Fonte: vonardenne.biz
Originalmente publicado em Photovoltaics International, edição 44, maio de 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstrato
A tecnologia de células solares de heterojunção de silício (SHJ) é uma tecnologia atraente para a produção em grande escala de células solares com uma alta eficiência de conversão além de 24%. Um elemento-chave das células solares SHJ, contrastando com a tecnologia de célula de emissor passivado e contato traseiro (PERC), é o uso de óxido condutor transparente (TCO), que apresenta desafios de desempenho e custos, mas também apresenta oportunidades. Este artigo discute esses aspectos e mostra o potencial para melhorar a eficiência da célula a um custo reduzido, usando novos TCOs depositados por sputtering de corrente contínua (DC). No caso de células SHJ de junção traseira, é possível reduzir, ou mesmo evitar, o uso de índio em tais TCOs, sendo o óxido de zinco dopado com alumínio (AZO) um possível substituto para os TCOs à base de óxido de índio. A disponibilidade de TCOs de alto desempenho para produção em massa em grande escala, o que estimulará a penetração de mercado de células SHJ, é resumida.
Exemplo de equipamento de produção em massa da TCO: VON ARDENNE's XEA|nova L
Introdução
As células solares de silício baseadas em emissor passivado e tecnologia de contato traseiro (PERC) atingiram níveis de multi-gigawatt na produção em massa, com eficiências de conversão (CEs) de 22% e agora se aproximando de 23%. Para CEs ainda mais elevados, os contatos passivados são considerados a próxima geração de tecnologia celular. Aqui, a tecnologia de heterojunção de silício (SHJ) é um candidato promissor e está correndo para fora do portão de partida, com um CE de 23-24% já tendo sido demonstrado em wafers de tamanho real, não apenas em linhas piloto, mas também na produção em larga escala [ 1]. Embora tenha sido a Panasonic (anteriormente Sanyo) a pioneira nesta tecnologia, vários jogadores em todo o mundo têm construído suas próprias linhas de produção, como ENEL Green Energy e Hevel Solar na Europa, e REC, Jinergy, GS-Solar e vários outros Na ásia. Os principais benefícios da tecnologia SHJ foram discutidos em um artigo recente de Ballif et al. [2]. Além do alto CE, uma vantagem chave do SHJ é a sequência de produção enxuta, com apenas quatro etapas principais necessárias para processar ambos os lados simetricamente:
1. Limpeza úmida e texturização de wafers.
2. a-Si: deposição de H por deposição de vapor químico intensificada por plasma (PECVD).
3. Deposição de camadas de óxido condutor transparente (TCO) por deposição física de vapor (PVD, geralmente pulverização catódica).
4. Serigrafia de grades de prata.
Por causa dos processos de baixa temperatura (& lt; 200 ° C) e da pilha de dispositivos simétricos, a flexão e rachadura induzida por tensão podem ser evitadas, o que significa que wafers finos podem ser utilizados, economizando custos de material e energia. A pilha SHJ ocorre naturalmente em um design de célula bifacial; além disso, as células SHJ têm o menor coeficiente de temperatura no campo, normalmente –0,28% / ° C. A combinação de bifacialidade e coeficiente de baixa temperatura aumenta o rendimento energético de um sistema fotovoltaico.
Por outro lado, alguns dos fatores que limitam um rápido aumento na absorção da tecnologia SHJ são os custos de equipamento relativamente altos, principalmente para PECVD (mas também para PVD), e o contato de célula adaptado para fabricação de módulo (sem padrão de alta temperatura de solda). É necessária mais pasta de Ag do que para células de Si padrão, devido à cura em baixa temperatura, resultando em dedos de menor condutividade; isso, no entanto, depende da abordagem de interconexão, especificamente se os barramentos são usados ou não. Finalmente, e discutido com mais detalhes neste artigo, são necessários alvos para pulverização catódica das camadas de TCO em ambos os lados, que são caros para os materiais normalmente empregados.
