Sumber: vonardenne.biz
Awalnya diterbitkan di Photovoltaics International, Edisi 44, Mei 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& dan; Bernd Stannowski1
Abstrak
Teknologi sel surya Silicon heterojunction (SHJ) adalah teknologi yang menarik untuk produksi sel surya skala besar dengan efisiensi konversi tinggi di atas 24%. Salah satu elemen kunci sel surya SHJ, kontras dengan teknologi sel emitor pasif dan kontak belakang (PERC)' yang tersebar luas saat ini, adalah penggunaan oksida konduktif transparan (TCO), yang menimbulkan tantangan dalam kinerja dan biaya tetapi juga menyajikan peluang. Makalah ini membahas aspek-aspek ini dan menunjukkan potensi untuk meningkatkan efisiensi sel dengan biaya yang lebih rendah dengan menggunakan TCO baru yang disimpan oleh sputtering arus searah (DC). Dalam kasus sel SHJ sambungan belakang, dimungkinkan untuk mengurangi, atau bahkan menghindari, penggunaan indium dalam TCO tersebut, dengan seng oksida (AZO) yang didoping aluminium menjadi salah satu kemungkinan pengganti TCO berbasis indium-oksida. Ketersediaan TCO berkinerja tinggi untuk produksi massal skala besar, yang akan mendorong penetrasi pasar sel SHJ, dirangkum.
Contoh peralatan produksi massal TCO: XEA|nova L . milik VON ARDENNE
pengantar
Sel surya silikon berbasis teknologi passivated emitter and rear contact (PERC) telah mencapai tingkat multi-gigawatt dalam produksi massal, dengan efisiensi konversi (CE) sebesar 22% dan sekarang mendekati 23%. Untuk CE yang lebih tinggi, kontak pasif dianggap sebagai generasi berikutnya dari teknologi sel. Di sini, teknologi silicon heterojunction (SHJ) adalah kandidat yang menjanjikan dan sedang berlomba keluar dari gerbang awal, dengan CE 23-24% telah ditunjukkan pada wafer ukuran penuh, tidak hanya di jalur percontohan tetapi juga dalam produksi skala besar [ 1]. Sementara Panasonic (sebelumnya Sanyo) yang mempelopori teknologi ini, berbagai pemain di seluruh dunia sementara itu telah membangun lini produksi mereka sendiri, seperti ENEL Green Energy dan Hevel Solar di Eropa, dan REC, Jinergy, GS-Solar dan berbagai lainnya. di Asia. Manfaat utama dari teknologi SHJ dibahas dalam artikel terbaru oleh Ballif et al. [2]. Selain CE yang tinggi, keunggulan utama SHJ adalah urutan produksi yang ramping, dengan hanya empat langkah utama yang diperlukan untuk memproses kedua sisi secara simetris:
1. Pembersihan basah dan tekstur wafer.
2. deposisi a-Si:H dengan deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD).
3. Deposisi lapisan oksida konduktif transparan (TCO) oleh deposisi uap fisik (PVD, biasanya sputtering).
4. Sablon kisi-kisi perak.
Karena proses suhu rendah (<200 °c)="" dan="" tumpukan="" perangkat="" simetris,="" pembengkokan="" dan="" retak="" wafer="" yang="" disebabkan="" oleh="" tegangan="" dapat="" dihindari,="" yang="" berarti="" wafer="" tipis="" dapat="" digunakan,="" sehingga="" menghemat="" biaya="" material="" dan="" energi.="" tumpukan="" shj="" terjadi="" secara="" alami="" dalam="" desain="" sel="" bifacial;="" selain="" itu,="" sel="" shj="" memiliki="" koefisien="" suhu="" terendah="" di="" lapangan,="" biasanya="" –0,28="" %/°c.="" kombinasi="" bifaciality="" dan="" koefisien="" suhu="" rendah="" meningkatkan="" hasil="" energi="" dari="" sistem="">
Di sisi lain, beberapa faktor yang membatasi peningkatan pesat dalam penggunaan teknologi SHJ adalah biaya peralatan yang relatif tinggi, sebagian besar untuk PECVD (tetapi juga untuk PVD), dan kontak sel yang disesuaikan untuk pembuatan modul (tidak ada standar suhu tinggi pematerian). Lebih banyak pasta Ag diperlukan daripada untuk sel Si standar, karena pengawetan suhu rendah, menghasilkan jari-jari konduktivitas yang lebih rendah; ini, bagaimanapun, tergantung pada pendekatan interkoneksi, khususnya apakah busbar digunakan atau tidak. Akhirnya, dan dibahas secara lebih rinci dalam makalah ini, target untuk sputtering lapisan TCO di kedua sisi diperlukan, yang mahal untuk bahan yang biasanya digunakan.
Indium oksida (In2O3) yang didoping dengan timah (Sn), disebut sebagai ITO, saat ini merupakan TCO yang paling umum digunakan [3–5]. Oksida konduktif transparan ini terkenal dari produksi massal display panel datar (FPD) dan menunjukkan sifat opto-elektronik yang sesuai, seperti resistivitas rendah dari lapisan tipis dan transparansi yang cukup dalam rentang yang terlihat. Pertimbangan penting untuk produksi FPD, ITO dapat diproses dengan fotolitografi, karena dapat diukir (dalam keadaan terendapkan) dan stabil jangka panjang setelah kristalisasi fase padat pada anil termal pada 150–200 °C. Umumnya, ITO diendapkan oleh sputtering magnetron arus searah (DC) pada area yang luas. Meskipun DC sputtering awalnya menyebabkan beberapa kerusakan pada pasivasi permukaan silikon, ini sepenuhnya dianil pada suhu sekitar 200 °C, yang dicapai selama sputtering atau kemudian selama pengawetan pasta Ag setelah sablon.
