera (FCA).
In passato sono stati studiati vari materiali TCO "ad alta mobilità" a base di ossido di indio con diversi drogaggi [6-13]. Tutti questi mostrano proprietà eccellenti come strati TCO sul vetro e la maggior parte di essi ha anche un alto CE. La produzione mirata, tuttavia, è difficile ei costi sono elevati per molti di questi materiali.
Sono ora disponibili nuovi TCO che possono essere elaborati nella produzione su larga scala da bersagli ruotabili, garantendo un'elevata mobilità e producendo cellule SHJ con elevato CE. Le circostanze in cui AZO come alternativa senza indio ea basso costo può essere implementato in cellule SHJ ad alta efficienza saranno discusse in seguito. Verrà inoltre presentato un confronto dei costi degli obiettivi basati su In e ZnO.
Figura 1. Spettri di assorbimento ottico per vari tipi di strato di spessore TCO
TCO per celle solari SHJ
In passato, sono stati studiati diversi materiali TCO per l'uso nelle celle solari SHJ. Requisiti importanti per questa implementazione sono l'elevata conduttività e l'elevata trasparenza, con temperature di lavorazione inferiori a 200 °C (a causa della sensibilità degli strati di passivazione di silicio a film sottile), nonché una buona formazione di contatto con gli strati vicini [14].
Tra alcuni dei TCO rilevanti, In . policristallino drogato con Sn2O3(ITO) cresciuto a temperature inferiori a 200°C, che raggiunge la mobilità degli elettroni (μe) intorno a 40 cm2/Vs [3-5], ha trovato ampia applicazione nelle celle solari SHJ. TCO in-based drogati con altri metalli, come titanio (Ti) [15,16], zirconio (Zr) [6,12,13], molibdeno (Mo) [15,17–19] e tungsteno (W) [ 10,11], producono valori μe maggiori di 80 cm2/Vs a una densità di portatori di carica (ne) compresa tra 1×1020 e 3×1020 cm-3.
Questi strati possono essere depositati tramite magnetron sputtering, deposizione laser pulsata (PLD) e placcatura ionica con scarica ad arco CC o deposizione al plasma reattivo (RPD). Di questi, lo sputtering è il metodo più affermato per la produzione di massa. Una mobilità ancora maggiore di μe>100 cm2/Vs può essere ottenuto per In . drogato con idrogeno (H) cristallizzato in fase solida (SPC)2O3pellicole (IOH) [6–9] e cerio (Ce) ICeO:H [7] con 1×1020<>< 3×1020="">-3. Questi film vengono depositati a basse temperature in una matrice amorfa e successivamente ricotti a temperature superiori a 150 °C, il che si traduce in valori μe elevati a causa della formazione di grani grandi.
I TCO introdotti sopra sono interessanti per le loro eccezionali prestazioni optoelettriche, ma fino ad oggi principalmente ITO e IWO:H hanno trovato la loro strada nella produzione industriale. La scarsità di indio, tuttavia, è una motivazione per l'implementazione di TCO alternativi. AZO offre il vantaggio di avere materiali compositi più abbondanti. Strati di AZO con uno spessore di diverse centinaia di nanometri, spruzzati a temperature elevate>250 °C, forniscono buone proprietà optoelettroniche [20] e anche stabilità [21].
Strati sottili di spessore inferiore a 100 nm depositati a temperature inferiori a 200 °C, come richiesto per le cellule SHJ, mostrano invece una struttura cristallina scadente, con conseguente bassa mobilità intorno a 20 cm2/Vs e scarsa stabilità a lungo termine [22]. Una migliore stabilità per le celle solari SHJ, tuttavia, è stata dimostrata applicando un ossido di silicio amorfo (a-SiO2) limite [23].
Come indicato dal μevalori ottenuti e, a seconda delle condizioni di lavorazione, i diversi TCO dimostrano un'ampia gamma di mobilità degli elettroni. La resistenza del foglio TCO (R▫) gli intervalli possono essere classificati come mostrato nella Tabella 1. Qui, un intervallo di concentrazione del vettore 1,5×1020<>< 2.0×1020="">-3è considerato: questo rappresenta un buon compromesso per ottenere un basso FCA, una buona conduttività elettrica e una buona formazione di contatto con gli strati vicini e uno spessore TCO di 75 nm per proprietà antiriflesso.
