ที่มา:vonardenne.biz
เผยแพร่ครั้งแรกใน Photovoltaics International ฉบับที่ 44 พฤษภาคม 2020
อเล็กซานดรอส ครูซ1, ดาร์จา เออร์เฟิร์ต1, เรเน่ โคห์เลอร์2, มาร์ติน ไดเมอร์2, Eric Schneiderlöchner2& แอมป์; Bernd Stannowski1
บทคัดย่อ
เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนเฮเทอโรจังก์ชัน (SHJ) เป็นเทคโนโลยีที่น่าสนใจสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่โดยมีประสิทธิภาพการแปลงสูงกว่า 24 เปอร์เซ็นต์ องค์ประกอบสำคัญอย่างหนึ่งของเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีเซลล์แบบพาสซีฟแบบกระจายและการสัมผัสด้านหลัง (PERC) ในปัจจุบัน' คือการใช้ตัวนำไฟฟ้าโปร่งใส (TCO) ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายในด้านประสิทธิภาพและต้นทุน แต่ยัง นำเสนอโอกาส เอกสารนี้กล่าวถึงประเด็นเหล่านี้และแสดงศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์ด้วยต้นทุนที่ลดลงโดยใช้ TCO ใหม่ที่สะสมโดยการสปัตเตอร์กระแสตรง (DC) ในกรณีของเซลล์ SHJ ทางแยกด้านหลัง เป็นไปได้ที่จะลดหรือหลีกเลี่ยงการใช้อินเดียมใน TCO ดังกล่าว โดยที่ซิงค์ออกไซด์ที่เจืออะลูมิเนียม (AZO) เป็นทางเลือกหนึ่งสำหรับ TCO ที่ใช้อินเดียมออกไซด์ สรุปความพร้อมของ TCO ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการผลิตจำนวนมากซึ่งจะส่งเสริมการเจาะตลาดของเซลล์ SHJ
ตัวอย่างอุปกรณ์การผลิตจำนวนมากของ TCO: XEA|nova L . ของ VON ARDENNE
บทนำ
เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนที่ใช้เทคโนโลยีอิมิตเตอร์แบบพาสซีฟและการสัมผัสด้านหลัง (PERC) ได้บรรลุระดับหลายกิกะวัตต์ในการผลิตจำนวนมาก โดยมีประสิทธิภาพการแปลง (CE) ที่ 22% และขณะนี้ใกล้จะถึง 23 เปอร์เซ็นต์แล้ว สำหรับ CE ที่สูงกว่านั้น คอนแทคเลนส์แบบพาสซีฟถือเป็นเทคโนโลยีเซลล์รุ่นต่อไป ที่นี่ เทคโนโลยีซิลิคอนเฮเทอโรจังก์ชัน (SHJ) เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจและกำลังแข่งกันออกจากประตูเริ่มต้น โดย CE ได้แสดงให้เห็น 23–24 % แล้วบนเวเฟอร์ขนาดเต็มแล้ว ไม่เพียงแต่ในสายการผลิตนำร่อง แต่ยังอยู่ในการผลิตขนาดใหญ่ด้วย [ 1]. ในขณะที่พานาโซนิค (เดิมคือซันโย) เป็นผู้บุกเบิกเทคโนโลยีนี้ ผู้เล่นหลายคนทั่วโลกได้สร้างสายการผลิตของตนเองขึ้นในขณะเดียวกัน เช่น ENEL Green Energy และ Hevel Solar ในยุโรป และ REC, Jinergy, GS-Solar และอื่นๆ อีกมากมาย ในเอเชีย. ประโยชน์หลักของเทคโนโลยี SHJ ถูกกล่าวถึงในบทความล่าสุดโดย Ballif et al [2]. นอกจากค่า CE ที่สูงแล้ว ข้อได้เปรียบหลักของ SHJ คือลำดับการผลิตแบบลีน โดยมีเพียงสี่ขั้นตอนหลักที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลทั้งสองด้านแบบสมมาตร:
1. การทำความสะอาดแบบเปียกและการทำพื้นผิวของเวเฟอร์
2. การสะสม a-Si:H โดยการสะสมไอเคมีที่ปรับปรุงด้วยพลาสมา (PECVD)
3. การสะสมของชั้นตัวนำไฟฟ้าออกไซด์โปร่งใส (TCO) โดยการสะสมไอทางกายภาพ (PVD มักจะเป็นสปัตเตอร์)
4. การพิมพ์สกรีนตะแกรงเงิน
เนื่องจากกระบวนการในอุณหภูมิต่ำ (<200 °c)="" และสแต็คอุปกรณ์สมมาตร="" จึงสามารถหลีกเลี่ยงการดัดและแตกของแผ่นเวเฟอร์ที่เกิดจากความเครียดได้="" ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้แผ่นเวเฟอร์แบบบางได้="" ซึ่งจะช่วยประหยัดต้นทุนวัสดุและพลังงาน="" สแต็ค="" shj="" เกิดขึ้นตามธรรมชาติในการออกแบบเซลล์สองหน้า="" นอกจากนี้="" เซลล์="" shj="" มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำสุดในสนาม="" ซึ่งโดยทั่วไปคือ="" –0.28="" %/°c="" การรวมกันของ="" bifaciality="" และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำจะเพิ่มผลผลิตพลังงานของระบบ="">
ในทางกลับกัน ปัจจัยบางประการที่จำกัดการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี SHJ คือต้นทุนอุปกรณ์ที่ค่อนข้างสูง ส่วนใหญ่สำหรับ PECVD (แต่สำหรับ PVD ด้วย) และการติดต่อเซลล์ที่ดัดแปลงสำหรับการผลิตโมดูล (ไม่มีอุณหภูมิสูงมาตรฐาน บัดกรี) จำเป็นต้องมีการวาง Ag มากกว่าสำหรับเซลล์ Si มาตรฐานเนื่องจากการบ่มที่อุณหภูมิต่ำทำให้นิ้วมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับวิธีการเชื่อมต่อโครงข่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งว่ามีการใช้บัสบาร์หรือไม่ สุดท้าย และกล่าวถึงรายละเอียดเพิ่มเติมในบทความนี้ เป้าหมายสำหรับการพ่นชั้น TCO ทั้งสองด้านเป็นสิ่งจำเป็น ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงสำหรับวัสดุที่มักใช้
อินเดียมออกไซด์ (In2O3) เจือด้วยดีบุก (Sn) ซึ่งเรียกว่า ITO ปัจจุบันเป็น TCO ที่ใช้กันมากที่สุด [3–5] ออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใสนี้เป็นที่รู้จักกันดีจากการผลิตจอแบน (FPD) จำนวนมาก และแสดงคุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสม เช่น ความต้านทานต่ำของชั้นบาง ๆ และความโปร่งใสเพียงพอในช่วงที่มองเห็นได้ การพิจารณาที่สำคัญสำหรับการผลิต FPD ITO สามารถประมวลผลได้ด้วยโฟโตลิโทกราฟี เนื่องจากสามารถแกะสลักได้ (ในสถานะฝาก) และมีความเสถียรในระยะยาวหลังจากการตกผลึกในเฟสของแข็งเมื่อผ่านการอบอ่อนด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 150–200 °C โดยทั่วไป ITO จะถูกสะสมโดยแมกนีตรอนสปัตเตอร์กระแสตรง (DC) บนพื้นที่ขนาดใหญ่ แม้ว่าการสปัตเตอร์ DC ในขั้นต้นจะทำให้เกิดความเสียหายบางอย่างของการทู่ผิวซิลิกอน แต่สิ่งนี้จะถูกอบอ่อนจนสุดที่อุณหภูมิประมาณ 200 °C ซึ่งถึงแม้ในระหว่างการสปัตเตอร์หรือหลังจากนั้นในระหว่างการบ่ม Ag paste หลังจากการพิมพ์หน้าจอ
