Авторы: S. Calnan, H.M. Uphadhyaya, S. Buecheler, G. Khrypunov, A. Chirila, A. Romeo, R. Hashimoto, T. Nakada, A.N. Tiwari
Источник: http://www.solar.org.ua/files/docs/1265976825.pdf
Максимально достижимая эффективность одиночного перехода солнечных элементов ограничено невозможностью для любого известного полупроводникового материала использовать весь световой спектр солнечного излучения для фото-преобразования. Мульти-переходные структуры солнечных элементов, состоящие из соединений различных полупроводников, с соответственно подобранными интервалами, используются для увеличения спектральной чувствительности фотоэлектрических устройств в широком диапазоне длин волн. Необходимо близкое совпадение тока от каждого солнечного элемента соединения в серии связанных мульти-переходных элементов, так как общий фото-ток определяется солнечным элементом, который генерирует самый низкий фото-ток.
Теллурид кадмия (ширина запрещенной зоны Eg ~ 1,45 эВ) является перспективным материалом для промежуточной зоны в трех-переходных элементах, так как он может передавать фотоны с энергией E b1.45 эВ, которые могут быть использованы нихним элементом, например,CuIn1-xGaxSe (CIGS). Совпадение тока может быть достигнуто путем использования CdTe солнечных элементов с более тонкими поглотителем или меньшей площади, чем у нижнего элемента, чтобы передатвать некоторые из фотонов с энергией >1.45 эВ нижнему элементу. Кроме того, может использоваться передача неиспользованных ИК фотонов через CdTe поглотитель. В этой статье, мы концентрируем внимание на увеличении NIR передачи промежуточных элементов, которую проще реализовать в условиях собирания тока и изготовления солнечных элементов, чем сокращая либо толщину слоя CdTe либо промежуточную область элемента.
Однако, оптические потери на передних и задних контактах, как и различные неактивные слои элемента, также как и на границах между слоями в совокупности могут уменьшить количество света, достигающего нижнего элемента, вызывая несоответствие ток [1]. Рисунок 1 (а) показывает J-V характеристики CIGS-солнечных элементов освещенных AM1.5 светом с или без полупрозрачного солнечного элемента (1?m толстого слоя CdTe поглотителя с In2O3:Sn (ITO), на передних и задних контактах), действующего в качестве фильтра перед ним. Рисунок 1 (б) показывает передачу T, отражение R и поглощение спектра CdTe солнечными элементов, откуда видно, что передача ИК ограничена значительными потерями поглощения превышающими 40%. Тем не менее, несмотря на относительно низкую ИК передачу (<50%) через CdTe элемент, нижний CIGS солнечный элемент достигает заметной плотности тока Jsc от 7,13 мА / см-2, что приводит к эффективности ? от 3,16%.
Тонкие плени из станната кадмия (подвижность носителей заряда ? ~ 53,2 см2 V-1 с-1, удельное сопротивление ? ~ 1,8 ? 10-4 ? см) используются в качестве переднего контакт и могут повышать прозрачность НДК CdTe солнечных элементов выше 50% [2]. Однако, даже более высокие значения ? (выше 60 см2-1 с-1) могут быть достигнуты, с аналогичными оптико-электронных свойствами, например, путем легирования оксида индия с молибденом [3-6], титаном [5,7-9] и цирконием [6]. Сообществу по исследованию и развитию солнечных элементов давно известно о преимуществах широкого окна передачи расширяющегося ближе к ИК диапазону с одновременно высокой проводимостью [10]. Уже были использованы In2O3: Ti (ITiO) тонкие в качестве прозрачного контакта переднего для CIGS солнечных элементов [5], для улучшения эффективности задней стороны двусторонних CIGS солнечных элементов [11] и для улучшения ИК передачи для сенсибилизированных солнечных элементов из диоксида титана [12]. Для повышения генерации тока длинноволновых фотонов также были использованы тонкие пленки In2O3: Mo (IMO) в качестве передних контактов для нано-кристаллических кремниевых солнечных элементов [13].