La simmetria nell'elaborazione delle celle SHJ e l'utilizzo di wafer (di tipo n) con durate dei portatori molto elevate consente di scegliere liberamente quale contatto (n o p) è rivolto verso la parte anteriore. La posizione del contatto p (giunzione) ha un impatto sull'ottimizzazione del TCO frontale per ottenere sia un'elevata trasparenza che una bassa resistenza in serie Rsdella cellula [24–27]. Per dimostrare ciò, la Fig. 2 mostra sezioni trasversali schematiche di celle solari SHJ bifacciali e monofacciali in una configurazione di giunzione posteriore con tutti i contributi Rs indicati. Un'analisi dettagliata dei componenti Rs e dei loro contributi nelle celle solari SHJ può essere trovata in Basset et al. [25] e Wang et al. [28]. L'elevata conduttività, cioè densità e mobilità, degli elettroni nel wafer c-Si, insieme alla bassissima resistenza di contatto del contatto n/TCO, favorisce la scelta del contatto n che si trova sul fronte ("giunzione posteriore"), poiché il trasporto di corrente laterale è significativamente supportato dal wafer. Ciò riduce i requisiti di conduttività del TCO (resistenza del foglio), consentendo così un'ottimizzazione verso la massima trasparenza.
Per illustrare l'effetto della suddetta libertà nella progettazione delle celle, la Fig. 3 presenta curve Rs simulate insieme a valori sperimentali estratti da celle solari, con una variazione del processo ITO in funzione della resistenza del foglio TCO anteriore. I valori sperimentali convalidano le tendenze del modello [27]. Come si può chiaramente vedere, il design della giunzione posteriore offre un vantaggio per i TCO ad alta resistenza beneficiando del supporto laterale nella conduzione degli elettroni nel wafer di silicio. Il design della giunzione anteriore, d'altra parte, è più favorevole per strati TCO a bassa resistività; questo progetto sfrutta il contributo Rs trasversale inferiore, poiché gli elettroni, avendo mobilità maggiore rispetto alle lacune, viaggiano verso la parte posteriore del wafer (con la fotogenerazione che avviene principalmente vicino al lato anteriore). Il compromesso tra i contributi Rs laterale e trasversale determinerà quale design della cella solare è più adatto, a seconda della resistenza del foglio TCO disponibile.
il R▫gli intervalli per i diversi TCO riportati in letteratura e come definiti nella Tabella 1 sono mostrati in Fig. 3 con la corrispondente sfumatura di colore. TCO con R . basso▫(rosso) sono più vantaggiosi se implementati in un dispositivo di giunzione anteriore, mentre i TCO con R . di fascia media▫(blu) si trovano in una regione di transizione in cui Rsla differenza tra i dispositivi di giunzione anteriore e posteriore è piuttosto ridotta. Al contrario, i TCO con R . elevato▫(grigio) sono chiaramente vantaggiosi se implementati in un progetto di giunzione posteriore; questo è favorevole per AZO, ad esempio, essendo altamente trasparente ma non molto conduttivo, pur continuando a produrre la stessa efficienza della cella SHJ> 23% della cella di riferimento ITO [23]. Presso l'Helmholtz-Zentrum di Berlino, le celle solari SHJ con TCO anteriore sia basato su ITO che su AZO hanno ottenuto una certificazione CE superiore al 23,5% [29].
Un altro approccio che sfrutta il supporto del trasporto laterale del wafer, dimostrato da alcuni gruppi di ricerca [27,30] e nella produzione pilota [31], è quello di implementare TCO più sottili, che riducono l'assorbimento dei parassiti, mantenendo o migliorando la CE delle celle solari. L'implementazione di uno strato TCO più sottile, tuttavia, richiede un secondo strato superiore, ad esempio SiO2o Si3N4– per mantenere l'antiriflesso (AR) ottimale [32–34].
Per quantificare con precisione le prestazioni ottiche dei diversi TCO quando implementati nello stack di celle, ovvero determinare la perdita specifica nella densità di corrente di cortocircuito (Jsc), sono state effettuate simulazioni con uno strumento software di ray-tracing (GenPro4 [35]). Tenendo conto della perdita di potenza correlata al TCO nella cella dovuta sia a un aumento di Rs che a una diminuzione di Jsc, sono stati confrontati diversi materiali TCO, come mostrato in Fig. 4. A questo scopo, una cella solare di riferimento con CE=23,3 % è stata considerata, senza perdite relative al TCO in Jsce Rs(FF). IOH, ITO e AZO sono stati studiati come esempi di low-R▫, metà R▫e alta R▫regimi rispettivamente.