ตรงกันข้ามกับ FPD TCO ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดเพิ่มเติมเมื่อนำไปใช้กับด้านหน้าของเซลล์ SHJ กล่าวคือความโปร่งใสที่ยอดเยี่ยมในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างกว่า 300–1,100 นาโนเมตร รูปที่ 1 แสดงสเปกตรัมการดูดกลืนของชั้น TCO ต่างๆ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างในการดูดกลืนปรสิตในระบอบความยาวคลื่นสั้นและยาว นอกจากการดูดซับที่ต่ำแล้ว ความต้านทานการสัมผัสต่ำกับชั้นซิลิกอนที่เจือด้วย n- และ p เช่นเดียวกับกริดโลหะ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับชั้น TCO ทั้งสองด้าน สุดท้ายแต่ไม่ท้ายสุด ข้อจำกัดด้านต้นทุนของเซลล์แสงอาทิตย์นั้นเข้มงวดอย่างยิ่ง และหากต้องการเห็นภาพ PV ในระดับเทราวัตต์ จำเป็นต้องลด (หรือยังคงดีกว่านั้น หลีกเลี่ยง) การใช้วัสดุที่สำคัญหรือหายาก เช่น อินเดียม ( ใน). อย่างไรก็ตาม ประเด็นหลังยังคงเป็นเรื่องยากที่จะกล่าวถึง เนื่องจาก TCO ที่มีคุณภาพอุปกรณ์ส่วนใหญ่มีอินเดียม ทางเลือกหนึ่งคือการลดความหนาของ TCO ดังกล่าว ซึ่งจะต้องวางชั้นที่สองเพื่อรักษาประสิทธิภาพด้านแสง (ป้องกันแสงสะท้อน) ในอุดมคติ ในทางกลับกัน ทำให้จำนวนขั้นตอนของกระบวนการเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้ ความซับซ้อนและต้นทุนของกระบวนการ
บทความนี้กล่าวถึงการเพิ่มประสิทธิภาพของ TCO สำหรับการรวมเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ของ SHJ มีการนำเสนอตัวชี้วัดสำหรับการประเมินและเปรียบเทียบ TCO ต่างๆ โดยคำนึงถึงความเหมาะสมสำหรับการใช้งานในเซลล์ SHJ เพื่อลดการสูญเสียการมองเห็นใน TCO ด้านหน้า จำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความโปร่งใสสูง ความคล่องตัวของผู้ให้บริการชาร์จสูง โดยทั่วไป>100 cm2/Vs ช่วยลดความหนาแน่นของพาหะ (ที่ความต้านทานคงที่) ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียทางแสงเนื่องจากการดูดซับของผู้ให้บริการอิสระ (FCA)
ในอดีตที่ผ่านมามีการตรวจสอบวัสดุ TCO 'ความคล่องตัวสูง' ต่างๆ ที่อิงจากอินเดียมออกไซด์ที่มีสารเติมแต่งต่างกัน สิ่งเหล่านี้แสดงคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเป็นชั้น TCO บนกระจกและส่วนใหญ่เป็น CE ที่สูงเช่นกัน อย่างไรก็ตาม การผลิตเป้าหมายเป็นเรื่องยากและต้นทุนสูงสำหรับวัสดุเหล่านี้จำนวนมาก
TCO ใหม่ที่สามารถประมวลผลในการผลิตขนาดใหญ่จากเป้าหมายที่หมุนได้ มีจำหน่ายแล้ว ทำให้มีความคล่องตัวสูงและผลิตเซลล์ SHJ ที่มี CE สูง สถานการณ์ที่ AZO เป็นทางเลือกที่ปราศจากอินเดียมและต้นทุนต่ำสามารถนำมาใช้ในเซลล์ SHJ ที่มีประสิทธิภาพสูงได้จะกล่าวถึงในภายหลัง การเปรียบเทียบต้นทุนของเป้าหมายแบบ In-based และ ZnO จะถูกนำเสนอด้วย
รูปที่ 1 สเปกตรัมการดูดกลืนแสงสำหรับชั้น TCO ที่มีความหนาประเภทต่างๆ
TCO สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ
ในอดีต มีการตรวจสอบวัสดุ TCO หลายอย่างเพื่อใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ของ SHJ ข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับการใช้งานนี้คือการนำไฟฟ้าสูงและโปร่งใสสูง โดยมีอุณหภูมิในการประมวลผลต่ำกว่า 200 °C (เนื่องจากความไวของชั้นฟิล์มซิลิกอนฟิล์มบาง) รวมทั้งการสัมผัสกับชั้นที่อยู่ใกล้เคียงที่ดี [14]
ในบรรดา TCO ที่เกี่ยวข้องบางส่วนนั้น polycrystalline Sn-doped In2O3(ITO) เติบโตที่อุณหภูมิต่ำกว่า 200°C ซึ่งจะเคลื่อนที่ได้ของอิเล็กตรอน (μe) ประมาณ 40 ซม.2/Vs [3–5] พบการใช้งานอย่างกว้างขวางในเซลล์แสงอาทิตย์ของ SHJ TCO พื้นฐานที่เจือด้วยโลหะอื่นๆ เช่น ไททาเนียม (Ti) [15,16] เซอร์โคเนียม (Zr) [6,12,13] โมลิบดีนัม (โม) [15,17–19] และทังสเตน (W) [ 10,11] ให้ค่า μe มากกว่า 80 cm2/Vs ที่ความหนาแน่นของผู้ให้บริการชาร์จ (ne) ตั้งแต่ 1×1020 ถึง 3×1020 cm-3.
ชั้นเหล่านี้สามารถฝากผ่านแมกนีตรอนสปัตเตอร์, การสะสมของเลเซอร์แบบพัลซิ่ง (PLD) และการชุบไอออนด้วยการปลดปล่อยอาร์กกระแสตรงหรือพลาสมาแบบรีแอกทีฟ (RPD) จากสิ่งเหล่านี้ การสปัตเตอร์เป็นวิธีที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดสำหรับการผลิตจำนวนมาก ความคล่องตัวที่สูงขึ้นของ μe>100 cm2/Vs สามารถทำได้สำหรับสารเจือไฮโดรเจน (H) ที่เจือด้วยไฮโดรเจนในเฟสของแข็ง (SPC)2O3(IOH) [6–9] และซีเรียม (Ce) ICEO:H [7] ภาพยนตร์ที่มี 1×1020<>< 3×1020="">-3. ฟิล์มเหล่านี้ถูกสะสมที่อุณหภูมิต่ำในเมทริกซ์อสัณฐานและต่อมาอบที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 °C ซึ่งส่งผลให้ค่า μe สูงเนื่องจากการก่อตัวของเมล็ดธัญพืชขนาดใหญ่
TCO ที่แนะนำข้างต้นนั้นมีความน่าสนใจเนื่องจากประสิทธิภาพออปโต-อิเล็กทริกที่โดดเด่น แต่จนถึงปัจจุบัน ITO และ IWO:H ส่วนใหญ่ได้ค้นพบหนทางสู่การผลิตภาคอุตสาหกรรมแล้ว อย่างไรก็ตาม การขาดแคลนอินเดียมเป็นแรงจูงใจในการดำเนินการตาม TCO ทางเลือก AZO นำเสนอข้อดีของการมีวัสดุคอมโพสิตจำนวนมากขึ้น ชั้น AZO ที่มีความหนาหลายร้อยนาโนเมตร พ่นที่อุณหภูมิสูงขึ้น>250 °C ให้คุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ดี [20] และความเสถียร [21]
ชั้นบางที่มีความหนาน้อยกว่า 100 นาโนเมตรที่ฝากไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 200 °C ตามความจำเป็นสำหรับเซลล์ SHJ ในทางตรงกันข้ามจะมีโครงสร้างผลึกที่ไม่ดี ส่งผลให้ค่าการเคลื่อนที่ต่ำประมาณ 20 ซม.2/Vs และความเสถียรในระยะยาวไม่ดี [22] เสถียรภาพที่ดีขึ้นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ ได้รับการแสดงโดยใช้ซิลิคอนออกไซด์อสัณฐาน (a-SiO2) ปิดฝา [23].