Óxido de índio (In2O3) dopado com estanho (Sn), conhecido como ITO, é atualmente o TCO mais comumente usado [3–5]. Este óxido condutor transparente é bem conhecido na produção em massa de monitores de tela plana (FPD) e exibe propriedades optoeletrônicas adequadas, como baixa resistividade de camadas finas e transparência suficiente na faixa visível. Uma consideração importante para a produção de FPD, ITO pode ser processado por fotolitografia, uma vez que é gravável (no estado como depositado) e é estável a longo prazo após a cristalização em fase sólida após recozimento térmico a 150–200 ° C. Geralmente, o ITO é depositado por pulverização catódica de magnetron de corrente contínua (DC) em grandes áreas. Embora a pulverização catódica DC cause inicialmente algum dano à passivação da superfície do silício, ela é totalmente recozida a temperaturas de cerca de 200 ° C, que é alcançada durante a pulverização catódica ou posteriormente durante a cura da pasta Ag após a impressão da tela.
Em contraste com os FPDs, o TCO deve cumprir requisitos adicionais quando aplicado ao lado frontal das células SHJ, ou seja, uma excelente transparência na faixa mais ampla de comprimento de onda de 300-1.100 nm. A Fig. 1 mostra os espectros de absorção de várias camadas de TCO, demonstrando as diferenças na absorção parasitária nos regimes de comprimento de onda curto e longo. Além dessa baixa absorção, baixas resistências de contato com as camadas de silício dopadas com n e p, bem como com a grade de metal, são obrigatórias para as camadas de TCO em ambos os lados. Por último, mas não menos importante, as restrições de custo das células solares são extremamente rigorosas e, para imaginar PV em uma escala de terawatts, é essencial reduzir (ou melhor ainda, evitar) o uso de materiais críticos ou escassos, como o índio ( Dentro). O último aspecto, no entanto, ainda é difícil de abordar, já que a maioria dos TCOs de qualidade de dispositivo contém índio. Uma opção é diminuir a espessura de tais TCOs, que então requer que uma segunda camada seja depositada a fim de manter o desempenho óptico (anti-reflexo) ideal. Isso, por sua vez, aumenta o número de etapas do processo e, portanto, a complexidade e os custos do processo.
Este artigo aborda a otimização do TCO para incorporação em células solares SHJ. Uma métrica é apresentada para avaliar e comparar diferentes TCOs no que diz respeito à sua adequação para aplicação em células SHJ. Para reduzir a perda ótica no TCO frontal, é obrigatório o uso de materiais com alta transparência. Uma alta mobilidade do portador de carga, normalmente> 100 cm2/ Vs, permite uma redução na densidade de portadores (em resistividade constante), reduzindo assim a perda ótica devido à absorção de portadores livres (FCA).
Vários materiais de TCO de 'alta mobilidade' baseados em óxido de índio com diferentes dopings foram investigados no passado [6–13]. Todos eles exibem excelentes propriedades como camadas de TCO em vidro e a maioria deles também tem um CE alto. A fabricação de destino, no entanto, é difícil e os custos são altos para muitos desses materiais.
Novos TCOs que podem ser processados em produção em larga escala a partir de alvos rotativos estão agora disponíveis, proporcionando alta mobilidade e produzindo células SHJ com alto CE. As circunstâncias em que o AZO como uma alternativa sem índio e de baixo custo pode ser implementado em células SHJ de alta eficiência serão discutidas posteriormente. Uma comparação de custos de alvos baseados em In e em ZnO também será apresentada.
Figura 1. Espectros de absorção óptica para vários tipos de camada de TCO de espessura
TCO para células solares SHJ
No passado, vários materiais TCO foram investigados para uso em células solares SHJ. Requisitos importantes para esta implementação são alta condutividade e alta transparência, com temperaturas de processamento abaixo de 200 ° C (devido à sensibilidade das camadas de passivação de silício de filme fino), bem como boa formação de contato com as camadas vizinhas [14].