Таким образом, эта работа была направлена на исследование эффекта использования высокой мобильности прозрачных проводящих оксидов (HMTCO) материалов, как передних контактов CdTe солнечных элементов выступающих средним элементом в трех-переходном солнечном элементе. Мы также кратко исследовали использование HMTCO тонкой пленки в качестве контакта в другом интересном типе CdTe солнечных элементов с двусторонней конфигурацией, которые требуют высоко прозрачный электрод как на передней, так и на задней части элемента[14].
Были получены тонкие пленки IMO в камере распыления (ATC Orion 8 UHV system, Aja International Inc, USA) оснащенные блокировкой нагрузки выдерживающей базовое давление около 5 10-6 Па. 1,1 мм подложки из натриево-известкового стекла с низким содержанием железа были покрыты тонкими пленками IMO распыленных импульсным DC магнетроном распыления (2,75 Вт / см-2 при 150 кГц и рабочем цикле 55%) от 2 мас.% Mo легированных In2O3. Распыленный газ состоял из аргона с добавлением 0,53 об.% кислорода и поток газа был скорректирован и сжат для достижения давления при распылении 0,13 Па. Температура нагревателя составляла 450 ° С и, по оценкам, температура подложки дожна была быть примерно на 10% меньше. Чтобы подготовить СЭ, были использованы тонкие пленки IMO без преднамеренного пост электродного отжига. Тонкие пленоки ITiO были изготовлены в Aoyama Gakuin University, в Японии с помощью радио частотного (RF) магнетронного распыления из 1 вес.% легированных In2O3 антикатодом. Для достижения высокой подвижности носителей заряда в 105 см2-1-1 использовался пост электродный отжиг при 530 ° С в вакууме. Подробное описание процесса применяемого для подготовки тонких пленок ITiO приведено в других источниках [9]. ITO и SnO2: F (FTO) покрытые 1,1 мм натриево-известково стеклянными подложками, полученные в больших количествах, были использованы в данном исследовании для сравнения.
Окно CdTe элемента и слой поглотитель были получены путем испарения в высоком вакууме с сохраняемой температурой подложки ниже 450 ° С [15]. Сначала CdS слои (300-500 нм) напылялись на TCO подложки, нагретые до 150 ° C, а затем снова нагревались до 450 ° С для повторной кристаллизации. Далее, слои CdTe (3 - 4,8 мкм) были осаждены при температуре подложки 300 ° C. CdTe могут быть осаждены при температурах ниже 300 ° С, но это не было исследовано из-за ожидаемого сокращения эффективности в результате низкого структурного качества [16,17].
Некоторые из образцов на ItiO были дополнительно покрыты напылением CdCl2 без преднамеренного нагрева подложки с последующей тепловой обработкой при температуре 430 ° С на воздухе в течение 25 мин. Обработка после осаждения CdCl2 имеет важное значение для перекристаллизации из CdTe независимо от метода осаждения [17,18]. Эта тепловая обработка может повысить эффективность примерно от 2-3% до 10-12% для низких температур (330 ° С), полученных CdTe. Необходимый для низкого сопротивления задних контактов обильный слой теллура, был создан путем травления CuxTe в растворе бром-метанола, а потом покрытый ультра тонкой пленки меди. Полученный в результате CuxTe в течение короткого времени обжигали при 200 ° С. Для завершения элемента, задний контакт ITO осаждался RF магнетронным распылением при температуре подложки 200 ° C с остальными параметрами осаждения доступными в других источниках [14].
Толщина различных тонких пленок определялась с помощью поверхности профилометрии. Всего T передачи, а также отражения R под передней стороне (первое стекло) и задней стороны (первая пленка) освещения проводились двойным пучком спектрофотометра (Cary 5000 Varian Inc) оборудованго интегрирующей сферой. Все оптические спектры измерялись с использованием воздуха как связи для имитации фактического количества света, падающего на слои солнечных элементов. Общая передача любыми средствами независима от направления освещения и, таким образом измерения проводились только под передней частью освещения. Полное поглощение рассчитывалась с помощью соотношения А= 100-TR. Большинство носителей плотности N и подвижности ? тонких пленок ТСО были получены измерениями эффекта Холла (HMS 3000, Ecopia).