ตามที่ระบุโดยμeค่าที่ได้รับ และขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการประมวลผล TCO ที่แตกต่างกันแสดงให้เห็นถึงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่หลากหลาย ความต้านทานแผ่น TCO (R▫) ช่วงสามารถจำแนกได้ดังแสดงในตารางที่ 1 ในที่นี้ ช่วงความเข้มข้นของพาหะ 1.5×1020<>< 2.0×1020="">-3พิจารณา: สิ่งนี้แสดงถึงการประนีประนอมที่ดีเพื่อให้ได้ FCA ต่ำ การนำไฟฟ้าที่ดีและรูปแบบการติดต่อที่ดีกับชั้นที่อยู่ใกล้เคียง และความหนา TCO 75 นาโนเมตรสำหรับคุณสมบัติป้องกันแสงสะท้อน
ความสมมาตรในการประมวลผลเซลล์ SHJ และการใช้แผ่นเวเฟอร์ (ชนิด n) ที่มีอายุการใช้งานที่สูงมาก ทำให้สามารถเลือกหน้าสัมผัส (n หรือ p) ได้อย่างอิสระ ตำแหน่งของหน้าสัมผัส p (ทางแยก) มีผลกระทบต่อการปรับ TCO ด้านหน้าให้เหมาะสมเพื่อให้ได้ทั้งความโปร่งใสสูงและความต้านทานอนุกรมต่ำ Rsของเซลล์ [24–27] เพื่อแสดงสิ่งนี้ รูปที่ 2 แสดงภาพตัดขวางของเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ แบบสองหน้าและแบบหน้าเดียวในรูปแบบทางแยกด้านหลังโดยมีส่วนสนับสนุน Rs ทั้งหมดที่ระบุ การวิเคราะห์โดยละเอียดของส่วนประกอบ Rs และการมีส่วนร่วมในเซลล์แสงอาทิตย์ของ SHJ สามารถพบได้ใน Basset et al [25] และ วัง และคณะ [28]. การนำไฟฟ้าสูง กล่าวคือ ความหนาแน่นและความคล่องตัว ของอิเล็กตรอนในเวเฟอร์ c-Si พร้อมกับความต้านทานการสัมผัสที่ต่ำมากของหน้าสัมผัส n/TCO ช่วยให้สามารถเลือกหน้าสัมผัส n ที่ด้านหน้า ('ทางแยกด้านหลัง') เนื่องจากการขนส่งกระแสด้านข้างได้รับการสนับสนุนอย่างมากจากเวเฟอร์ สิ่งนี้ช่วยผ่อนคลายข้อกำหนดด้านการนำไฟฟ้าของ TCO (ความต้านทานแผ่น) ซึ่งช่วยให้ปรับให้เหมาะสมเพื่อความโปร่งใสสูงสุด
เพื่อแสดงให้เห็นผลกระทบของความอิสระที่กล่าวไว้ข้างต้นในการออกแบบเซลล์ รูปที่ 3 แสดงเส้นโค้ง Rs จำลองพร้อมกับค่าทดลองที่ดึงมาจากเซลล์แสงอาทิตย์ โดยความแปรผันของกระบวนการ ITO เป็นฟังก์ชันของความต้านทานแผ่นหน้า TCO ค่าทดลองตรวจสอบแนวโน้มของแบบจำลอง [27] ดังที่เห็นได้ชัดเจน การออกแบบทางแยกด้านหลังให้ข้อได้เปรียบสำหรับ TCO ที่มีความต้านทานสูง โดยได้ประโยชน์จากการสนับสนุนด้านข้างในการนำอิเล็กตรอนใน Si wafer ในทางกลับกัน การออกแบบทางแยกด้านหน้านั้นเป็นที่นิยมมากกว่าสำหรับชั้น TCO ที่มีความต้านทานต่ำ การออกแบบนี้ใช้ประโยชน์จากการมีส่วนร่วมของ Rs ตามขวางที่ต่ำกว่า เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีการเคลื่อนที่สูงกว่ารู จะเดินทางไปทางด้านหลังของแผ่นเวเฟอร์ (โดยที่การสร้างแสงส่วนใหญ่เกิดขึ้นใกล้กับด้านหน้า) การแลกเปลี่ยนระหว่างเงินสมทบ Rs ด้านข้างและตามขวางจะเป็นตัวกำหนดว่าการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบใดที่เหมาะสมที่สุด ขึ้นอยู่กับความต้านทานของแผ่น TCO
เดอะ อาร์▫ช่วงสำหรับ TCO ต่างๆ ที่รายงานในวรรณคดีและตามที่กำหนดไว้ในตารางที่ 1 แสดงไว้ในรูปที่ 3 พร้อมการแรเงาสีที่สอดคล้องกัน TCO ที่มี R . ต่ำ▫(สีแดง) มีประโยชน์มากกว่าเมื่อใช้งานในอุปกรณ์ทางแยกด้านหน้า ในขณะที่ TCO ที่มี R . ระดับกลาง▫(สีน้ำเงิน) อยู่ในบริเวณเฉพาะกาลที่ Rsความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ทางแยกด้านหน้าและทางแยกด้านหลังค่อนข้างน้อย ในทางตรงกันข้าม TCO ที่มีค่า R . สูง▫(สีเทา) มีประโยชน์อย่างชัดเจนเมื่อนำมาใช้ในการออกแบบทางแยกด้านหลัง ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับ AZO ตัวอย่างเช่น เนื่องจากมีความโปร่งใสสูงแต่ไม่นำไฟฟ้ามาก แต่ยังสร้างประสิทธิภาพของเซลล์ SHJ เหมือนเดิม>23 % เป็นเซลล์อ้างอิง ITO [23] ที่ Helmholtz-Zentrum Berlin เซลล์แสงอาทิตย์ SHJ ที่มี TCO ด้านหน้าทั้งแบบ ITO และ AZO ได้รับการรับรอง CE ที่สูงกว่า 23.5% [29]
อีกแนวทางหนึ่งที่ใช้ประโยชน์จากการสนับสนุนการขนส่งด้านข้างของแผ่นเวเฟอร์ ซึ่งแสดงให้เห็นโดยกลุ่มวิจัยบางกลุ่ม [27,30] และในการผลิตนำร่อง [31] คือการใช้ TCO ที่บางลง ซึ่งช่วยลดการดูดซึมปรสิต ดังนั้นการรักษาหรือปรับปรุง CE ของเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม การใช้เลเยอร์ TCO ที่บางกว่านั้นต้องการเลเยอร์ที่สองที่ด้านบน ตัวอย่างเช่น SiO2หรือซิ3N4– เพื่อรักษาระดับการป้องกันแสงสะท้อน (AR) ให้เหมาะสมที่สุด [32–34]
ในการหาปริมาณประสิทธิภาพเชิงแสงของ TCO ต่างๆ ได้อย่างแม่นยำเมื่อนำไปใช้ในสแต็กเซลล์ กล่าวคือ กำหนดการสูญเสียจำเพาะในความหนาแน่นกระแสลัดวงจร (Jsc) จำลองด้วยเครื่องมือซอฟต์แวร์ ray-tracing (GenPro4 [35]) โดยคำนึงถึงการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับ TCO ในเซลล์เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของ Rs และ Jsc ที่ลดลง วัสดุ TCO ที่แตกต่างกันได้รับการเปรียบเทียบดังแสดงในรูปที่ 4 เพื่อจุดประสงค์นี้ เซลล์แสงอาทิตย์อ้างอิงที่มี CE=23.3 % ได้รับการพิจารณาโดยไม่มีการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับ TCO ในJscและ Rs(เอฟเอฟ). IOH, ITO และ AZO ได้รับการศึกษาเป็นตัวอย่างของค่า R . ต่ำ▫, กลาง R▫และ R . สูง▫ระบอบการปกครองตามลำดับ
การศึกษาการใช้งาน TCO ทั้งแบบหนามาตรฐาน 75 นาโนเมตร ('หนา') และทินเนอร์ที่ปรับให้เหมาะสมที่สุดทางแสง ('บาง') สำหรับการเปรียบเทียบที่ยุติธรรม (เช่น อยู่ใน AR ที่เหมาะสมในทุกกรณี) เซลล์ทั้งหมด (ที่มี TCO ที่ 'หนา' และ 'บาง') เสร็จสิ้นด้วย a-SiO2ชั้นปิดฝา ความต้านทานการสัมผัสที่อินเทอร์เฟซ TCO/ Ag และ TCO/Si ถือว่า (ต่ำและ) เท่ากันสำหรับ TCO ทั้งสาม ซึ่งแน่นอนว่าเป็นการลดความซับซ้อน ซึ่งจะมีการหารือในภายหลังและนำเสนอใน Haschke et al [36]. รายละเอียดเพิ่มเติมของความหนาของชั้นที่ปรับให้เหมาะสมและผลการจำลองสามารถพบได้ใน Cruz et al [27].