Berbeda dengan FPD, TCO harus memenuhi persyaratan tambahan ketika diterapkan pada sisi depan sel SHJ, yaitu transparansi yang sangat baik dalam rentang panjang gelombang yang lebih luas 300-1.100 nm. Gambar 1 menunjukkan spektrum penyerapan berbagai lapisan TCO, menunjukkan perbedaan penyerapan parasit dalam rezim panjang gelombang pendek dan panjang. Selain penyerapan yang rendah ini, resistansi kontak yang rendah dengan lapisan silikon yang didoping n dan p, serta dengan kisi logam, adalah wajib untuk lapisan TCO di kedua sisi. Terakhir, namun tidak kalah pentingnya, kendala biaya sel surya sangat ketat, dan, untuk membayangkan PV pada skala terawatt, penting untuk mengurangi (atau lebih baik lagi, menghindari) penggunaan bahan kritis atau langka, seperti indium ( Di). Namun, aspek terakhir masih sulit untuk diatasi, karena sebagian besar TCO berkualitas perangkat mengandung indium. Salah satu pilihannya adalah mengurangi ketebalan TCO tersebut, yang kemudian membutuhkan lapisan kedua untuk disimpan untuk mempertahankan kinerja optik (anti-reflektif) yang ideal. Ini, pada gilirannya, meningkatkan jumlah langkah proses dan, karenanya, kompleksitas proses dan biaya.
Makalah ini membahas optimasi TCO untuk dimasukkan ke dalam sel surya SHJ. Metrik disajikan untuk mengevaluasi dan membandingkan TCO yang berbeda sehubungan dengan kesesuaiannya untuk aplikasi dalam sel SHJ. Untuk mengurangi kerugian optik di TCO depan, penggunaan material dengan transparansi tinggi adalah wajib. Mobilitas pembawa muatan yang tinggi, biasanya>100 cm2/Vs, memungkinkan pengurangan kepadatan pembawa (pada resistivitas konstan), sehingga mengurangi kerugian optik karena penyerapan pembawa bebas (FCA).
Berbagai bahan TCO 'mobilitas tinggi' berdasarkan indium oksida dengan doping yang berbeda telah diselidiki di masa lalu [6-13]. Semua ini menunjukkan sifat yang sangat baik sebagai lapisan TCO pada kaca dan kebanyakan dari mereka juga memiliki CE yang tinggi. Target manufaktur, bagaimanapun, sulit dan biaya tinggi untuk banyak bahan ini.
TCO baru yang dapat diproses dalam produksi skala besar dari target yang dapat diputar kini tersedia, menghasilkan mobilitas tinggi dan memproduksi sel SHJ dengan CE tinggi. Keadaan di mana AZO sebagai alternatif bebas indium dan berbiaya rendah dapat diimplementasikan dalam sel SHJ dengan efisiensi tinggi akan dibahas nanti. Perbandingan biaya target berbasis In dan berbasis ZnO juga akan disajikan.
Gambar 1. Spektrum serapan optik untuk berbagai jenis ketebalan lapisan TCO
TCO untuk sel surya SHJ
Di masa lalu, beberapa bahan TCO telah diselidiki untuk digunakan dalam sel surya SHJ. Persyaratan penting untuk implementasi ini adalah konduktivitas tinggi dan transparansi tinggi, dengan suhu pemrosesan di bawah 200 °C (karena sensitivitas lapisan pasivasi silikon film tipis), serta pembentukan kontak yang baik dengan lapisan tetangga [14].
Di antara beberapa TCO yang relevan, In yang didoping Sn polikristalin2O3(ITO) tumbuh pada suhu di bawah 200 °C, yang mencapai mobilitas elektron (μe) sekitar 40cm2/Vs [3–5], telah menemukan aplikasi luas dalam sel surya SHJ. TCO berbasis dalam yang didoping dengan logam lain, seperti titanium (Ti) [15,16], zirkonium (Zr) [6,12,13], molibdenum (Mo) [15,17–19] dan tungsten (W) [ 10,11], menghasilkan nilai e lebih besar dari 80 cm2/Vs pada kerapatan pembawa muatan (ne) mulai dari 1×1020 hingga 3×1020 cm-3.
Lapisan ini dapat disimpan melalui sputtering magnetron, deposisi laser berdenyut (PLD), dan pelapisan ion dengan pelepasan busur DC atau deposisi plasma reaktif (RPD). Dari ini, sputtering adalah metode yang paling mapan untuk produksi massal. Mobilitas e>100 cm . yang bahkan lebih tinggi2/Vs dapat dicapai untuk fase padat kristalisasi (SPC) hidrogen (H)-doped In2O3(IOH) [6–9] dan film serium (Ce) ICeO:H [7] dengan 1×1020<>< 3×1020="">-3. Film-film ini diendapkan pada suhu rendah dalam matriks amorf dan kemudian dianil pada suhu di atas 150 °C, yang menghasilkan nilai e tinggi karena pembentukan butiran besar.
TCO yang diperkenalkan di atas menarik karena kinerja opto-listriknya yang luar biasa, tetapi hingga saat ini sebagian besar ITO dan IWO:H telah menemukan jalan mereka ke dalam produksi industri. Kelangkaan indium, bagaimanapun, adalah motivasi untuk implementasi TCO alternatif. AZO menawarkan keuntungan memiliki lebih banyak bahan komposit. Lapisan AZO dengan ketebalan beberapa ratus nanometer, tergagap pada suhu tinggi>250 °C, menghasilkan sifat opto-elektronik yang baik [20] dan juga stabilitas [21].