Sono state studiate le implementazioni di TCO sia standard di 75 nm di spessore ("spesso") che ottimizzato otticamente più sottile ("sottile"). Per un confronto equo (vale a dire per rimanere nell'AR ottimale in ogni caso), tutte le celle (con TCO "spesso" e "sottile") sono state rifinite con un a-SiO2strato di copertura. Si presumeva che le resistività dei contatti alle interfacce TCO/Ag e TCO/Si fossero (basse e) uguali per tutti e tre i TCO, il che, ovviamente, è una semplificazione. Questo sarà discusso più avanti ed è presentato in Haschke et al. [36]. Ulteriori dettagli sugli spessori degli strati ottimizzati e sui risultati della simulazione possono essere trovati in Cruz et al. [27].
I grafici in Fig. 4 mostrano la perdita di potenza relativa al TCO dovuta a una diminuzione di Jsc e ad un aumento di Rs, per dispositivi di giunzione posteriore (Fig. 4(a)) e di giunzione anteriore (Fig. 4(b)). Chiaramente, l'IOH supera gli altri due TCO grazie alle sue eccezionali proprietà optoelettroniche in entrambi i casi. In Fig. 4 (a), che mostra l'ITO e l'AZO spessi, i materiali compensano le loro perdite di CE, poiché l'AZO a conduttività inferiore mostra un assorbimento parassitario inferiore rispetto all'ITO. Quando questo viene confrontato con le versioni più sottili dei TCO, si può osservare che la perdita di CE diminuisce leggermente a causa del ridotto assorbimento dei parassiti del TCO. L'ITO beneficia chiaramente di più da questo assottigliamento, a causa del suo assorbimento parassitario relativamente più elevato, che alla fine porta a un CE leggermente migliore rispetto all'AZO. Ciò dimostra che TCO più sottili con ottica migliorata possono essere implementati in una configurazione di giunzione posteriore e saranno vantaggiosi in termini di CE.
Al contrario, osservando il progetto della giunzione anteriore in Fig 4 (b), si può vedere che l'IOH ad alta conduttività non soffrirà del contributo di trasporto laterale inferiore da parte del wafer. L'ITO e l'AZO a bassa conduttività, tuttavia, aumentano le perdite resistive. Diminuire lo spessore dell'ITO non porta a un vantaggio CE, mentre nel caso dell'AZO è chiaramente svantaggioso. Si può concludere che un TCO ad alta conduttività, qui IOH nell'esempio, può essere implementato su configurazioni di celle solari a giunzione sia posteriore che anteriore senza grandi differenze nelle perdite CE. I TCO a bassa conduttività, come ITO e AZO, risentiranno delle R laterali più alte presenti nella configurazione della giunzione anteriore. L'assottigliamento del TCO sulle celle solari a giunzione posteriore è vantaggioso se il TCO supera una certa soglia di assorbimento, anche per un TCO con bassa conduttività, qui AZO nell'esempio. In un progetto di giunzione frontale, l'assottigliamento porterà solo piccoli benefici, o potrebbe anche essere svantaggioso per TCO a bassa conduttività come AZO.
Prestazioni dei TCO industriali ad alta mobilità
Al fine di testare i TCO ad alta mobilità emessi ad alta velocità dallo sputtering DC da bersagli tubo, come eseguito nella produzione di massa su larga scala, sono stati utilizzati materiali diversi per il TCO anteriore nelle celle solari SHJ bifacciali a giunzione posteriore. Sono stati testati due tipi di TCO ad alta mobilità, vale a dire l'ossido di indio drogato con titanio (ITiO) e l'ossido di indio con un tipo di drogaggio non divulgato ("Y"). Inoltre, è stato testato ITO con varie concentrazioni di drogaggio, ovvero contenente il 97 % di ossido di indio e il 3% di ossido di stagno nel bersaglio ("97/3") e ITO 99/1. Come materiale di riferimento, ITO 97/3 è stato implementato sul retro di tutte le celle. È stato incluso anche un gruppo di celle con ITO 95/5 su entrambi i lati anteriore e posteriore.
Strati di prova corrispondenti su vetro hanno rivelato resistenze del foglio TCO nell'intervallo 36-136 Ω dopo la deposizione e la ricottura per 30 minuti a 200 ° C in condizioni ambientali, che è paragonabile all'indurimento effettuato dopo la serigrafia. Questo è un intervallo adatto per l'implementazione come contatto anteriore nelle celle solari SHJ a giunzione posteriore, come discusso in precedenza (vedi Fig. 3). Va tenuto presente, tuttavia, che gli strati di TCO depositati su vetro potrebbero presentare proprietà (mobilità del vettore) diverse da quelle quando gli strati sono depositati su silicio, come richiesto per le celle solari. Ciò è stato attribuito a due effetti [29]: (1) diversa nucleazione dei cristalli e, quindi, struttura dei grani; (2) diverso contenuto di idrogeno che si diffonde dallo strato di silicio nel TCO.