กราฟในรูปที่ 4 แสดงการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับ TCO เนื่องจากการลดลงของ Jsc และการเพิ่มขึ้นของ Rsสำหรับอุปกรณ์ทางแยกด้านหลัง (รูปที่ 4(a)) และทางแยกด้านหน้า (รูปที่ 4(b)) เห็นได้ชัดว่า IOH มีประสิทธิภาพเหนือกว่า TCO อีกสองรายการ เนื่องจากคุณสมบัติออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่โดดเด่นในทั้งสองกรณี ในรูปที่ 4 (a) แสดง ITO และ AZO ที่หนา วัสดุชดเชยการสูญเสีย CE เนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่า AZO แสดงการดูดซึมปรสิตที่ต่ำกว่า ITO เมื่อเปรียบเทียบกับ TCO รุ่นที่บางกว่า จะสังเกตได้ว่าการสูญเสีย CE ลดลงเล็กน้อยอันเป็นผลมาจากการดูดซึมปรสิต TCO ที่ลดลง ITO ได้ประโยชน์อย่างชัดเจนจากการทำให้ผอมบางนี้อย่างชัดเจน เนื่องจากมีการดูดซึมปรสิตที่สูงกว่า ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะนำไปสู่ CE ที่ดีกว่า AZO เล็กน้อย นี่แสดงให้เห็นว่า TCO ที่บางกว่าพร้อมเลนส์ที่ปรับปรุงแล้วสามารถนำไปใช้ในการกำหนดค่าทางแยกด้านหลัง และจะเป็นประโยชน์ในแง่ของ CE
ในทางตรงกันข้าม เมื่อดูที่การออกแบบทางแยกด้านหน้าในรูปที่ 4(b) จะเห็นได้ว่า IOH ที่มีการนำไฟฟ้าสูงจะไม่ได้รับผลกระทบจากการลำเลียงด้านข้างด้านล่างโดยเวเฟอร์ อย่างไรก็ตาม ITO และ AZO ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าจะเพิ่มการสูญเสียความต้านทาน การลดความหนาของ ITO ไม่ได้นำไปสู่ข้อได้เปรียบของ CE แต่ในกรณีของ AZO จะทำให้เสียเปรียบอย่างเห็นได้ชัด สรุปได้ว่า TCO ที่มีการนำไฟฟ้าสูง ในตัวอย่างใน IOH สามารถนำไปใช้กับการกำหนดค่าเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งแบบทางแยกด้านหลังและทางแยกด้านหน้าโดยไม่มีความแตกต่างที่สำคัญในการสูญเสีย CE TCO ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า เช่น ITO และ AZO จะได้รับผลกระทบจาก Rs ด้านข้างที่สูงกว่าที่มีอยู่ในการกำหนดค่าทางแยกด้านหน้า การทำให้ TCO ผอมบางบนเซลล์แสงอาทิตย์ทางแยกด้านหลังจะเป็นประโยชน์หาก TCO มีค่าเกินกว่าเกณฑ์การดูดกลืนแสง แม้แต่สำหรับ TCO ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ ในตัวอย่าง AZO ในการออกแบบทางแยกด้านหน้า การทำให้ผอมบางจะทำให้เกิดประโยชน์เพียงเล็กน้อย หรืออาจเสียเปรียบสำหรับ TCO ที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า เช่น AZO
ประสิทธิภาพของ TCO ที่มีความคล่องตัวสูงในอุตสาหกรรม
เพื่อทดสอบ TCO ที่มีความคล่องตัวสูงที่สปัตเตอร์ในอัตราที่สูงโดยการสปัตเตอร์กระแสตรงจากเป้าหมายหลอด ดังที่ทำในการผลิตจำนวนมากในขนาดใหญ่ วัสดุต่างๆ ถูกนำมาใช้สำหรับ TCO ด้านหน้าในเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ แบบสองหน้าแบบสองหน้า TCO ที่มีความคล่องตัวสูงสองประเภทได้รับการทดสอบ ได้แก่ อินเดียมออกไซด์ที่เจือด้วยไทเทเนียม (ITiO) และอินเดียมออกไซด์ที่มีชนิดยาสลบที่ไม่เปิดเผย ('Y') นอกจากนี้ ITO ที่มีความเข้มข้นของยาสลบต่างๆ ได้รับการทดสอบ ได้แก่ มีอินเดียมออกไซด์ 97% และดีบุกออกไซด์ 3% ในเป้าหมาย ('97/3') และ ITO 99/1 เป็นวัสดุอ้างอิง ITO 97/3 ถูกนำมาใช้ที่ด้านหลังของเซลล์ทั้งหมด กลุ่มเซลล์ที่มี ITO 95/5 ทั้งด้านหน้าและด้านหลังถูกรวมไว้ด้วย
ชั้นทดสอบที่สอดคล้องกันบนกระจกเผยให้เห็นความต้านทานของแผ่น TCO ในช่วง 36–136 Ω หลังจากการสะสมและการหลอมเป็นเวลา 30 นาทีที่ 200 °C ภายใต้สภาวะแวดล้อม ซึ่งเทียบได้กับการบ่มที่ดำเนินการหลังจากการพิมพ์สกรีน นี่เป็นช่วงที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานเป็นหน้าสัมผัสด้านหน้าในเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ ทางแยกด้านหลัง ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ (ดูรูปที่ 3) อย่างไรก็ตาม ต้องคำนึงว่าชั้น TCO ที่วางอยู่บนแก้วอาจแสดงคุณสมบัติ (การเคลื่อนที่ของตัวพา) ที่แตกต่างจากชั้นเมื่อวางชั้นบนซิลิกอน ตามความจำเป็นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ มีสาเหตุมาจากผลกระทบสองประการ [29]: (1) นิวเคลียสของผลึกที่แตกต่างกันและด้วยเหตุนี้ โครงสร้างเกรน; (2) ปริมาณไฮโดรเจนที่แตกต่างกันซึ่งกระจายจากชั้นซิลิกอนเข้าสู่ TCO
เลเยอร์ ITiO และ Y แสดงความสามารถในการเคลื่อนที่สูงถึง 90 ซม. 2 / Vs แต่มีความหนาแน่นของผู้ให้บริการชาร์จต่างกันคือ 2 × 1020ซม-3และ ~0.8×1020ซม-3ตามลำดับ สำหรับฟิล์ม ITO97/3 และ ITO99/1 ค่าความคล่องตัวที่ต่ำกว่า ประมาณ 60 และ 70 ซม.2/Vs ที่ความหนาแน่นของผู้ให้บริการชาร์จ 2.7×1020 cm-3และ 1.8×1020ซม-3ตามลำดับถูกวัด อันเป็นผลมาจากความหนาแน่นของตัวพาประจุที่ต่ำมาก ฟิล์ม Y แสดงการดูดกลืนปรสิตที่ต่ำที่สุดในบริเวณใกล้อินฟราเรด (ดูรูปที่ 1) ซึ่งทำให้วัสดุนี้มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการบรรลุ Jsc สูงสุด และอาจเป็นไปได้ว่า CE สูงสุดในเซลล์แสงอาทิตย์
ดิI–Vพารามิเตอร์ของแต่ละกลุ่มทดสอบแสดงในรูปที่ 5 เซลล์ทั้งหมดแสดงแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดที่เปรียบเทียบได้ (Vออก) โดยมีค่ามัธยฐานในช่วงแคบที่ 737–738 mV สิ่งนี้เป็นการยืนยันว่าฟิล์มไม่ได้ลดลงเนื่องจากความเสียหายของสปัตเตอร์ต่างกัน ตามที่คาดไว้ เซลล์แสงอาทิตย์ที่มี TCO ที่มีความคล่องตัวสูงให้ผล J . สูงสุดscมีค่ามัธยฐาน 39.0 mA/cm2และ 39.2 mA/cm2สำหรับ ITiO และ Y ตามลำดับ สูงถึง 0.5 mA/cm2สูงกว่าที่ได้รับจากการอ้างอิง ITO97/3
แม้จะสูงJscและดีVออกอย่างไรก็ตาม ค่าเซลล์ที่มีหน้าสัมผัส Y ไม่ได้ให้ประสิทธิภาพสูงสุด ค่า CE มัธยฐานสูงสุดที่ 22.9% ได้รับจริงสำหรับ ITO99/1 ในขณะที่ค่าสูงสุดของ CE ที่ 23.3 % ถูกวัดสำหรับเซลล์ที่มี ITiO CE ที่ต่ำกว่าในกรณีของตัวอย่าง Y เป็นผลมาจาก FF ค่ามัธยฐานที่ต่ำกว่าเพียงประมาณ 77% ซึ่งเกิดจากค่า Rs ที่สูงกว่ามาก อันที่จริง เซลล์ที่มีหน้าสัมผัส Y ให้ค่ามัธยฐาน Rs สูงสุดที่ 1.3–1.6 Ω cm2. ในทางตรงกันข้าม ค่ามัธยฐาน Rs คือ 0.9 Ω cm2สำหรับเซลล์ ITO99/1 ส่งผลให้ค่ามัธยฐานสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญFFร้อยละ 79.5