Lapisan tipis dengan ketebalan kurang dari 100 nm diendapkan pada suhu di bawah 200 ° C, seperti yang diperlukan untuk sel SHJ, sebaliknya menunjukkan struktur kristal yang buruk, akibatnya menghasilkan nilai mobilitas yang rendah sekitar 20cm2/Vs dan stabilitas jangka panjang yang buruk [22]. Peningkatan stabilitas untuk sel surya SHJ, bagaimanapun, telah ditunjukkan dengan menerapkan oksida silikon amorf (a-SiO2) pembatasan [23].
Seperti yang ditunjukkan olehenilai yang diperoleh, dan tergantung pada kondisi pemrosesan, TCO yang berbeda menunjukkan berbagai mobilitas elektron. Resistansi lembar TCO (R▫) rentang dapat diklasifikasikan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Di sini, rentang konsentrasi pembawa 1,5×1020<>< 2.0×1020="">-3dipertimbangkan: ini merupakan kompromi yang baik untuk mencapai FCA rendah, konduktivitas listrik yang baik dan pembentukan kontak yang baik dengan lapisan tetangga, dan ketebalan TCO 75 nm untuk sifat anti-reflektif.
Simetri dalam pemrosesan sel SHJ dan penggunaan wafer (tipe-n) dengan masa pakai pembawa yang sangat tinggi memungkinkan seseorang untuk dengan bebas memilih kontak mana (n atau p) yang menghadap ke depan. Posisi kontak p (persimpangan) berdampak pada optimalisasi TCO depan untuk mendapatkan transparansi tinggi dan resistansi seri rendah Rssel [24-27]. Untuk menunjukkan hal ini, Gambar. 2 menunjukkan penampang skema sel surya SHJ bifacial dan monofacial dalam konfigurasi persimpangan belakang dengan semua kontribusi Rs yang ditunjukkan. Analisis rinci komponen Rs dan kontribusinya dalam sel surya SHJ dapat ditemukan di Basset et al. [25] dan Wang dkk. [28]. Konduktivitas yang tinggi, yaitu densitas dan mobilitas, elektron dalam wafer c-Si, bersama dengan resistansi kontak yang sangat rendah dari kontak n/TCO, mendukung pilihan kontak n yang berada di depan ('persimpangan belakang'), sebagai transportasi arus lateral secara signifikan didukung oleh wafer. Ini melonggarkan persyaratan konduktivitas TCO (resistensi lembaran), sehingga memungkinkan pengoptimalan menuju transparansi tertinggi.
Untuk mengilustrasikan efek dari kebebasan yang disebutkan di atas dalam desain sel, Gambar 3 menyajikan kurva Rs yang disimulasikan bersama-sama dengan nilai eksperimental yang diekstraksi dari sel surya, dengan variasi proses ITO sebagai fungsi dari resistansi lembaran TCO depan. Nilai-nilai eksperimental memvalidasi tren model [27]. Seperti yang dapat dilihat dengan jelas, desain persimpangan belakang menawarkan keuntungan untuk TCO dengan resistansi tinggi dengan memanfaatkan dukungan lateral dalam konduksi elektron dalam wafer Si. Desain persimpangan depan, di sisi lain, lebih menguntungkan untuk lapisan TCO dengan resistivitas rendah; desain ini mengambil keuntungan dari kontribusi Rs transversal yang lebih rendah, karena elektron, yang memiliki mobilitas lebih tinggi daripada lubang, berjalan ke bagian belakang wafer (dengan fotogenerasi terutama terjadi di dekat sisi depan). Pertukaran antara kontribusi Rs lateral dan transversal akan menentukan desain sel surya mana yang paling sesuai, tergantung pada resistansi lembaran TCO yang tersedia.
R▫rentang untuk TCO berbeda yang dilaporkan dalam literatur dan seperti yang didefinisikan dalam Tabel 1 ditunjukkan pada Gambar. 3 dengan bayangan warna yang sesuai. TCO dengan R . rendah▫(merah) lebih bermanfaat ketika diimplementasikan di perangkat persimpangan depan, sementara TCO dengan Rrange mid-range▫(biru) berada di daerah transisi dimana Rsperbedaan antara perangkat persimpangan depan dan persimpangan belakang cukup kecil. Sebaliknya, TCO dengan R . tinggi▫(abu-abu) jelas menguntungkan bila diterapkan dalam desain persimpangan belakang; ini menguntungkan untuk AZO, misalnya, dengan sangat transparan tetapi tidak terlalu konduktif, namun tetap menghasilkan efisiensi sel SHJ>23% yang sama dengan sel referensi ITO [23]. Di Helmholtz-Zentrum Berlin, sel surya SHJ dengan TCO depan berbasis ITO dan AZO telah mencapai CE bersertifikat di atas 23,5% [29].
Pendekatan lain yang mengambil keuntungan dari dukungan transportasi lateral wafer, ditunjukkan oleh beberapa kelompok penelitian [27,30] dan dalam produksi percontohan [31], adalah untuk menerapkan TCO tipis, yang mengurangi penyerapan parasit, sehingga mempertahankan atau meningkatkan CE sel surya. Implementasi lapisan TCO yang lebih tipis, bagaimanapun, membutuhkan lapisan kedua di atas – misalnya, SiO2atau Si3N4– untuk mempertahankan antirefleksi (AR) optimal [32-34].
Untuk secara akurat mengukur kinerja optik dari TCO yang berbeda ketika diterapkan di tumpukan sel, yaitu menentukan kerugian spesifik dalam kerapatan arus hubung singkat (Jsc), simulasi dengan perangkat lunak ray-tracing (GenPro4 [35]) dilakukan. Mempertimbangkan kehilangan daya terkait TCO dalam sel karena peningkatan Rs dan penurunan Jsc, bahan TCO yang berbeda dijadikan tolok ukur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Untuk tujuan ini, sel surya referensi dengan CE=23.3 % dipertimbangkan, tanpa kerugian terkait TCO di Jscdan Rs(FF). IOH, ITO dan AZO dipelajari sebagai contoh rendah-R low▫, pertengahan R▫dan R . tinggi▫rezim masing-masing.