В таблице 1 приведены электрические свойства тонких пленок TCO использованных в данном исследовании. Высокие результаты подвижности тонких пленок ITiO и IМО с низким сопротивлением похожи на IТО, но с низкими значениями N сравнительно с более стойкой тонкой пленкой FTO. Рисунок 2 (а) и (б) отражает, передачу T, отражение R и поглощение А спектра тонких пленок TCO на 1,1 мм натриево-известкового стекла. Покрытые подложками ITiO и IМО имеют высокую передачу в гораздо более широком спектральном диапазоне, чем другие материалы TCO, которые адекватно охватывает от 400 нм до 1300 нм фотонов, необходимых для многослойных солнечных элементах на основе соединений CdTe и CIGS. Тонкая пленка IМО имеет несколько меньшую передачу видимого света, чем тонкая пленка ITiO из-за поглощения близкого к 5%. Плазменная волна возникает при более высоких значения в порядке, ITO, FTO, IМО и ITiO. Передача ИК света ITO ограничивается высоким значением отражения для волн длиннее 1100 нм, в то время как у FTO передача ограничивается расширенным поглощением, в обоих случаях из-за высокой плотности носителей и низкой подвижности. Увеличение передачи от 800-1200 нм, путём замены FTO и ITO тонкими пленками HMTCO, составляет лишь около 5-10%. Однако, это увеличение становится существенным, когда прозрачный контакт устанавливается как спереди, так и сзади элемента, как будет показано ниже.
Рисунок 3 показывает T и А спектры CdS | CdTe соединений на стекле с IМО, ITO и FTO покрытием. Толщина CdS составляет 500 нм для всех образцов при толщине CdTe составляющей 2,8 мкм, 4,3 мкм и 4,5 мкм для подложек покрытых FTO, ITO и IМО, соответственно. Стек на IМО подложке имеет общую передачу более 60% от 800-1300 нм по сравнению с около 50% для стека на ITO и FTO, соответственно. Поглощение в видимом диапазоне длин волн меньше, чем 100% из-за потерь на отражение, составляющих около 10% для всех подложек с покрытием TCO. За ИК диапазоном волн, стек поглощения увеличивается в соответствии с утончением тонкой пленки TCO (см. Рисунок 2б). ИК передача стеков на ITO и FTO ограничена высоким отражением и / или поглощением, соответственно, относящихся к ним материалов TCO по сравнению с аналогичным диапазоном длин волн. Относительно высокая ИК передача стека подложки IМО является результатом сравнительно низкого поглощения и отражения в этой области длин волн.
Полупрозрачные солнечные элементы CdTe могут также быть использованы как средний переход в мульти-соединениях солнечных элементов или в виде одного двустороннего солнечного элемента. Поэтому, дополнительно исследовалось влияние использования ITiO как переднего контакта для полупрозрачных CdTe солнечных элементов как под передней стороной, так и боковой сторонойосвещения. Рис. 4 показаны спектры пропускания CdTe солнечных элементов, на различных этапах завершения, с контакта переднего ITiO. Рис. 4 также показывает, T Спектр | CdS | CdTe стека на контакт перед ИТО, для сравнения.Передача ИК волны ITiO | CdS | CdTe осциллирует от 60% до 70%. В отличие от передачи ИК ITO | CdS | CdTe стека составляет менее 60% при 800 нм, а затем постепенно уменьшается до 40% при 1500 нм. При контакте ITO спин добавлен в полной CdTe солнечных батарей на контакт перед ITiO, ИК передачи постоянно сокращается с 65% примерно в 820 нм до уровня ниже 10% при 1500 нм. Ожидается, что использование ITiO заднего контакта, может уменьшить ИК спектровые оптические потери, до 10%. Однако, это зависит от способности разумно подготовить проведения ITiO тонких пленок при температурах ниже 300 ° С для предотвращения диффузии меди в слое CdTe.