ตารางที่ 1. การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางไฟฟ้าของ TCO ต่างๆ
รูปที่ 2. มุมมองตัดขวางแบบแผนผังของเซลล์แสงอาทิตย์แบบแยกส่วนซิลิคอน (SHJ) ทางแยกด้านหลัง: (a) การออกแบบเซลล์สองหน้า; (b) การออกแบบเซลล์หน้าเดียว โดยแสดงส่วนประกอบความต้านทานแบบอนุกรม (Rs)
รูปที่ 3 ความต้านทานซีรีส์เทียบกับความต้านทานแผ่น TCO ด้านหน้าสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ ทางแยกด้านหน้าและด้านหลัง เส้นโค้งแสดงถึงผลลัพธ์ที่จำลองขึ้น ในขณะที่กล่องแสดงผลลัพธ์สำหรับเซลล์ที่วัดได้ด้วยการแปรผันของ ITO
ความสำคัญของความต้านทานการสัมผัสต่ำ
ความต้านทานอนุกรมสูงของเซลล์ที่มี (ความหนาแน่นของพาหะต่ำและ) TCO ที่มีความคล่องตัวสูง อันที่จริงแล้วเป็นแง่มุมที่ต้องได้รับการแก้ไข อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น สององค์ประกอบหลักของ Rsนี่คือความต้านทานการสัมผัสของ TCO ที่มีชั้นสัมผัสซิลิกอน n- และ p-doped ซึ่งได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดในเอกสาร [37–40] ในกรณีของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ n-doped c-Si-based ความต้านทานการสัมผัสของ TCO กับชั้น Si ที่เติม n-doped สามารถจำแนกได้โดยใช้เทคนิคต่างๆ ที่ค่อนข้างง่าย เช่น Cox และ Strack [41] หรือการส่งผ่าน -line [42] วิธี ในทางตรงกันข้าม ความต้านทานการสัมผัสของ TCO กับ p-doped Si layer (TCO/p) นั้นเข้าถึงได้ยากกว่า เนื่องจากมีการสร้างทางแยก ดังที่แสดงโดย Basset และคณะ [21] และวังและคณะ [24] เช่น วิธีง่ายๆ ในการดึงค่าของ Rsส่วนประกอบคือการได้มาซึ่งส่วนประกอบที่เข้าถึงได้ทั้งหมดของ Rsและค่าที่เหลือจะสรุปเป็นความต้านทานการสัมผัส TCO/p
ความต้านทานการสัมผัส ρcขึ้นอยู่กับการจัดตำแหน่งแถบรายละเอียดและการดัดแถบ ตลอดจนสถานะข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซ ดังนั้น พารามิเตอร์หลายตัวจึงมีความสำคัญ โดยเฉพาะพลังงานกระตุ้นของชั้น Si ที่เจือปนและความหนาแน่นของตัวพาประจุ แต่ยังรวมถึงความแตกต่างของฟังก์ชันการทำงานระหว่างวัสดุทั้งสองด้วย Procel และคณะ [38] แสดงให้เห็นว่า ρcมีค่าน้อยที่สุดเมื่อชั้นเจือแสดงค่าพลังงานกระตุ้นต่ำ เช่น ชั้นที่ได้รับด้วยชั้นซิลิกอนนาโนคริสตัลไลน์แทนที่จะเป็นชั้นอสัณฐาน
นอกจากนี้ ความหนาแน่นของผู้ให้บริการชาร์จของ TCO ควรสูงกว่า 1×1020ซม-3; นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการสัมผัส TCO/p ซึ่งจำเป็นต้องมีการรวมตัวของรูและอิเล็กตรอนที่หน้าสัมผัสใหม่อย่างมีประสิทธิภาพ ในส่วนที่เกี่ยวกับการเลือกและการปรับให้เหมาะสมของเลเยอร์ TCO นี้เกี่ยวข้องกับการค้นหาค่า ne ที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งจะต้องสูงพอที่จะทำให้ได้ค่าที่ต่ำเพียงพอcค่า แต่ในขณะเดียวกันต้องต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อจำกัดการดูดซึมปรสิต (FCA)
ในการทดลองล่าสุด ได้เลือกเลเยอร์ Y ที่มีความหนาแน่นของพาหะที่สูงกว่า รูปที่ 8 แสดงคุณสมบัติที่มีให้โดยการปรับแต่งกระบวนการ อันที่จริง สำหรับ TCO ที่ดัดแปลง เซลล์ FF ฟื้นตัว แต่ด้วยค่าใช้จ่ายที่ลดลงเล็กน้อยในJscเนื่องจาก FCA เพิ่มเติม โดยรวมแล้ว CE ยังคงเพิ่มขึ้นจนถึงระดับใกล้เคียงกับที่พบในกลุ่มที่ดีที่สุดในรูปที่ 5 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการปรับแต่งคุณสมบัติของเลเยอร์และอินเทอร์เฟซอย่างระมัดระวัง
รูปที่ 4 การสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นกระแส (Ploss J) และการสูญเสียพลังงานที่เกี่ยวข้องกับอนุกรม (Ploss R) สำหรับ (a) ทางแยกด้านหลังและ (b) เซลล์ SHJ ทางแยกด้านหน้า ค่าการสูญเสียประสิทธิภาพการแปลง (CE) จะแสดงด้วยเส้นประ การสูญเสียเหล่านี้สัมพันธ์กับเซลล์แสงอาทิตย์อ้างอิงที่มี CE 23.3% ซึ่งแสดงโดยเพชรสีม่วงที่ (0,0) สัญลักษณ์ที่เติมแสดงถึง TCO ที่หนา 75 นาโนเมตร (มาตรฐาน) แต่มีการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน (ARC) ที่ด้านบน ในขณะที่สัญลักษณ์แบบเปิดแสดงถึงเลเยอร์ TCO ที่บางกว่า (ปรับให้เหมาะสม) รวมถึง ARC ด้วย
ด้านอุตสาหกรรม: ต้นทุนเป้าหมาย
ประเภทเป้าหมาย TCO ทั่วไปที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกซิลิกอนเป็นเป้าหมายที่หมุนได้ ซึ่งเป็นเปลือกทรงกระบอกของวัสดุ TCO ที่ยึดติดกับท่อสำรองที่ทำจากโลหะ ยิ่งท่อยาวเท่าไหร่ก็ยิ่งต้องใช้กระสุนมากขึ้นสำหรับเป้าหมายท่อ เหตุผลที่อุตสาหกรรมชอบเป้าหมายประเภทนี้สำหรับการสปัตเตอร์ของ TCO คืออัตราการใช้วัสดุเป้าหมาย TCO ที่สูงกว่ามากสำหรับเป้าหมาย TCO แบบระนาบ อัตราการใช้ประโยชน์ของวัสดุเป้าหมายที่สามารถทำได้โดยมีเป้าหมายที่หมุนได้มักจะ ≥80 %; นี่เป็นเรื่องที่น่าสนใจเป็นพิเศษในกรณีที่วัสดุ TCO มีราคาแพง เช่น TCO ที่ทำจากอินเดียม ในส่วนของ TCO ในอุตสาหกรรม PV แบบผลึกซิลิคอนนั้น TCO ที่อิงจากอินเดียมมีความสำคัญเนื่องจากคุณสมบัติของชั้นที่ยอดเยี่ยม (ดังที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้) อย่างไรก็ตาม ผู้เล่นในตลาดบางรายเสนอ TCO ที่มีสังกะสีเป็นพื้นฐานเพื่อจุดประสงค์เดียวกัน มีข้อดีและข้อเสียสำหรับการใช้ TCO ที่มีสังกะสีเป็นส่วนประกอบ ข้อดีประการหนึ่งคือต้นทุนที่ต่ำกว่าของเป้าหมายท่อที่มีสังกะสีเป็นองค์ประกอบในขนาดที่เหมือนกับเป้าหมายที่มีแร่อินเดียม ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าของสังกะสีแสดงข้อจำกัดในการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้และแสดงไว้ในรูปที่ 3