Implementasi TCO standar setebal 75 nm ('tebal') dan yang dioptimalkan secara optik ('tipis') dipelajari. Untuk perbandingan yang adil (yaitu untuk tetap berada di AR optimum dalam setiap kasus), semua sel (dengan TCO 'tebal' dan 'tipis') diselesaikan dengan a-SiO2lapisan penutup. Resistivitas kontak pada antarmuka TCO/Ag dan TCO/Si diasumsikan (rendah dan) sama untuk ketiga TCO, yang tentu saja merupakan penyederhanaan. Ini akan dibahas kemudian dan disajikan dalam Haschke et al. [36]. Rincian lebih lanjut dari ketebalan lapisan yang dioptimalkan dan hasil simulasi dapat ditemukan di Cruz et al. [27].
Grafik pada Gambar. 4 menunjukkan kehilangan daya terkait TCO karena penurunan Jsc dan peningkatan Rs, untuk perangkat persimpangan belakang (Gbr. 4(a)) dan persimpangan depan (Gbr. 4(b)). Jelas, IOH mengungguli dua TCO lainnya karena sifat opto-elektroniknya yang luar biasa dalam kedua kasus. Pada Gambar. 4(a), menunjukkan ITO dan AZO yang tebal, bahan mengkompensasi kehilangan CE mereka, karena konduktivitas AZO yang lebih rendah menunjukkan penyerapan parasit yang lebih rendah daripada ITO. Jika dibandingkan dengan versi TCO yang lebih tipis, dapat diamati bahwa kehilangan CE sedikit berkurang sebagai akibat dari berkurangnya penyerapan parasit TCO. ITO jelas lebih diuntungkan dari penipisan ini, karena penyerapan parasitnya yang jauh lebih tinggi, yang pada akhirnya menghasilkan CE yang sedikit lebih baik daripada AZO. Ini menunjukkan bahwa TCO yang lebih tipis dengan optik yang ditingkatkan dapat diimplementasikan dalam konfigurasi persimpangan belakang dan akan bermanfaat dalam hal CE.
Sebaliknya, melihat desain persimpangan depan pada Gambar 4(b), dapat dilihat bahwa IOH dengan konduktivitas tinggi tidak akan mengalami kontribusi transpor lateral yang lebih rendah oleh wafer. Konduktivitas yang lebih rendah ITO dan AZO, bagaimanapun, meningkatkan kerugian resistif. Penurunan ketebalan ITO tidak menghasilkan keuntungan CE, sedangkan dalam kasus AZO jelas tidak menguntungkan. Dapat disimpulkan bahwa TCO konduktivitas tinggi, di sini IOH dalam contoh, dapat diimplementasikan pada konfigurasi sel surya persimpangan belakang dan depan tanpa perbedaan besar dalam kehilangan CE. TCO dengan konduktivitas lebih rendah – seperti ITO dan AZO – akan mengalami Rs lateral yang lebih tinggi yang ada dalam konfigurasi persimpangan depan. Penipisan TCO pada sel surya sambungan belakang menguntungkan jika TCO melebihi ambang penyerapan tertentu, bahkan untuk TCO dengan konduktivitas rendah, di sini AZO dalam contoh. Dalam desain persimpangan depan, penipisan hanya akan membawa manfaat kecil, atau bahkan mungkin tidak menguntungkan untuk TCO berkonduktivitas lebih rendah seperti AZO.
Kinerja TCO industri mobilitas tinggi
Untuk menguji TCO mobilitas tinggi yang disemburkan pada kecepatan tinggi oleh DC sputtering dari target tabung, seperti yang dilakukan dalam produksi massal skala besar, bahan yang berbeda digunakan untuk TCO depan dalam sel surya SHJ sambungan belakang bifasial. Dua jenis TCO mobilitas tinggi diuji, yaitu indium oksida yang didoping titanium (ITiO) dan indium oksida dengan jenis doping yang dirahasiakan ('Y'). Selain itu juga diuji ITO dengan berbagai konsentrasi doping yaitu mengandung 97% indium oksida dan 3% timah oksida pada target ('97/3') dan ITO 99/1. Sebagai bahan acuan, ITO 97/3 diimplementasikan pada sisi belakang semua sel. Sekelompok sel dengan ITO 95/5 di kedua sisi depan dan belakang juga disertakan.
Lapisan uji yang sesuai pada kaca mengungkapkan ketahanan lembaran TCO dalam kisaran 36–136 setelah pengendapan dan anil selama 30 menit pada 200 °C dalam kondisi sekitar, yang sebanding dengan perawatan yang dilakukan setelah sablon. Ini adalah kisaran yang cocok untuk implementasi sebagai kontak depan di sel surya SHJ persimpangan belakang, seperti yang dibahas sebelumnya (lihat Gambar 3). Harus diperhitungkan, bagaimanapun, bahwa lapisan TCO yang diendapkan pada kaca mungkin menunjukkan sifat (mobilitas pembawa) yang berbeda dari ketika lapisan diendapkan pada silikon, seperti yang dipersyaratkan untuk sel surya. Ini telah dikaitkan dengan dua efek [29]: (1) nukleasi kristal yang berbeda dan, karenanya, struktur butir; (2) kandungan hidrogen berbeda yang berdifusi dari lapisan silikon ke TCO.