Entre alguns dos TCOs relevantes, Sn policristalino dopado com In2O3(ITO) cultivado em temperaturas abaixo de 200 ° C, que atinge mobilidade de elétrons (μe) em torno de 40cm2/ Vs [3–5], encontrou ampla aplicação em células solares SHJ. TCOs baseados em dopagem com outros metais, como titânio (Ti) [15,16], zircônio (Zr) [6,12,13], molibdênio (Mo) [15,17-19] e tungstênio (W) [ 10,11], valores de rendimento μe maiores que 80 cm2/ Vs em uma densidade do carregador (ne) variando de 1 × 1020 a 3 × 1020 cm-3.
Essas camadas podem ser depositadas por meio de pulverização catódica, deposição de laser pulsado (PLD) e revestimento iônico com descarga de arco DC ou deposição de plasma reativo (RPD). Destes, a pulverização catódica é o método mais estabelecido para a produção em massa. Uma mobilidade ainda maior de μe> 100 cm2/ Vs pode ser alcançado para In de hidrogênio (H) dopado em fase sólida cristalizado (SPC)2O3(IOH) [6–9] e cério (Ce) ICeO: filmes H [7] com 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Esses filmes são depositados a baixas temperaturas em uma matriz amorfa e posteriormente recozidos em temperaturas acima de 150 ° C, o que resulta em altos valores de μe devido à formação de grandes grãos.
Os TCOs apresentados acima são atraentes por causa de seu excelente desempenho optoelétrico, mas até o momento, principalmente ITO e IWO: H, encontraram seu caminho para a produção industrial. A escassez de índio, no entanto, é uma motivação para a implementação de TCOs alternativos. AZO oferece a vantagem de ter materiais compostos mais abundantes. Camadas de AZO com uma espessura de várias centenas de nanômetros, pulverizadas em temperaturas elevadas> 250 ° C, rendem boas propriedades optoeletrônicas [20] e também estabilidade [21].
Camadas finas de espessura inferior a 100 nm depositadas em temperaturas abaixo de 200 ° C, conforme exigido para células SHJ, em contraste exibem uma estrutura cristalina pobre, resultando em baixos valores de mobilidade em torno de 20cm2 / Vs e baixa estabilidade a longo prazo [22]. A estabilidade aprimorada para células solares SHJ, no entanto, foi demonstrada pela aplicação de um óxido de silício amorfo (a-SiO2) cobertura [23].
Conforme indicado pelo μevalores obtidos, e dependendo das condições de processamento, os diferentes TCOs demonstram uma ampla gama de mobilidades de elétrons. A resistência da folha TCO (R▫) as faixas podem ser classificadas como mostrado na Tabela 1. Aqui, uma faixa de concentração de portador 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3é considerado: isso representa um bom compromisso para atingir FCA baixo, boa condutividade elétrica e boa formação de contato com camadas vizinhas e uma espessura de TCO de 75 nm para propriedades anti-reflexas.
A simetria no processamento de células SHJ e o uso de wafers (tipo n) com tempos de vida de portadora muito altos permite escolher livremente qual contato (n ou p) está voltado para a frente. A posição do contato p (junção) tem impacto na otimização do TCO frontal para a obtenção de alta transparência e baixa resistência série Rsda célula [24-27]. Para demonstrar isso, a Fig. 2 mostra seções transversais esquemáticas de células solares SHJ bifaciais e monofaciais em uma configuração de junção traseira com todas as contribuições Rs indicadas. Uma análise detalhada dos componentes Rs e de suas contribuições nas células solares SHJ pode ser encontrada em Basset et al. [25] e Wang et al. [28]. A alta condutividade, ou seja, densidade e mobilidade, dos elétrons no wafer c-Si, junto com a resistência de contato muito baixa do contato n / TCO, favorece a escolha do contato n estar na frente ('junção traseira'), como o transporte de corrente lateral é significativamente suportado pelo wafer. Isso relaxa o requisito de condutividade do TCO (resistência da folha), permitindo assim uma otimização para a mais alta transparência.