Gli strati ITiO e Y mostrano elevate mobilità fino a 90 cm2/Vs, ma con densità di portatori di carica diverse, vale a dire 2×1020cm-3e ~0.8×1020cm-3rispettivamente. Per i film ITO97/3 e ITO99/1, valori di mobilità inferiori, di circa 60 e 70 cm2/Vs a densità di portatori di carica di 2,7×1020 cm-3e 1.8×1020cm-3rispettivamente, sono stati misurati. A causa della densità dei portatori di carica molto bassa, i film Y hanno mostrato il più basso assorbimento parassitario nella regione del vicino infrarosso (vedi Fig. 1), il che rende questo materiale il più promettente per ottenere il Jsc più alto e, possibilmente, il CE più alto nelle celle solari.
IlI–Vi parametri di ciascuno dei gruppi di test sono mostrati in Fig. 5. Tutte le celle presentano tensioni a circuito aperto comparabili (Voc), con mediane nell'intervallo ristretto di 737–738 mV. Ciò conferma che la passivazione non si è degradata a causa di diversi danni da sputtering. Come previsto, le celle solari con TCO ad alta mobilità hanno prodotto il J . più altoscvalori, con mediane di 39,0 mA/cm2e 39,2 mA/cm2rispettivamente per ITiO e Y. Questo è fino a 0,5 mA/cm2superiore a quello ottenuto con la referenza ITO97/3.
Nonostante l'altoJsce beneVocvalori, tuttavia, le celle con un contatto sul fronte Y non hanno prodotto le efficienze più elevate. La CE mediana più alta del 22,9 % è stata effettivamente ottenuta per ITO99/1, mentre il valore CE più alto del 23,3 % è stato misurato per una cella con ITiO. L'EC inferiore nel caso dei campioni Y risulta dal FF mediano inferiore di solo circa il 77%, dovuto ad un valore di Rs notevolmente più elevato; infatti, le celle con un contatto frontale Y producono i valori Rs mediani più alti di 1,3-1,6 cm2. Al contrario, il valore Rs mediano è 0,9 Ω cm2per le celle ITO99/1, risultando in una mediana significativamente più altaFFdel 79,5%.
Tabella 1. Confronto delle proprietà elettriche di diversi TCO.
Figura 2. Viste schematiche in sezione trasversale di celle solari SHJ (Silicio a eterogiunzione posteriore): (a) progetto di cella bifacciale; (b) design della cella monofacciale, con i componenti della resistenza in serie (Rs) mostrati.
Figura 3. Resistenza in serie rispetto alla resistenza del foglio TCO anteriore per celle solari SHJ a giunzione anteriore e posteriore. Le curve rappresentano i risultati simulati, mentre le caselle indicano i risultati per le celle misurate con una variazione ITO.
Importanza della bassa resistenza di contatto
L'elevata resistenza in serie delle celle con (bassa densità di portatori e) TCO ad alta mobilità è infatti un aspetto che deve essere affrontato. Più precisamente, i due componenti principali di Rsecco la resistenza di contatto dei TCO con gli strati di contatto in silicio drogato n e p, che sono stati studiati in dettaglio in letteratura [37-40]. Nel caso di celle solari a base di c-Si drogate n, la resistenza di contatto del TCO con gli strati di Si drogati n può essere caratterizzata da varie tecniche relativamente semplici, come la Cox e Strack [41] o la trasmissione -line [42] metodi. La resistenza di contatto del TCO con lo strato di Si drogato con p (TCO/p), al contrario, è di più difficile accesso, perché si forma una giunzione. Come mostrato da Basset et al. [21] e Wang et al. [24], ad esempio, un metodo semplice per estrarre il valore di Rscomponente è quello di derivare tutti i componenti accessibili di Rs, e si conclude che il valore rimanente è la resistenza di contatto TCO/p.
La resistività di contatto ρcdipende dall'allineamento dettagliato della banda e dalla piegatura della banda, nonché dagli stati di difetto dell'interfaccia; quindi, diversi parametri sono importanti, in particolare l'energia di attivazione dello strato di Si drogato e la densità dei portatori di carica, ma anche la differenza di funzione di lavoro tra entrambi i materiali. Processo et al. [38] ha mostrato che ρcè minimo quando gli strati drogati presentano bassi valori di energia di attivazione, come quelli ottenuti con strati di silicio nanocristallino anziché strati amorfi.