Lapisan ITiO dan Y menunjukkan mobilitas tinggi hingga 90cm2/Vs, tetapi dengan densitas pembawa muatan yang berbeda, yaitu 2×1020cm-3dan ~0,8×1020cm-3masing-masing. Untuk film ITO97/3 dan ITO99/1, nilai mobilitas lebih rendah, sekitar 60 dan 70 cm2/Vs pada densitas pembawa muatan 2,7×1020 cm-3dan 1,8 × 1020cm-3masing-masing, diukur. Sebagai hasil dari densitas pembawa muatan yang sangat rendah, film Y menunjukkan penyerapan parasit terendah di wilayah inframerah-dekat (lihat Gambar 1), yang membuat bahan ini paling menjanjikan untuk mencapai Jsc tertinggi dan, mungkin, CE tertinggi dalam sel surya.
ItuI–Vparameter masing-masing kelompok uji ditunjukkan pada Gambar. 5. Semua sel menunjukkan tegangan rangkaian terbuka yang sebanding (Vok), dengan median dalam kisaran sempit 737-738 mV. Ini menegaskan bahwa pasivasi tidak menurun karena kerusakan sputter yang berbeda. Seperti yang diharapkan, sel surya dengan TCO mobilitas tinggi menghasilkan J . tertinggiscnilai, dengan median 39,0 mA/cm2dan 39,2 mA/cm2untuk ITiO dan Y masing-masing. Ini hingga 0,5 mA/cm2lebih tinggi dari yang dicapai dengan referensi ITO97/3.
Meskipun tinggiJscdan bagusVoknilai, bagaimanapun, sel dengan kontak Y-depan tidak menghasilkan efisiensi tertinggi. Median CE tertinggi 22,9% sebenarnya diperoleh untuk ITO99/1, sedangkan nilai CE tertinggi 23,3% diukur untuk sel dengan ITiO. CE yang lebih rendah dalam kasus sampel Y dihasilkan dari FF median yang lebih rendah hanya sekitar 77%, yang disebabkan oleh nilai Rs yang jauh lebih tinggi; sebenarnya, sel dengan kontak Y-depan menghasilkan nilai Rs rata-rata tertinggi 1,3–1,6 cm2. Sebaliknya, nilai median Rs adalah 0,9 cm2untuk sel ITO99/1, menghasilkan median yang jauh lebih tinggi significantlyFFsebesar 79,5%.
Tabel 1. Perbandingan sifat listrik dari TCO yang berbeda.
Gambar 2. Tampilan skema penampang sel surya heterojunction silikon sambungan belakang (SHJ): (a) desain sel bifasial; (b) desain sel monofasial, dengan komponen resistansi seri (Rs) ditunjukkan.
Gambar 3. Resistansi seri versus resistansi lembaran TCO depan untuk sel surya SHJ persimpangan depan dan belakang. Kurva mewakili hasil simulasi, sedangkan kotak menunjukkan hasil untuk sel yang diukur dengan variasi ITO.
Pentingnya resistansi kontak rendah
Resistensi seri tinggi sel dengan (densitas pembawa rendah dan) TCO mobilitas tinggi sebenarnya merupakan aspek yang perlu ditangani. Lebih tepatnya, dua komponen utama Rsdi sini adalah resistansi kontak TCO dengan lapisan kontak silikon yang didoping n dan p, yang telah diselidiki secara rinci dalam literatur [37-40]. Dalam kasus sel surya berbasis c-Si yang didoping-n, resistansi kontak TCO dengan lapisan Si yang didoping-n dapat dicirikan dengan berbagai teknik yang relatif sederhana, seperti Cox dan Strack [41] atau transmisi -line [42] metode. Resistansi kontak TCO dengan lapisan Si yang didoping p (TCO/p), sebaliknya, lebih sulit diakses, karena terbentuk junction. Seperti yang ditunjukkan oleh Basset et al. [21] dan Wang dkk. [24], misalnya, metode sederhana untuk mengekstraksi nilai Rskomponen adalah untuk menurunkan semua komponen yang dapat diakses dari Rs, dan nilai yang tersisa kemudian disimpulkan sebagai resistansi kontak TCO/p.
Resistivitas kontakctergantung pada penyelarasan pita terperinci dan pembengkokan pita, serta pada status cacat antarmuka; oleh karena itu, beberapa parameter penting, khususnya energi aktivasi lapisan Si yang didoping dan kerapatan pembawa muatan, tetapi juga perbedaan fungsi kerja antara kedua bahan. Procel dkk. [38] menunjukkan bahwacminimal ketika lapisan yang didoping menunjukkan nilai energi aktivasi yang rendah, seperti yang diperoleh dengan lapisan silikon nanokristalin alih-alih lapisan amorf.
Selain itu, kepadatan pembawa muatan TCO harus jauh di atas 1 × 1020cm-3; ini sangat penting untuk kontak TCO/p, di mana rekombinasi lubang dan elektron yang efisien pada kontak sangat penting. Berkenaan dengan pemilihan dan optimasi lapisan TCO, hal ini memerlukan pencarian optimum untuk ne, yang harus cukup tinggi untuk mencapai cukup rendahcnilai, tetapi, pada saat yang sama, harus serendah mungkin untuk membatasi penyerapan parasit (FCA).
Dalam percobaan yang lebih baru, lapisan Y dengan kepadatan pembawa yang lebih tinggi dipilih; Gambar 8 menunjukkan properti yang tersedia dengan menyetel proses. Memang, untuk TCO yang diadaptasi, sel FF pulih, tetapi dengan sedikit penurunan Jsckarena FCA tambahan. Secara keseluruhan, CE masih meningkat hingga tingkat yang sama dengan yang ditemukan untuk grup terbaik pada Gambar. 5, yang menunjukkan pentingnya penyetelan yang cermat dari properti lapisan dan antarmuka.
Gambar 4. Rugi daya terkait rapat arus (Ploss J) dan rugi daya terkait resistansi seri (Ploss R) untuk (a) sambungan belakang dan (b) sel SHJ sambungan depan. Nilai kerugian efisiensi konversi (CE) ditunjukkan oleh garis putus-putus; kerugian ini relatif terhadap sel surya referensi dengan 23,3% CE, diwakili oleh berlian ungu di (0,0). Simbol yang diisi mewakili TCO (standar) setebal 75nm tetapi dengan lapisan anti-refleksi (ARC) di atasnya, sedangkan simbol terbuka mewakili lapisan TCO yang lebih tipis (dioptimalkan), juga dengan ARC.