Рис. 5 показывает поглощение А спектра стеков рассматриваемом в Рис. 4 В (а) передние и (б) задний боковой засветки. Видимое волновое поглощение менее 100% из-за потерь на отражение переднего стека. За ИК диапазоном до 1500 нм, поглощения уменьшается примерно с 20% до 10%, когда перед ITO контакт CdS | CdTe рассматриваемого стека заменяется ITiO. Однако когда добавляется задний ITO контакт в полной ячейку ITiO перед контактом, поглощения ИК увеличивается от 20% при 900 нм примерно до 50% при 1500 нм. Под задним боковым освещением, видимая волна поглощения CdS | CdTe рассматриваемого стека на ИТО составляет около 70% и немного увеличивается когда ITO заменяется ITiO. Добавление ITO заднего контакта с солнечной ячейки стека приводит к увеличению видимом диапазоне длин волн поглощения до 10% от абсолютной. Для более длинных длин волн от 850-1800 нм, поглощение практически не зависит от длины волны и снижает примерно на 10%, когда перед ITO замещается ITiO. Однако, когда добавляется задний контакт ITO к собранному элементу, поглощения ИК увеличивается примерно на 20% от абсолютного где-то на 850 нм и возрастает с увеличением длины волны до 55% около 1200 нм, где пики до снижения до 10% при 1800 нм. Под передним боковым освещением, высокую поглощения и / или отражение как передие TCO так и / или задние контакты ITO значительно увеличивают оптические потери в диапазоне 1100 -1500 нм. Для видимого света, под задним боковым освещением, высокие потери на отражение от CdTe в целом элементе являются доминирующими. Опять же, здесь ясно, что использование пленки HMTCO как обратного контакта может существенно снизить ИК оптические потери.
Несколько факторов способствуют сокращению передачи из CdS| CdTe стеков в рамках обоих переднего и заднего бокового освещения а именно, поглощение за счет свободных носителей и различных процессов рассеяния, как отражение на границах. Тем не менее, представленные результаты показывают, что примере, в ИК диапазоне длин волн 850-1300 нм более, TCO. Материал, используемый либо как передний или задний контакт сторона может способствовать значительно этих потерь. Поэтому развитие прозрачной проводящих оксидов, где как отражения и поглощения в ИК длин волн минимальны желательно для улучшения производительности из мульти-соединения и двусторонних солнечных ячеек. Кроме того, необходимо использовать HMTCO как передние и задние контакты в целях сохранение высокой передачи ИК CdTe солнечного элемента.
В целях обеспечения максимальной выгоды от использования HMTCO материалов в как мульти-соединения и двусторонних солнечных ячеек, ряд вопросов все еще остаются не исследованными, которые необходимо отметить, а именно:
1. Температура совместимости HMTCO при осаждении последующих слоев в superstrate (поглотителя слоев, нанесенных на TCO) конфигурации,
2. Влияние IМО и ITiO на компакт-дисках и CdTe кристаллизации процесса в superstrate конфигурации,
3. Развитие задних контактов HMTCO с хорошими электрическими связями с CdTe,
4. Необходимо разработать процесс, в котором по HMTCO могут быть получены в низких температурах осаждения,
5. И в долгосрочной перспективе, высокие мобильные TCO, основанные на более доступных и, следовательно, более дешевых материалах, чем индий.
Были разработаны два вида из высококачественных материалов мобильных TCO, а именно ITiO и IМО и сравненны с тонкими пленками FTO и ITO, имеющимся в продаже. При использовании тонких пленок TCO с высокой подвижностью в качестве передних контактов в CdTe солнечных элементах, передача ИК может быть увеличена, так как паразитические потери на поглощение и отражение сведено к минимуму. Кроме того, было продемонстрировано, что необходимо развивать высоко мобильные TCO на задних контактах CdTe солнечных элементов, в целях сохранения высоких показателей ИК передачи. Таким образом, дальнейшие исследования и понимание механизмов легирования материалов HMTCO и их взаимодействия с поглощающими слоями солнечного элемента, как ожидается, повысит эффективность как элементов с мульти-соединениями, так и двусторонних солнечных элементов.