Para ilustrar o efeito da liberdade acima mencionada no projeto de células, a Fig. 3 apresenta curvas Rs simuladas juntamente com valores experimentais extraídos de células solares, com uma variação do processo ITO em função da resistência da folha frontal do TCO. Os valores experimentais validam as tendências do modelo [27]. Como pode ser visto claramente, o projeto da junção traseira oferece uma vantagem para TCOs de alta resistência, beneficiando-se do suporte lateral na condução de elétrons no wafer de Si. O projeto da junção frontal, por outro lado, é mais favorável para camadas de TCO de baixa resistividade; este projeto aproveita a menor contribuição Rs transversal, uma vez que os elétrons, tendo maior mobilidade do que os buracos, viajam para a parte traseira do wafer (com a fotogeração ocorrendo principalmente perto da parte frontal). A compensação entre as contribuições Rs laterais e transversais determinará qual design de célula solar é mais adequado, dependendo da resistência da folha de TCO disponível.
O R▫intervalos para diferentes TCOs relatados na literatura e conforme definido na Tabela 1 são mostrados na Fig. 3 com o tom de cor correspondente. TCOs com baixo R▫(vermelho) são mais benéficos quando implementados em um dispositivo de junção frontal, enquanto TCOs com R intermediário▫(azul) estão em uma região de transição onde o Rsdiferença entre os dispositivos de junção frontal e traseira é bastante pequena. Em contraste, TCOs com alto R▫(cinza) são claramente vantajosos quando implementados em um projeto de junção traseira; isso é favorável para AZO, por exemplo, sendo altamente transparente, mas não muito condutor, ainda produzindo a mesma eficiência da célula SHJ> 23% que a célula de referência ITO [23]. No Helmholtz-Zentrum Berlin, as células solares SHJ com TCO frontal baseado em ITO e AZO alcançaram um CE certificado acima de 23,5% [29].
Outra abordagem que aproveita o suporte de transporte lateral do wafer, demonstrado por alguns grupos de pesquisa [27,30] e em produção piloto [31], é implementar TCOs mais finos, que reduzem a absorção parasitária, mantendo ou melhorando a CE da célula solar. A implementação de uma camada de TCO mais fina, no entanto, requer uma segunda camada na parte superior - por exemplo, SiO2ou Si3N4- para manter o anti-reflexo (AR) ótimo [32–34].
Quantificar com precisão o desempenho óptico de diferentes TCOs quando implementados na pilha de células, ou seja, determinar a perda específica na densidade de corrente de curto-circuito (Jsc), foram realizadas simulações com uma ferramenta de software de rastreamento de raios (GenPro4 [35]). Levando em consideração a perda de energia relacionada ao TCO na célula devido a um aumento em Rs e uma diminuição em Jsc, diferentes materiais de TCO foram avaliados como mostrado na Fig. 4. Para este propósito, uma célula solar de referência com CE=23,3 % foi considerado, sem perdas relacionadas ao TCO em Jsce Rs(FF). IOH, ITO e AZO foram estudados como exemplos de baixo R▫, mid-R▫e alto-R▫regimes respectivamente.
Foram estudadas implementações de TCOs padrão de 75 nm de espessura ('espessura') e diluente oticamente otimizado ('fino'). Para uma comparação justa (ou seja, para permanecer no AR ideal em todos os casos), todas as células (com TCOs 'grossos' e 'finos') foram finalizadas com um a-SiO2camada de cobertura. As resistividades de contato nas interfaces TCO / Ag e TCO / Si foram assumidas como (baixas e) iguais para todos os três TCOs, o que, obviamente, é uma simplificação. Isso será discutido posteriormente e apresentado em Haschke et al. [36]. Mais detalhes sobre as espessuras de camada otimizadas e resultados de simulação podem ser encontrados em Cruz et al. [27].