Aspek industri: biaya target
Jenis target TCO yang umum digunakan dalam industri PV silikon kristalin adalah target yang dapat diputar, yang merupakan cangkang silinder dari bahan TCO yang diikat pada tabung penyangga yang terbuat dari logam. Semakin panjang tabung, semakin banyak cangkang yang harus digunakan untuk target tabung. Alasan mengapa industri lebih memilih jenis target sputtering TCO ini adalah tingkat pemanfaatan bahan target TCO yang jauh lebih tinggi daripada target TCO tipe planar. Tingkat pemanfaatan bahan target yang dapat dicapai dengan target yang dapat diputar biasanya 80 %; ini sangat menarik dalam kasus di mana bahan TCO mahal, seperti TCO berbasis indium. Mengenai TCO dalam industri PV silikon kristal, TCO berbasis indium dominan karena sifat lapisannya yang sangat baik (seperti yang juga ditunjukkan sebelumnya). Namun demikian, beberapa pelaku pasar juga menawarkan TCO berbasis seng untuk tujuan yang sama. Memang, ada keuntungan dan kerugian menggunakan TCO berbasis seng. Salah satu keuntungannya adalah biaya yang lebih rendah dari target tabung berbasis seng dengan dimensi yang identik dengan target berbasis indium, sedangkan konduktivitas seng yang lebih rendah menghadirkan beberapa kendala dalam desain sel surya, seperti yang dibahas sebelumnya dan divisualisasikan pada Gambar. 3.
Gambar 6 menunjukkan target biaya spesifik per cm3target tabung untuk TCO berbasis seng dan TCO berbasis indium; perhatikan bahwa biaya tabung pendukung tidak termasuk dari biaya target. Titik data dikumpulkan dari pemasok target di seluruh dunia. Jumlah titik data yang lebih kecil untuk TCO berbasis seng dapat dikaitkan dengan kurangnya minat untuk bahan yang ditunjukkan oleh industri PV silikon kristal sejauh ini.
Beberapa hamburan dalam biaya target ada karena bahan yang berbeda dalam kelompok seng dan dalam kelompok indium, atau karena pemasok yang berbeda. Titik data yang menunjukkan biaya target yang lebih tinggi di kedua kelompok dapat dijelaskan oleh komposisi yang kurang umum dan/atau proses manufaktur yang mahal dan/atau margin yang tinggi. Titik data berbiaya lebih rendah yang diamati pada kedua kelompok harus mewakili nilai biaya untuk produsen sel surya dengan beberapa ratus permintaan target tabung tahunan.
Perbandingan nilai terendah di kedua kelompok mengungkapkan bahwa TCO berbasis Zn (biaya target ~$0,6/ cm3) bisa sekitar seperempat harga TCO berbasis dalam (biaya target ~$2,6/cm3). Akan tetapi, harus ditunjukkan bahwa titik-titik data ini adalah gambaran dari situasi saat ini dan mungkin akan segera menjadi usang, tergantung pada volatilitas pasar saham sehubungan dengan bahan baku, khususnya indium.
Gambar 5. Parameter I–V sel surya SHJ bifacial berukuran 4cm2 dengan berbagai TCO depan dan ITO 97/3 di sisi belakang. ITO 95/5, DC tergagap dari target tabung di HZB, dimasukkan sebagai referensi.
Aspek industri: produksi massal
Selain keinginan untuk menerapkan TCO bebas indium dengan tujuan meningkatkan pengeluaran operasional (OPEX), adalah kepentingan terbaik untuk memiliki alat sputtering manufaktur volume tinggi yang dapat menghasilkan lapisan TCO berkualitas tinggi dengan biaya rendah. Gbr. 7 menunjukkan sistem sputtering XEA|nova L yang sangat produktif dari VON ARDENNE, yang dapat menyimpan lapisan TCO pada throughput 8.000 M6 wafer per jam dalam versi dasar, dan pada throughput yang lebih tinggi lagi dengan menggunakan paket peningkatan. Selama tahun 2019, peralatan XEA|nova menjadi bagian dari lini manufaktur industri yang mencapai efisiensi sel teratas di atas 24% menggunakan film TCO yang serupa dengan yang diselidiki di sini.
Untuk mencapai throughput yang tinggi, laju deposisi lapisan TCO harus tinggi, yang dapat diwujudkan dengan menerapkan daya DC yang tinggi ke target tabung. Namun, sifat TCO masih harus dipertahankan ketika TCO disiapkan pada densitas daya yang lebih tinggi. Gambar. 8 menunjukkan mobilitas elektron dan densitas pembawa muatan film TCO, tergagap pada 4kW dan 8kW dari target tabung keramik tipe TCO 'Y'. Mobilitas tinggi sekitar 80 cm2/ Vs dapat dicapai pada tingkat daya 4kW setelah deposisi. Peningkatan daya sputtering hingga 8 kW mengurangi mobilitas maksimum hingga maksimum 10%. Sangat menarik bahwa mobilitas dapat ditingkatkan lebih lanjut, hingga 100 cm2/Vs, dengan menganil film selama 30 menit pada 200 °C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 6. Target biaya spesifik per cm3 bahan target untuk TCO berbasis indium dan seng.
Kesimpulan
Teknologi sel surya SHJ telah terbukti menjadi pemain penting dalam perjalanan untuk meningkatkan pangsanya dalam produksi skala besar. Ini karena efisiensi konversi yang sangat tinggi yang dicapai dan proses produksi yang ramping.