รูปที่ 6 แสดงต้นทุนเป้าหมายเฉพาะต่อ cm3ของเป้าหมายท่อสำหรับ TCO ที่ใช้สังกะสีและ TCO ที่มีอินเดียม โปรดทราบว่าค่าใช้จ่ายของท่อสำรองไม่รวมอยู่ในต้นทุนเป้าหมาย จุดข้อมูลถูกรวบรวมจากซัพพลายเออร์เป้าหมายทั่วโลก จุดข้อมูลจำนวนน้อยสำหรับ TCO ที่มีสังกะสีเป็นส่วนประกอบอาจเกิดจากการขาดความสนใจสำหรับวัสดุดังกล่าวที่แสดงโดยอุตสาหกรรมคริสตัลไลน์ซิลิคอน PV จนถึงขณะนี้
การกระจัดกระจายของต้นทุนเป้าหมายเกิดขึ้นเนื่องจากวัสดุที่แตกต่างกันภายในกลุ่มสังกะสีและภายในกลุ่มอินเดียม หรือเนื่องจากซัพพลายเออร์ที่แตกต่างกัน จุดข้อมูลที่แสดงถึงต้นทุนเป้าหมายที่สูงขึ้นในทั้งสองกลุ่มสามารถอธิบายได้ด้วยองค์ประกอบทั่วไปที่น้อยกว่า และ/หรือกระบวนการผลิตที่มีค่าใช้จ่ายสูง และ/หรือส่วนต่างกำไรสูง จุดข้อมูลต้นทุนต่ำที่สังเกตได้ในทั้งสองกลุ่มควรเป็นมูลค่าต้นทุนที่เป็นตัวแทนสำหรับผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีความต้องการเป้าหมายท่อหลายร้อยปีต่อปี
การเปรียบเทียบค่าต่ำสุดในทั้งสองกลุ่มพบว่า TCO แบบ Zn (ราคาเป้าหมาย ~$0.6/ ซม.)3) สามารถประมาณหนึ่งในสี่ของราคาของ TCO แบบอิง (ต้นทุนเป้าหมาย ~$2.6/cm3). อย่างไรก็ตาม ควรชี้ให้เห็นว่าจุดข้อมูลเหล่านี้เป็นภาพรวมของสถานการณ์ปัจจุบัน และในไม่ช้าก็อาจจะล้าสมัย ขึ้นอยู่กับความผันผวนของตลาดหุ้นที่เกี่ยวกับวัตถุดิบ โดยเฉพาะอินเดียม
รูปที่ 5. พารามิเตอร์ I–V ของเซลล์แสงอาทิตย์ SHJ แบบสองหน้าขนาด 4 ซม. พร้อม TCO ด้านหน้าแบบต่างๆ และ ITO 97/3 ที่ด้านหลัง ITO 95/5, DC สปัตเตอร์จากเป้าหมายหลอดที่ HZB ถูกรวมไว้เป็นข้อมูลอ้างอิง
ด้านอุตสาหกรรม: การผลิตจำนวนมาก
นอกเหนือจากความต้องการใช้ TCO ที่ปราศจากอินเดียมโดยมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน (OPEX) แล้ว การมีเครื่องมือสปัตเตอร์สำหรับการผลิตปริมาณมากซึ่งสามารถผลิตสารเคลือบ TCO คุณภาพสูงได้ในต้นทุนที่ต่ำถือเป็นประโยชน์สูงสุด รูปที่ 7 แสดงระบบสปัตเตอร์ XEA|nova L ที่มีประสิทธิภาพสูงจาก VON ARDENNE ซึ่งสามารถวางเลเยอร์ TCO ที่ปริมาณงานของเวเฟอร์ M6 8,000 แผ่นต่อชั่วโมงในเวอร์ชันพื้นฐาน และที่ปริมาณงานที่สูงขึ้นไปอีกโดยใช้แพ็คเกจการอัปเกรด ในช่วงปี 2019 อุปกรณ์ XEA|nova ได้กลายเป็นส่วนหนึ่งของสายการผลิตทางอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพเซลล์สูงสุดที่สูงกว่า 24% โดยใช้ฟิล์ม TCO ที่คล้ายกับที่ใช้ในการทดสอบที่นี่
เพื่อให้ได้ปริมาณงานสูง อัตราการสะสมของชั้น TCO ต้องสูง ซึ่งสามารถรับรู้ได้โดยใช้พลังงาน DC สูงกับเป้าหมายของท่อ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติ TCO ยังคงต้องคงอยู่เมื่อ TCO ถูกเตรียมที่ความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้น รูปที่ 8 แสดงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและความหนาแน่นของตัวพาประจุของฟิล์ม TCO ที่สปัตเตอร์ที่ 4kW และ 8kW จากเป้าหมายหลอดเซรามิกของ TCO ประเภท 'Y' เคลื่อนที่ได้สูงประมาณ 80 ซม.2/ Vs สามารถทำได้ที่ระดับพลังงาน 4kW หลังจากการทับถม การเพิ่มกำลังสปัตเตอร์เป็น 8 kW ช่วยลดความคล่องตัวสูงสุดได้สูงสุดถึง 10% เป็นที่น่าสนใจว่าสามารถเคลื่อนที่ได้เพิ่มขึ้นอีกถึง 100 ซม.2/Vs โดยการอบฟิล์มเป็นเวลา 30 นาที ที่อุณหภูมิ 200°C ดังแสดงในรูปที่ 8
รูปที่ 6 ต้นทุนเป้าหมายเฉพาะต่อ cm3 ของวัสดุเป้าหมายสำหรับ TCO แบบอินเดียมและสังกะสี
บทสรุป
เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ของ SHJ ได้แสดงให้เห็นว่ามีบทบาทสำคัญในการเพิ่มส่วนแบ่งในการผลิตขนาดใหญ่ นี่เป็นเพราะประสิทธิภาพการแปลงที่สูงมากที่ทำได้และกระบวนการผลิตแบบลีน
เกี่ยวกับบทบาทของ TCOs ยังคงต้องแก้ไขสามด้านเพื่อเพิ่มโอกาสของเทคโนโลยี SHJ ในการรุกเข้าสู่อุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มเติม:
1. ปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์ให้ดียิ่งขึ้นสิ่งนี้สามารถทำได้โดยการใช้ TCO ที่มีความคล่องตัวสูงซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมาก แสดงให้เห็นว่า TCO ที่มีความคล่องตัวสูงสามารถสปัตเตอร์ได้ที่ปริมาณงานสูง และ TCO เหล่านี้ได้รับการทดสอบในเซลล์แสงอาทิตย์ของ SHJ แม้ว่า CE ของเซลล์ SHJ ดังกล่าวจะสูง แต่ก็ยังล้าหลังเซลล์อ้างอิงที่มี TCO ด้านหน้าของ ITO ที่ดีที่สุด แม้ว่าจะมีการดูดซับที่ต่ำกว่าและความคล่องตัวที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากความต้านทานการสัมผัสที่เพิ่มขึ้นของ TCO ด้วย n- และ/หรือ หน้าสัมผัสซิลิกอน p-doped การปรับ TCO อย่างละเอียดและการใช้งานเลเยอร์สัมผัสและ/หรือการปรับอินเทอร์เฟซให้เหมาะสมจะต้องได้รับการแก้ไข เพื่อลดการสูญเสียความต้านทานเพิ่มเติมที่อินเทอร์เฟซเหล่านี้ และด้วยเหตุนี้จึงเก็บเกี่ยวผลประโยชน์อย่างเต็มที่จากคุณสมบัติ TCO ที่เหนือกว่า
2. ลดการใช้วัสดุที่หายาก (และมีราคาแพง) โดยเฉพาะอินเดียมตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการประหยัดต้นทุนวัสดุคือการลดความหนาของ TCO สิ่งนี้น่าสนใจยิ่งขึ้นด้วย TCO การนำไฟฟ้าสูง (ความคล่องตัวสูง) ที่มีราคาแพง อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีขั้นตอนของกระบวนการอื่นในการฝากชั้นที่สองที่ป้องกันแสงสะท้อน (ปิดฝา) เลเยอร์ (ARC) ไว้บน TCO เพื่อลดการสูญเสียการสะท้อน อีกทางหนึ่ง ตามที่แสดงในเอกสารนี้ TCO ที่มีการนำไฟฟ้าต่ำกว่า (AZO ในตัวอย่างที่ให้ไว้) สามารถนำไปใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ทางแยกด้านหลังได้โดยไม่กระทบต่อ CE ความเกี่ยวข้องที่เพิ่มขึ้นนี้เกี่ยวข้องกับต้นทุน: ในการวิเคราะห์ที่นำเสนอ เป้าหมายที่ใช้ ZnO แสดงให้เห็นถึงต้นทุนที่ต่ำกว่าที่ 0.6 ดอลลาร์/ซม.3สำหรับวัสดุเป้าหมาย เทียบกับ $2.6/cm3สำหรับเป้าหมายในฐาน ความเสถียรที่จำกัดของ AZO สามารถแก้ไขได้ เช่น หุ้มด้วยชั้นไดอิเล็กตริก (a-SiO2หรือ a-SiNx).