Os gráficos na Fig. 4 mostram a perda de potência relacionada ao TCO devido a uma diminuição em Jsc e a um aumento em Rs, para dispositivos de junção traseira (Fig. 4 (a)) e de junção frontal (Fig. 4 (b)). Claramente, o IOH supera os outros dois TCOs por causa de suas excelentes propriedades optoeletrônicas em ambos os casos. Na Fig. 4 (a), mostrando o ITO e AZO espessos, os materiais compensam suas perdas de CE, uma vez que o AZO de menor condutividade apresenta menor absorção parasitária do que o ITO. Quando isso é comparado com as versões mais finas de TCOs, pode-se observar que a perda de CE diminui ligeiramente como resultado da absorção de TCO parasita reduzida. O ITO claramente se beneficia mais com este desbaste, por causa de sua absorção parasitária comparativamente maior, levando a um CE ligeiramente melhor do que com AZO. Isso mostra que TCOs mais finos com ótica aprimorada podem ser implementados em uma configuração de junção traseira e serão benéficos em termos de CE.
Em contraste, olhando para o projeto da junção frontal na Fig. 4 (b), pode-se ver que o IOH de alta condutividade não sofrerá com a contribuição de transporte lateral inferior pelo wafer. A baixa condutividade ITO e AZO, entretanto, aumentam as perdas resistivas. Diminuir a espessura do ITO não leva a uma vantagem CE, ao passo que no caso do AZO é claramente desvantajoso. Pode-se concluir que um TCO de alta condutividade, aqui IOH no exemplo, pode ser implementado em configurações de células solares de junção traseira e frontal sem grandes diferenças nas perdas de CE. TCOs de baixa condutividade - como ITO e AZO - sofrerão com os Rs laterais mais altos presentes na configuração da junção frontal. O afinamento do TCO em células solares de junção traseira é vantajoso se o TCO exceder um certo limite de absorção, mesmo para um TCO com baixa condutividade, aqui AZO no exemplo. Em um projeto de junção frontal, o desbaste trará apenas pequenos benefícios ou pode até ser desvantajoso para TCOs de baixa condutividade, como AZO.
Desempenho de TCOs industriais de alta mobilidade
A fim de testar TCOs de alta mobilidade espalhados a uma taxa alta por sputtering DC de alvos de tubo, conforme realizado na produção em massa em grande escala, diferentes materiais foram usados para o TCO frontal em células solares SHJ de junção traseira bifacial. Dois tipos de TCO de alta mobilidade foram testados, ou seja, óxido de índio dopado com titânio (ITiO) e óxido de índio com um tipo de dopagem não divulgado ('Y'). Além disso, foi testado ITO com várias concentrações de dopagem, nomeadamente contendo 97% de óxido de índio e 3% de óxido de estanho no alvo ('97 / 3 ') e ITO 99/1. Como material de referência, o ITO 97/3 foi implementado na parte traseira de todas as células. Um grupo de células com ITO 95/5 em ambos os lados frontal e traseiro também foi incluído.
As camadas de teste correspondentes no vidro revelaram resistências da folha de TCO na faixa de 36–136 Ω após a deposição e recozimento por 30 min a 200 ° C em condições ambientais, que é comparável à cura realizada após a impressão da tela. Este é um intervalo adequado para a implementação como o contato frontal em células solares SHJ de junção traseira, conforme discutido anteriormente (ver Fig. 3). Deve-se levar em consideração, entretanto, que as camadas de TCO depositadas sobre o vidro podem apresentar propriedades (mobilidade do portador) diferentes daquelas quando as camadas são depositadas sobre o silício, como é necessário para as células solares. Isso foi atribuído a dois efeitos [29]: (1) nucleação de cristal diferente e, portanto, estrutura de grão; (2) conteúdo diferente de hidrogênio que se difunde da camada de silício para o TCO.
As camadas ITiO e Y exibem altas mobilidades de até 90cm2 / Vs, mas com diferentes densidades de portadores de carga, a saber 2 × 1020cm-3e ~ 0,8 × 1020cm-3respectivamente. Para filmes ITO97 / 3 e ITO99 / 1, valores de mobilidade mais baixos, em torno de 60 e 70 cm2/ Vs em densidades de portador de carga de 2,7 × 1020 cm-3e 1,8 × 1020cm-3respectivamente, foram medidos. Como resultado da densidade de portadores de carga muito baixa, os filmes Y mostraram a menor absorção parasitária na região do infravermelho próximo (ver Fig. 1), o que torna este material o mais promissor para alcançar o maior Jsc e, possivelmente, o CE mais alto em células solares.