Mengenai peran TCO, tiga aspek masih perlu ditangani untuk meningkatkan prospek teknologi SHJ untuk membuat terobosan tambahan ke dalam industri sel surya:
1. Lebih meningkatkan kinerja sel.Hal ini dapat dicapai dengan penerapan TCO mobilitas tinggi yang cocok untuk produksi massal. Ditunjukkan bahwa TCO mobilitas tinggi dapat tergagap pada throughput tinggi, dan TCO ini diuji dalam sel surya SHJ. Meskipun CE sel SHJ tersebut tinggi, ia masih tertinggal di belakang sel referensi dengan TCO depan ITO terbaik, meskipun penyerapan lebih rendah dan mobilitas lebih tinggi. Hal ini dikaitkan dengan peningkatan resistivitas kontak TCO dengan n- dan/ atau kontak silikon p-doped. Penyesuaian TCO dan implementasi lapisan kontak dan/atau optimisasi antarmuka perlu ditangani untuk lebih mengurangi kerugian resistif pada antarmuka ini dan, dengan demikian, menuai manfaat penuh dari properti TCO yang unggul.
2. Kurangi penggunaan bahan langka (dan mahal), khususnya indium.Pilihan menarik untuk mewujudkan penghematan biaya material adalah dengan mengurangi ketebalan TCO; ini bahkan lebih menarik dengan TCO konduktivitas tinggi (mobilitas tinggi) yang mahal. Namun, langkah proses lain diperlukan untuk mendepositkan lapisan kedua, anti-reflektif (capping), (ARC) di atas TCO untuk mengurangi kerugian refleksi. Atau, seperti yang ditunjukkan dalam makalah ini, TCO dengan konduktivitas lebih rendah (AZO dalam contoh yang diberikan) dapat diimplementasikan dalam sel surya sambungan belakang tanpa mengorbankan CE. Ini mendapatkan relevansi dalam hal biaya: dalam analisis yang disajikan, target berbasis ZnO menunjukkan biaya yang lebih rendah pada $ 0,6/cm3untuk bahan target, dibandingkan dengan $2,6/cm3untuk target berbasis In. Stabilitas AZO yang terbatas dapat diatasi dengan, misalnya, menutupnya dengan lapisan dielektrik (a-SiO2atau a-SiNx).
3. Mengurangi biaya peralatan PVD.Penskalaan dan peningkatan throughput jalur produksi TCO adalah cara yang harus dilakukan, dengan DC sputtering siap untuk produksi throughput tinggi dari TCO kinerja tinggi.
Ucapan Terima Kasih
Pendanaan oleh Kementerian Federal Jerman untuk Urusan Ekonomi dan Energi (BMWi) dalam kerangka proyek Dynasto di bawah #0324293 sangat kami hargai.
Gambar 8. Sifat listrik lapisan TCO tergagap pada 4kW dan 8kW dari target tabung keramik tipe TCO 'Y', dalam keadaan terendapkan dan setelah anil selama 30 menit pada 200 °C dalam kondisi sekitar.
Ucapan Terima Kasih
Pendanaan oleh Kementerian Federal Jerman untuk Urusan Ekonomi dan Energi (BMWi) dalam kerangka proyek Dynasto di bawah #0324293 sangat kami hargai.
Referensi
[1] Chunduri, SK& 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, “Memecahkan semua hambatan untuk teknologi heterojungsi silikon”, Photovoltaics International, Edisi ke-42, hlm. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, "Sifat listrik dan model cacat lapisan indium oksida yang didoping timah", Appl. fisik. A, Jil. 27, No. 4, hlm. 197–206 [https://doi. org/10.1007/BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, "Evaporated Sn»doped In2O3 film: Sifat optik dasar dan aplikasi untuk jendela hemat energi", J. Appl. Fisika., Vol. 60, No. 11, hal. R123–R160 [https://doi. org/10.1063/1.337534].
[5] Balestrieri, M.et al. 2011, "Karakterisasi dan optimasi film oksida timah indium untuk sel surya heterojungsi", Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 95, No. 8, hlm. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, “Studi Perbandingan Transparan Konduktif Ti-, Zr-, dan Sn-doped In2O3 menggunakan pendekatan kombinatorial”, J. Appl. Fisika., Vol. 101, No.6, hal. 063713 [https://doi. org/10.1063/1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, “Film tipis konduktif transparan mobilitas tinggi dari indium oksida terhidrogenasi yang didoping serium”, Appl. fisik. Ekspr., Vol. 8, No. 1, hal. 015505 [https://doi. org/10.7567/APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, “Mobilitas tinggi In2O3:H oksida konduktif transparan disiapkan oleh deposisi lapisan atom dan kristalisasi fase padat”, physica status solidi (RRL), Vol. 8, No. 12, hlm. 987–990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. dkk. 2019, “Peningkatan sifat listrik magnetron DC berdenyut hidrogen yang didoping indium oksida setelah anil di udara”, Mater. Sci. Semikon. Prok., Vol. 89, hlm. 170–175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. dkk. 2016, "Film indium oksida yang didoping tungsten: Siap untuk metalisasi tembaga bifasial sel surya heterojungsi silikon", Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 144, hlm. 359–363 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2015.09.033].