Inoltre, la densità dei portatori di carica del TCO dovrebbe essere ben al di sopra di 1×1020cm-3; questo è particolarmente importante per il contatto TCO/p, per il quale è essenziale un'efficiente ricombinazione della lacuna e degli elettroni al contatto. Per quanto riguarda la selezione e l'ottimizzazione dei livelli di TCO, ciò comporta la ricerca di un ottimo per ne, che deve essere sufficientemente alto per ottenere sufficientemente bassicvalori, ma, allo stesso tempo, devono essere i più bassi possibile per limitare l'assorbimento parassitario (FCA).
In un esperimento più recente, è stato selezionato uno strato Y con una densità di portatori più elevata; La Fig. 8 mostra le proprietà disponibili regolando il processo. Infatti, per il TCO adattato, la cella FF ha recuperato, ma al costo di una piccola diminuzione di Jsca causa dell'ulteriore FCA. Nel complesso, la CE è ancora aumentata fino a un livello simile a quello trovato per i migliori gruppi in Fig. 5, il che dimostra l'importanza di un'attenta messa a punto delle proprietà del livello e dell'interfaccia.
Figura 4. Perdita di potenza correlata alla densità di corrente (Ploss J) e perdita di potenza correlata alla resistenza in serie (Ploss R) per (a) celle SHJ a giunzione posteriore e (b) a giunzione anteriore. I valori di perdita dell'efficienza di conversione (CE) sono indicati dalle linee tratteggiate; queste perdite sono relative a una cella solare di riferimento con 23,3% CE, rappresentata dal diamante viola a (0,0). I simboli pieni rappresentano TCO spessi 75 nm (standard) ma con un rivestimento antiriflesso (ARC) nella parte superiore, mentre i simboli aperti rappresentano strati TCO più sottili (ottimizzati), anche con un ARC.
Aspetti industriali: costi target
I tipi comuni di target TCO utilizzati nell'industria FV in silicio cristallino sono target ruotabili, ovvero gusci cilindrici del materiale TCO legati su un tubo di supporto in metallo. Più lungo è il tubo, più gusci devono essere utilizzati per il bersaglio del tubo. Il motivo per cui l'industria preferisce questo tipo di target per lo sputtering dei TCO è il tasso di utilizzo molto più elevato del materiale target TCO rispetto a quello per i tipi planari di target TCO. Il tasso di utilizzo del materiale target ottenibile con un target ruotabile è solitamente ≥80 %; questo è di particolare interesse nel caso in cui i materiali TCO siano costosi, come i TCO a base di indio. Per quanto riguarda i TCO nell'industria fotovoltaica in silicio cristallino, i TCO a base di indio sono dominanti grazie alle loro eccellenti proprietà dello strato (come è stato anche mostrato in precedenza). Tuttavia, alcuni operatori del mercato offrono anche TCO a base di zinco per lo stesso scopo. In effetti, ci sono vantaggi e svantaggi nell'utilizzo di TCO a base di zinco. Un vantaggio è il minor costo di un bersaglio a tubo a base di zinco di dimensioni identiche a quelle di un bersaglio a base di indio, mentre la minore conduttività dello zinco presenta alcuni vincoli nella progettazione delle celle solari, come discusso in precedenza e visualizzato in Fig. 3.
La Fig. 6 mostra il costo target specifico per cm3dei target del tubo per TCO a base di zinco e TCO a base di indio; si noti che il costo del tubo di supporto è escluso dal costo target. I punti dati sono stati raccolti da fornitori target in tutto il mondo. Il minor numero di punti dati per i TCO a base di zinco può essere attribuito alla mancanza di interesse per quel materiale mostrato finora dall'industria del fotovoltaico in silicio cristallino.
Esiste una certa dispersione nel costo obiettivo a causa dei diversi materiali all'interno del gruppo dello zinco e all'interno del gruppo dell'indio, oa causa dei diversi fornitori. I punti dati che indicano un costo target più elevato in entrambi i gruppi possono essere spiegati da composizioni meno comuni e/o processi di produzione costosi e/o margini elevati. I punti dati a basso costo osservati in entrambi i gruppi dovrebbero essere valori di costo rappresentativi per i produttori di celle solari con diverse centinaia di richieste annuali di obiettivi di tubi.
Un confronto del valore più basso in entrambi i gruppi rivela che i TCO basati su Zn (costo target ~$ 0,6/ cm/3) può essere circa un quarto del prezzo dei TCO basati su In (costo target ~$2.6/cm3). Va comunque precisato che questi dati sono un'istantanea della situazione attuale e probabilmente diventeranno presto obsoleti, a seconda della volatilità del mercato azionario per quanto riguarda le materie prime, in particolare l'indio.