3. ลดต้นทุนอุปกรณ์ PVDการปรับขนาดและการเพิ่มปริมาณงานของสายการผลิต TCO เป็นวิธีที่จะไป โดย DC sputtering พร้อมสำหรับการผลิต TCO ประสิทธิภาพสูงที่มีปริมาณงานสูง
รับทราบ
เงินทุนจากกระทรวงเศรษฐกิจและพลังงานแห่งสหพันธรัฐเยอรมัน (BMWi) ภายใต้กรอบของโครงการ Dynasto ภายใต้ #0324293 ได้รับการยอมรับอย่างสุดซึ้ง
รูปที่ 8 คุณสมบัติทางไฟฟ้าของชั้น TCO สปัตเตอร์ที่ 4kW และ 8kW จากเป้าหมายหลอดเซรามิกของ TCO ประเภท 'Y' ในสถานะฝากและหลังจากการหลอมเป็นเวลา 30 นาทีที่ 200 ° C ในสภาวะแวดล้อม
รับทราบ
เงินทุนจากกระทรวงเศรษฐกิจและพลังงานแห่งสหพันธรัฐเยอรมัน (BMWi) ภายใต้กรอบของโครงการ Dynasto ภายใต้ #0324293 ได้รับการยอมรับอย่างสุดซึ้ง
อ้างอิง
[1] ชุนดูรี, SK&แอมป์; Schmela, M. 2019, “Heterojunction solar technology”, Taiyang News [http://taiyangnews.info/TaiyangNews_Report_ Heterojunction_Solar_Technology_2019_EN_ download_version2.pdf]
[2] Ballif, C. et al. 2019, “การแก้ปัญหาคอขวดทั้งหมดสำหรับเทคโนโลยีซิลิคอน heterojunction”, Photovoltaics International, 42nd Edition, p. 85.
[3] Frank, G.&แอมป์; Köstlin, H. 1982, “คุณสมบัติทางไฟฟ้าและแบบจำลองข้อบกพร่องของชั้นอินเดียมออกไซด์ที่เจือด้วยดีบุก”, Appl. สรีรวิทยา A, ฉบับที่. 27 ฉบับที่ 4 หน้า 197–206 [https://doi. org/10.1007/BF00619080].
[4] แฮมเบิร์ก, I.& Granqvist, CG 1986, “Evaporated Sn»สารเติมแต่ง In2O3 ภาพยนตร์: คุณสมบัติทางแสงขั้นพื้นฐานและการประยุกต์ใช้กับพลังงาน»หน้าต่างที่มีประสิทธิภาพ”, J. Appl. ส.ว. 60 ฉบับที่ 11 หน้า R123–R160 [https://doi. org/10.1063/1.337534].
[5] Balestrieri, M. และคณะ 2011, “ลักษณะเฉพาะและการเพิ่มประสิทธิภาพของฟิล์มอินเดียมทินออกไซด์สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบ heterojunction”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 95 ลำดับที่ 8 หน้า 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012]
[6] Koida, T.&แอมป์; Kondo, M. 2007, “การศึกษาเปรียบเทียบของตัวนำโปร่งใส Ti-, Zr- และ Sn-doped In2O3 โดยใช้วิธีการแบบผสมผสาน”, J. Appl. ส.ว. 101 ฉบับที่ 6 น. 063713 [https://doi. org/10.1063/1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.&แอมป์; Yamamoto, T. 2015, “ฟิล์มบางเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าโปร่งใสที่มีความคล่องตัวสูงของอินเดียมออกไซด์เจือซีเรียม”, Appl. สรีรวิทยา Expr., ฉบับที่. 8 ฉบับที่ 1 น. 015505 [https://doi. org/10.7567/APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, “ออกไซด์นำไฟฟ้าโปร่งใส In2O3:H เคลื่อนที่ได้สูง ซึ่งเตรียมโดยการสะสมของชั้นอะตอมและการตกผลึกของเฟสของแข็ง”, สถานะ physica solidi (RRL), Vol. 8 ลำดับที่ 12 หน้า 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426]
[9] เออร์เฟิร์ต, D. et al. 2019, “ปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพัลซิ่ง DC แมกนีตรอนสปัตเตอร์ไฮโดรเจนเจืออินเดียมออกไซด์หลังจากการหลอมในอากาศ”, Mater วิทย์. เซมิคอน พ.ต.อ. 89 หน้า 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, "ฟิล์มอินเดียมออกไซด์เจือทังสเตน: พร้อมสำหรับการทำให้เป็นโลหะทองแดงแบบสองหน้าของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนเฮเทอโรจังก์ชัน", โซล วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 144 น. 359–363 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2015.09.033].
[11] บ้านใหม่ PF และคณะ 2005, “ฟิล์มบาง In2O3 ที่เจือด้วยอิเล็กตรอนสูง W-doped โดยการสะสมเลเซอร์พัลซิ่ง”, Appl สรีรวิทยา เลตต์., Vol. 87 ฉบับที่ 11 น. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T. , Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, “การเติบโตของการสะสมชั้นอะตอมของเซอร์โคเนียมเจือฟิล์ม In2O3”, Thin Solid Films, Vol. 440 ฉบับที่ 1 หน้า 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090(03)00822-8].
[13] โมราเลส-มาซิส, M. et al. ปี 2018, “In2O3 ที่เจือด้วย Zr-doped แบบโปร่งใสและเป็นสื่อนำไฟฟ้าสูงและบรอดแบนด์เป็นอิเล็กโทรดด้านหน้าสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์”, IEEE J. Photovolt., pp. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306]
[14] โมราเลส-มาซิส, M. et al. 2017, “อิเล็กโทรดโปร่งใสสำหรับออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพ”, Adv. อิเล็กตรอน. Mater. ฉบับที่. 3 ฉบับที่ 5 หน้า 1600529 [https://doi. org/10.1002/aelm.201600529].