[11] Rumah Baru, PF et al. 2005, "Film tipis W-doped In2O3 mobilitas elektron tinggi dengan deposisi laser berdenyut", Appl. fisik. Lett., Vol. 87, No. 11, hal. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, "Pertumbuhan deposisi lapisan atom dari film In2O3 yang didoping zirkonium", Film Padat Tipis, Vol. 440, No. 1, hlm. 152–154 [https://doi.org/10.1016/S0040- 6090(03)00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, “In2O3 yang didoping Zr sangat konduktif dan broadband transparan sebagai elektroda depan untuk sel surya”, IEEE J. Photovolt., hlm. 1–6 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, “Elektroda transparan untuk optoelektronika yang efisien”, Adv. Elektron. Mater., Vol. 3, No. 5, hal. 1600529 [https://doi. org/10.1002/aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, "Transparan dan semitransparan melakukan deposisi film oleh lingkungan reaktif, sputtering katoda berongga", J. Vac. Sci. teknologi. A, Jil. 23, No. 4, hlm. 1215–1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM dkk. 2005, "Titaniumdoped indium oxide: Konduktor transparan mobilitas tinggi", Appl. fisik. Lett., Vol. 87, No. 3, hal. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. dkk. 2001, "Sebuah film tipis konduktif transparan baru In2O3:Mo", Film Padat Tipis, Vol. 394, No. 1–2, hlm. 218–222 [https://doi.org/10.1016/ S0040-6090(01)01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Pengembangan magnetron frekuensi radio tergagap indium molibdenum oksida", J. Vac. Sci. teknologi. A, Jil. 21, No. 4, hlm. 1092–1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, "Film tipis In2O3 konduktor Mo-doped transparan dengan mobilitas tinggi dengan deposisi laser berdenyut", J. Appl. Fisika., Vol. 95, No. 7, hlm. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, "Peningkatan transportasi listrik di seng oksida yang didoping Al dengan perlakuan termal", J. Appl. Fisika., Vol. 107, No. 1, hal. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, "Film seng oksida yang didoping dengan panas yang stabil", Thin Solid Films, Vol. 555, hlm. 48–52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, "Stabilitas panas lembab film seng oksida yang didoping Al pada substrat halus dan kasar", Thin Solid Films, Vol. 520, No. 4, hlm. 1285– 1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB dkk. 2018, “Sel surya heterojungsi silikon bebas ITO dengan elektroda depan ZnO:Al/SiO2 mencapai efisiensi konversi 23%”, IEEE J. Photovolt., Vol. 9, No. 1, hlm. 1–6 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, "Sel surya emitor belakang heterojungsi silikon: Lebih sedikit pembatasan pada sifat optoelektrik TCO sisi depan", Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 122, hlm. 120–129 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, “Perincian resistansi seri sel surya heterojungsi silikon yang diproduksi di jalur percontohan CEA-INES”, Proc. PVSEC UE ke-35, Brussel, Belgia, hlm. 721–724 [https://doi. org/10.4229/35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP dkk. 2015, "Analisis numerik tiga dimensi sel surya wafer silikon heterojungsi hibrida dengan kontak titik belakang heterojungsi", AIP Adv., Vol. 5, No.7, hal. 077124 [https://doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. dkk. 2019, “Pengaruh TCO depan pada kinerja sel surya heterojunction silikon sambungan belakang: Wawasan dari simulasi dan eksperimen”, Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 195, hlm. 339–345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. dkk. 2019, “Metode sederhana dengan model analitik untuk mengekstrak komponen resistansi seri sel surya heterojungsi dan mengekstrak A-Si:H(i/p) ke resistivitas kontak oksida konduktif transparan”, AIP Conf. Prok., Vol. 2147, No. 1, hal. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. dkk. 2019, “Pengaruh lapisan silikon pada pertumbuhan ITO dan AZO dalam sel surya heterojungsi silikon”, IEEE J. Photovolt., hlm. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, “Perlombaan untuk efisiensi tinggi dalam produksi: Mengapa heterojunction sekarang siap dipasarkan”, Proc. PVSEC UE ke-36, Marseille, Prancis, hlm. 1–20.
[31] Strahm, B. dkk. 2019, "Peningkatan kinerja 'HJT 2.0' dan manfaat biaya untuk produksi sel heterojungsi silikon", Proc. PVSEC UE ke-36, Marseille, Prancis, hlm. 300–303 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. dkk. 2013, "Desain dan fabrikasi lapisan anti-reflektif lapisan ganda SiOx / ITO untuk sel surya silikon heterojungsi", Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 117, hlm. 132–138 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, "Sel surya heterojungsi silikon dengan elektroda grid berlapis tembaga: Status dan perbandingan dengan teknik film tebal perak", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, No. 4, hlm. 1055–1062 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY dkk. 2016, "ITO/SiOx:H tumpukan untuk sel surya heterojungsi silikon", Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 158, Bagian 1, hlm. 98–101 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, “Manual untuk perangkat lunak simulasi optik sel surya: GENPRO4”, Bahan dan Perangkat Fotovoltaik, Universitas Teknologi Delft.
[36] Haschke, J. et al. 2020, “Transportasi lateral dalam sel surya silikon”, J. Appl. Fisika., Vol. 127 [https://doi. org/10.1063/1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, “Meningkatkan kontak emitor belakang a-Si:H(p) sel surya silikon tipe-n”, Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 106, hlm. 11–16 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, “Evaluasi teoritis tumpukan kontak untuk sel surya IBC-SHJ efisiensi tinggi”, Sol. Materi Energi. Sol. Sel, Jil. 186, hlm. 66–77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, “Hubungan resistivitas TCO/a-Si:H/c-Si heterojunction”, Proc. PVSEC UE ke-36, Marseille, Prancis, hlm. 538–540 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, “Pengaruh oksida antarmuka pada kontak film tipis TCO/doped Si pada pengangkutan pembawa muatan dari kontak pasif”, IEEE J. Photovolt., hlm. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, RH& Strack, H. 1967, "Kontak ohmik untuk perangkat GaAs", Elektron Solid-State., Vol. 10, No. 12, hlm. 1213–1218 [https://doi.org/10.1016/0038- 1101(67)90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clement, F.& Biro, D. 2014, "Pemodelan analitik sel surya silikon terkait industri", IEEE J. Photovolt., Vol. 4, No.1, hal.504–513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