Figura 5. Parametri I-V di celle solari SHJ bifacciali di 4 cm2 con vari TCO anteriori e ITO 97/3 sul lato posteriore. ITO 95/5, DC sputterato da un bersaglio tubo a HZB, è stato incluso come riferimento.
Aspetti industriali: produzione di massa
Oltre al desiderio di implementare TCO senza indio con l'obiettivo di migliorare la spesa operativa (OPEX), è nel migliore interesse avere uno strumento di sputtering di produzione ad alto volume in grado di produrre un rivestimento TCO di alta qualità a basso costo. La Fig. 7 mostra il sistema sputtering XEA|nova L altamente produttivo di VON ARDENNE, che può depositare strati TCO con una produttività di 8.000 wafer M6 all'ora nella versione base e con una produttività ancora maggiore utilizzando pacchetti di aggiornamento. Nel corso del 2019 l'apparecchiatura XEA|nova è entrata a far parte di una linea di produzione industriale raggiungendo efficienze di cella superiori al 24% utilizzando film TCO simili a quelli qui esaminati.
Per ottenere un'elevata produttività, la velocità di deposizione degli strati TCO deve essere elevata, che può essere realizzata applicando un'elevata potenza CC al target del tubo. Tuttavia, le proprietà TCO devono ancora essere mantenute quando il TCO viene preparato a densità di potenza più elevate. La Fig. 8 mostra le mobilità degli elettroni e le densità dei portatori di carica dei film TCO, sputterati a 4kW e 8kW da bersagli di tubi ceramici di tipo TCO 'Y'. Elevata mobilità di circa 80 cm2/ Vs potrebbe essere raggiunto a un livello di potenza di 4kW dopo la deposizione. Un aumento della potenza di sputtering a 8 kW riduce la mobilità massima di un massimo del 10%. È interessante che le mobilità possano essere ulteriormente aumentate, fino a 100 cm2/Vs, ricottura dei film per 30 min a 200°C, come mostrato in Fig. 8.
Figura 6. Costo target specifico per cm3 di materiale target per TCO a base di indio e zinco.
Conclusioni
La tecnologia delle celle solari SHJ ha dimostrato di essere un attore importante sulla strada per aumentare la propria quota nella produzione su larga scala. Ciò è dovuto alle efficienze di conversione molto elevate raggiunte e al processo di produzione snello.
Per quanto riguarda il ruolo dei TCO, tre aspetti devono ancora essere affrontati per aumentare le prospettive della tecnologia SHJ di fare ulteriori incursioni nel settore delle celle solari:
1. Migliorare ulteriormente le prestazioni della cella.Ciò può essere ottenuto mediante l'implementazione di TCO ad alta mobilità adatti alla produzione di massa. È stato dimostrato che i TCO ad alta mobilità possono essere sputterati a velocità elevate e questi TCO sono stati testati nelle celle solari SHJ. Sebbene il CE di tali celle SHJ sia elevato, è ancora in ritardo rispetto a quello delle celle di riferimento con il miglior TCO frontale ITO, nonostante un minore assorbimento e una maggiore mobilità Ciò è attribuito a una maggiore resistività di contatto dei TCO con il n- e/o contatti in silicio drogato con p. Sarà necessario affrontare la messa a punto del TCO e l'implementazione dei livelli di contatto e/o l'ottimizzazione dell'interfaccia al fine di ridurre ulteriormente le perdite resistive su queste interfacce e, quindi, sfruttare appieno i vantaggi delle proprietà TCO superiori.
2. Ridurre l'uso di materiali scarsi (e costosi), in particolare l'indio.Un'opzione interessante per realizzare un risparmio sul costo del materiale è ridurre lo spessore del TCO; questo è ancora più interessante con costose TCO ad alta conduttività (alta mobilità). Tuttavia, è necessaria un'altra fase del processo per depositare un secondo strato antiriflesso (capping) (ARC) sopra il TCO al fine di ridurre le perdite di riflessione. In alternativa, come mostrato in questo documento, i TCO a bassa conduttività (AZO nell'esempio fornito) possono essere implementati nelle celle solari a giunzione posteriore senza compromettere la CE. Ciò acquista rilevanza per quanto riguarda il costo: nell'analisi presentata, gli obiettivi basati su ZnO dimostrano un costo inferiore a $ 0,6/cm3per il materiale di destinazione, rispetto a $ 2,6/cm3per obiettivi basati su In. La stabilità limitata di AZO può essere affrontata, ad esempio, incappucciandolo con uno strato dielettrico (a-SiO2o a-SiNx).