[15] เดลาฮอย, AE&แอมป์; Guo, SY 2005, “การทับถมของฟิล์มตัวนำโปร่งใสและกึ่งโปร่งใสโดยสภาพแวดล้อมที่เกิดปฏิกิริยา, การสปัตเตอร์แคโทดแบบกลวง”, J. Vac. วิทย์. เทคโนโลยี A, ฉบับที่. 23 ฉบับที่ 4 หน้า 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] ฟาน เฮสท์, MFAM และคณะ 2005, “ไทเทเนียมออกไซด์เจือด้วยไทเทเนียม: ตัวนำโปร่งใสที่มีความคล่องตัวสูง”, Appl. สรีรวิทยา เลตต์., Vol. 87 ฉบับที่ 3 น. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2544, “ฟิล์มบางนำไฟฟ้าโปร่งใสรุ่นใหม่ In2O3:Mo”, Thin Solid Films, Vol. 394 ฉบับที่ 1–2 หน้า 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090(01)01142-7]
[18] Yoshida, Y. et al., “การพัฒนาของแมกนีตรอนความถี่วิทยุสปัตเตอร์อินเดียมโมลิบดีนัมออกไซด์”, J. Vac. วิทย์. เทคโนโลยี A, ฉบับที่. 21 ฉบับที่ 4 หน้า 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] วอร์มซิงห์, C. et al. พ.ศ. 2547 “ฟิล์มบาง Mo-doped In2O3 ที่มีความโปร่งใสเคลื่อนที่สูงโดยการสะสมของเลเซอร์พัลซิ่ง” J. Appl ส.ว. 95 ลำดับที่ 7 หน้า 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, “การปรับปรุงการขนส่งทางไฟฟ้าในสังกะสีออกไซด์ที่เจือด้วยอัลโดยการบำบัดความร้อน”, J. Appl ส.ว. 107 ฉบับที่ 1 น. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, “ฟิล์มสังกะสีออกไซด์ที่เจือด้วยความร้อนชื้น”, Thin Solid Films, Vol. 555 หน้า 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. พ.ศ. 2554 “ความคงตัวทางความร้อนชื้นของฟิล์มซิงก์ออกไซด์ที่มีสารเจือด้วยอัล (Al-doped) บนพื้นผิวเรียบและหยาบ”, Thin Solid Films, Vol. 520 ลำดับที่ 4 หน้า 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] โมราเลส-วิลเชส เอบี และคณะ ประจำปี 2018 “เซลล์แสงอาทิตย์แบบแยกขั้วซิลิคอนที่ปราศจาก ITO พร้อมอิเล็กโทรดด้านหน้า ZnO:Al/SiO2 ซึ่งมีประสิทธิภาพการแปลง 23%”, IEEE J. Photovolt., Vol. 9 ฉบับที่ 1 หน้า 1–6 [https:// doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, “Silicon heterojunction rear emitter solar cells: ข้อจำกัดน้อยลงเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสงของ TCO ด้านหน้า”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 122 หน้า 120–129 [https:// doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. พ.ศ. 2561 "การสลายความต้านทานซีรีส์ของเซลล์แสงอาทิตย์แบบแยกซิลิคอนเฮเทอโรจังก์ชันที่ผลิตในสายนำร่อง CEA-INES", Proc. EU PVSEC ครั้งที่ 35 บรัสเซลส์ เบลเยียม pp. 721–724 [https://doi. org/10.4229/35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21]
[26] Ling, ZP และคณะ 2015, "การวิเคราะห์เชิงตัวเลขสามมิติของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนเวเฟอร์ heterojunction ไฮบริดที่มีหน้าสัมผัสด้านหลัง heterojunction", AIP Adv., Vol. 5, ฉบับที่ 7, น. 077124 [https:// doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] ครูซ, A. et al. 2019, “ผลกระทบของ TCO ด้านหน้าต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แบบแยกส่วนซิลิคอนทางแยกด้านหลัง: ข้อมูลเชิงลึกจากการจำลองและการทดลอง”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 195, หน้า 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] วัง, อี.-ซี. และคณะ 2019, “วิธีง่ายๆ ด้วยแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ในการแยกส่วนประกอบความต้านทานอนุกรมเซลล์สุริยะแบบ heterojunction และการแยก A-Si:H(i/p) ไปสู่ค่าความต้านทานการสัมผัสออกไซด์ที่นำไฟฟ้าแบบโปร่งใส”, AIP Conf. พ.ต.อ. 2147 ฉบับที่ 1 น. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] ครูซ, A. et al. ค.ศ. 2019 “อิทธิพลของชั้นซิลิกอนต่อการเติบโตของ ITO และ AZO ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน heterojunction”, IEEE J. Photovolt., pp. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665]
[30] Muñoz, D.&แอมป์; Roux, D. 2019, “การแข่งขันเพื่อประสิทธิภาพสูงในการผลิต: เหตุใด heterojunction จึงพร้อมสำหรับตลาด”, Proc. EU PVSEC ครั้งที่ 36 เมืองมาร์เซย์ ฝรั่งเศส หน้า 1–20
[31] Strahm, B. และคณะ พ.ศ. 2562 “การปรับปรุงประสิทธิภาพ 'HJT 2.0' และความคุ้มค่าสำหรับการผลิตเซลล์ heterojunction ของซิลิคอน EU PVSEC ครั้งที่ 36 เมืองมาร์เซย์ ฝรั่งเศส หน้า 300–303 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] จาง, D. et al. 2013, “การออกแบบและการผลิตการเคลือบป้องกันแสงสะท้อน SiOx/ITO สองชั้นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน heterojunction”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 117, น. 132–138 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. และคณะ 2014, “เซลล์แสงอาทิตย์ heterojunction ซิลิคอนพร้อมกริดอิเล็กโทรดทองแดง: สถานะและการเปรียบเทียบด้วยเทคนิคฟิล์มหนาสีเงิน”, IEEE J. Photovolt., Vol. 4 ฉบับที่ 4 หน้า 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663]
[34] Herasimenka, SY และคณะ ค.ศ. 2016, “ITO/SiOx:H stacks for silicon heterojunction solar cells”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 158 ตอนที่ 1 หน้า 98–101 [https:// doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, “คู่มือสำหรับซอฟต์แวร์จำลองแสงเซลล์แสงอาทิตย์: GENPRO4”, วัสดุและอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์, Delft University of Technology
[36] Haschke, J. et al. 2020, “การขนส่งด้านข้างในเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน”, J. Appl. ส.ว. 127 [https://doi. org/10.1063/1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, “การปรับปรุงหน้าสัมผัสอีซีแอลด้านหลัง a-Si:H(p) ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนชนิด n”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 106, น. 11–16 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. ค.ศ. 2018 “การประเมินทางทฤษฎีของสแต็คสัมผัสสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ IBC-SHJ ที่มีประสิทธิภาพสูง”, Sol. วัสดุพลังงาน ซอล. เซลล์, ฉบับที่. 186 หน้า 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] ลูเดอเรอร์, C. et al. 2019, “ความต้านทานการสัมผัสของ TCO/a-Si:H/c-Si heterojunction”, Proc. EU PVSEC ครั้งที่ 36 เมืองมาร์เซย์ ฝรั่งเศส หน้า 538–540 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] เมสเมอร์, C. et al. ค.ศ. 2019 “อิทธิพลของอินเทอร์เฟเชียลออกไซด์ที่หน้าสัมผัสฟิล์มบาง TCO/doped Si ต่อการขนส่งประจุพาหะของผู้ติดต่อแบบพาสซีฟ”, IEEE J. Photovolt., pp. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] ค็อกซ์, RH&แอมป์; Strack, H. 1967, “หน้าสัมผัสโอห์มมิกสำหรับอุปกรณ์ GaAs”, Solid-State Electron., Vol. 10 ฉบับที่ 12 หน้า 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101(67)90063-9].
[42] Fellmeth, T. , Clement, F.& Biro, D. 2014, “การสร้างแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรม”, IEEE J. Photovolt., Vol. 4 ฉบับที่ 1 หน้า 504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