3. Ridurre i costi delle apparecchiature PVD.Ridimensionare e aumentare il rendimento delle linee di produzione TCO è la strada da percorrere, con lo sputtering DC pronto per la produzione ad alto rendimento di TCO ad alte prestazioni.
Ringraziamenti
Si ringrazia con gratitudine il finanziamento del ministero federale tedesco per gli affari economici e l'energia (BMWi) nell'ambito del progetto Dynasto con il codice #0324293.
Figura 8. Proprietà elettriche degli strati di TCO sputterati a 4kW e 8kW da bersagli di tubi in ceramica di tipo TCO 'Y', allo stato depositato e dopo ricottura per 30 min a 200°C in condizioni ambientali.
Ringraziamenti
Si ringrazia con gratitudine il finanziamento del ministero federale tedesco per gli affari economici e l'energia (BMWi) nell'ambito del progetto Dynasto con il codice #0324293.
Riferimenti
[1] Chunduri, SK&lificatore; Schmela, M. 2019, "Tecnologia solare eterogiunzione", Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_EN_ download_version2.pdf].
[2] Ballif, C. et al. 2019, "Risolvere tutti i colli di bottiglia per la tecnologia dell'eterogiunzione al silicio", Photovoltaics International, 42a edizione, p. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, "Proprietà elettriche e modello di difetto di strati di ossido di indio drogato con stagno", Appl. Fis. A, vol. 27, n. 4, pp. 197-206 [https://doi. org/10.1007/BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, "Pellicole In2O3 drogate con Sn evaporato: proprietà ottiche di base e applicazioni per finestre ad alta efficienza energetica", J. Appl. Fisica, vol. 60, n. 11, pp. R123–R160 [https://doi. org/10.1063/1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, “Caratterizzazione e ottimizzazione di film di ossido di indio e stagno per celle solari a eterogiunzione”, Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 95, n. 8, pp. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, "Studi comparativi di In2O3 conduttivo trasparente con Ti, Zr e Sn utilizzando un approccio combinatorio", J. Appl. Fisica, vol. 101, n. 6, pag. 063713 [https://doi. org/10.1063/1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, "Film sottili conduttivi trasparenti ad alta mobilità di ossido di indio idrogenato drogato con cerio", Appl. Fis. Espr., Vol. 8, n. 1, pag. 015505 [https://doi. org/10.7567/APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, "Ossidi conduttivi trasparenti In2O3:H ad alta mobilità preparati mediante deposizione di strati atomici e cristallizzazione in fase solida", solidi di stato fisico (RRL), Vol. 8, n. 12, pp. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, "Proprietà elettriche migliorate dell'ossido di indio drogato con idrogeno sputterato di magnetron DC dopo ricottura in aria", Mater. Sci. semicon. Proc., vol. 89, pp. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, "Film di ossido di indio drogato con tungsteno: pronto per la metallizzazione bifacciale in rame di celle solari a eterogiunzione di silicio", Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 144, pp. 359-363 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, "Film sottili di In2O3 drogati con W ad elevata mobilità elettronica mediante deposizione laser pulsata", Appl. Fis. Lett., vol. 87, n. 11, pag. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, "Crescita della deposizione di strati atomici di film In2O3 drogati con zirconio", Thin Solid Films, vol. 440, n. 1, pp. 152-154 [https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, "In2O3 drogato con Zr trasparente altamente conduttivo e a banda larga come elettrodo frontale per celle solari", IEEE J. Photovolt., pp. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, “Elettrodi trasparenti per optoelettronica efficiente”, Adv. Elettrone. Mater., Vol. 3, n. 5, pag. 1600529 [https://doi. org/10.1002/aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE&lificatore; Guo, SY 2005, "Deposizione di film conduttivo trasparente e semitrasparente per ambiente reattivo, sputtering a catodo cavo", J. Vac. Sci. Tecnol. A, vol. 23, n. 4, pp. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, "ossido di indio drogato con titanio: un conduttore trasparente ad alta mobilità", Appl. Fis. Lett., vol. 87, n. 3, pag. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, "Un nuovo film sottile conduttivo trasparente In2O3:Mo", Thin Solid Films, vol. 394, n. 1–2, pp. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090(01)01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Sviluppo di ossido di indio molibdeno spruzzato con magnetron a radiofrequenza", J. Vac. Sci. Tecnol. A, vol. 21, n. 4, pp. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, "Film sottili di In2O3 a conduzione trasparente ad alta mobilità mediante deposizione laser pulsata", J. Appl. Fisica, vol. 95, n. 7, pp. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, "Miglioramento del trasporto elettrico nell'ossido di zinco drogato con Al mediante trattamento termico", J. Appl. Fisica, vol. 107, n. 1, pag. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, "Film di ossido di zinco drogato stabile al calore umido", Thin Solid Films, vol. 555, pp. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, "Stabilità al calore umido di film di ossido di zinco drogati con Al su substrati lisci e ruvidi", Thin Solid Films, Vol. 520, n. 4, pp. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, "Celle solari ad eterogiunzione al silicio prive di ITO con elettrodi frontali ZnO:Al/SiO2 che raggiungono un'efficienza di conversione del 23%", IEEE J. Photovolt., vol. 9, n. 1, pp. 1–6 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivore, M. et al. 2014, "Celle solari a emettitore posteriore con eterogiunzione al silicio: meno restrizioni sulle proprietà optoelettriche dei TCO sul lato anteriore", Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 122, pp. 120–129 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, “Rottura di resistenza in serie di celle solari ad eterogiunzione di silicio prodotte su linea pilota CEA-INES”, Proc. 35th EU PVSEC, Bruxelles, Belgio, pp. 721–724 [https://doi. org/10.4229/35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, “Analisi numerica tridimensionale di celle solari a wafer di silicio a eterogiunzione ibrida con contatti a punto posteriore di eterogiunzione”, AIP Adv., vol. 5, n. 7, pag. 077124 [https://doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, "Effetto del TCO anteriore sulle prestazioni delle celle solari a eterogiunzione di silicio a giunzione posteriore: approfondimenti da simulazioni ed esperimenti", Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 195, pp. 339-345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, "Un metodo semplice con modello analitico per estrarre componenti di resistenza in serie di celle solari ad eterogiunzione e per estrarre la resistività di contatto da A-Si:H(i/p) a ossido conduttivo trasparente", AIP Conf. Proc., vol. 2147, n. 1, p. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, "Influenza degli strati di silicio sulla crescita di ITO e AZO nelle celle solari a eterogiunzione di silicio", IEEE J. Photovolt., pp. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, "La corsa all'alta efficienza nella produzione: perché l'eterogiunzione è ora pronta per il mercato", Proc. 36° EU PVSEC, Marsiglia, Francia, pp. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, "Miglioramenti delle prestazioni 'HJT 2.0' e vantaggi in termini di costi per la produzione di celle di eterogiunzione al silicio", Proc. 36th EU PVSEC, Marsiglia, Francia, pp. 300–303 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, “Progettazione e fabbricazione di un rivestimento antiriflesso a doppio strato SiOx/ITO per celle solari in silicio a eterogiunzione”, Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 117, pp. 132-138 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, "Celle solari a eterogiunzione al silicio con elettrodi a griglia placcati in rame: stato e confronto con tecniche a film spesso d'argento", IEEE J. Photovolt., vol. 4, n. 4, pp. 1055-1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, “Stack ITO/SiOx:H per celle solari ad eterogiunzione al silicio”, Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 158, Parte 1, pp. 98–101 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, "Manuale per software di simulazione ottica di celle solari: GENPRO4", Materiali e dispositivi fotovoltaici, Delft University of Technology.
[36] Haschke, J. et al. 2020, “Trasporto laterale in celle solari al silicio”, J. Appl. Fisica, vol. 127 [https://doi. org/10.1063/1.5139416].
[37] Bivore, M. et al. 2012, "Miglioramento del contatto dell'emettitore posteriore a-Si:H(p) delle celle solari al silicio di tipo n", Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 106, pp. 11–16 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, “Valutazione teorica dello stack di contatti per celle solari IBC-SHJ ad alta efficienza”, Sol. Energia Materia. Sol. Cellule, vol. 186, pp. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, “Resistività di contatto dell'eterogiunzione TCO/a-Si:H/c-Si”, Proc. 36° EU PVSEC, Marsiglia, Francia, pp. 538–540 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, "Influenza degli ossidi interfacciali a TCO/contatti a film sottile Si drogato sul trasporto di portatori di carica di contatti passivanti", IEEE J. Photovolt., pp. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, amplificatore destro &; Strack, H. 1967, "Contatti ohmici per dispositivi GaAs", elettroni allo stato solido, vol. 10, n. 12, pp. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038-1101(67)90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, "Modellazione analitica di celle solari al silicio legate all'industria", IEEE J. Photovolt., vol. 4, n. 1, pp. 504-513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