OI–Vparâmetros de cada um dos grupos de teste são mostrados na Fig. 5. Todas as células exibem tensões de circuito aberto comparáveis (Voc), com medianas na faixa estreita de 737-738 mV. Isso confirma que a passivação não se degradou por causa de diferentes danos por pulverização catódica. Como esperado, as células solares com TCOs de alta mobilidade produziram os maiores Jscvalores, com medianas de 39,0 mA / cm2e 39,2 mA / cm2para ITiO e Y respectivamente. Isso é até 0,5 mA / cm2superior ao alcançado com a referência ITO97 / 3.
Apesar da altaJsce bomVocvalores, no entanto, as células com um contato frontal em Y não produziram as eficiências mais altas. A maior mediana de CE de 22,9% foi realmente obtida para ITO99 / 1, enquanto o maior valor de CE de 23,3% foi medido para uma célula com ITiO. O CE mais baixo no caso das amostras Y resulta da FF mediana inferior de apenas cerca de 77%, o que se deve a um valor de Rs que é consideravelmente mais alto; na verdade, as células com um contato frontal em Y produzem os maiores valores de Rs medianos de 1,3-1,6 Ω cm2. Em contraste, o valor médio de Rs é 0,9 Ω cm2para as células ITO99 / 1, resultando em uma mediana significativamente maiorFFde 79,5%.
Tabela 1. Comparação das propriedades elétricas de diferentes TCOs.
Figura 2. Vistas esquemáticas em corte transversal de células solares de heterojunção de silício com junção traseira (SHJ): (a) desenho de célula bifacial; (b) projeto de célula monofacial, com os componentes de resistência em série (Rs) mostrados.
Figura 3. Resistência em série versus resistência da folha TCO frontal para células solares SHJ de junção frontal e traseira. As curvas representam resultados simulados, enquanto as caixas indicam resultados para células medidas com uma variação de ITO.
Importância da baixa resistência de contato
A alta resistência em série das células com (baixa densidade de portadores e) TCO de alta mobilidade é de fato um aspecto que precisa ser abordado. Mais precisamente, os dois componentes principais do Rsaqui estão a resistência de contato dos TCOs com as camadas de contato de silício dopadas com n e p, que foram investigadas em detalhes na literatura [37-40]. No caso de células solares à base de c-Si dopadas com n, a resistência de contato do TCO com as camadas de Si dopadas com n pode ser caracterizada por várias técnicas relativamente simples, como Cox e Strack [41] ou transmissão métodos -line [42]. A resistência de contato do TCO com a camada de Si dopada com p (TCO / p), ao contrário, é mais difícil de acessar, pois uma junção é formada. Conforme mostrado por Basset et al. [21] e Wang et al. [24], por exemplo, um método simples para extrair o valor do Rscomponente é derivar todos os componentes acessíveis de Rs, e o valor restante é então concluído como sendo a resistência de contato TCO / p.
A resistividade de contato ρcdepende do alinhamento detalhado da banda e da curvatura da banda, bem como dos estados de defeito da interface; portanto, vários parâmetros são importantes, especificamente a energia de ativação da camada de Si dopada e a densidade do portador de carga, mas também a diferença da função de trabalho entre os dois materiais. Procel et al. [38] mostrou que ρcé mínimo quando as camadas dopadas exibem baixos valores de energia de ativação, como os obtidos com camadas de silício nanocristalino em vez de camadas amorfas.
Além disso, a densidade do portador de carga do TCO deve ser bem acima de 1 × 1020cm-3; isso é particularmente importante para o contato TCO / p, para o qual a recombinação eficiente de buraco e elétrons no contato é essencial. No que diz respeito à seleção e otimização de camadas de TCO, isso envolve encontrar um ótimo para ne, que deve ser alto o suficiente para atingir ρ suficientemente baixocvalores, mas, ao mesmo tempo, devem ser os mais baixos possíveis, a fim de limitar a absorção parasitária (FCA).
Em um experimento mais recente, uma camada Y com uma densidade de portadores mais alta foi selecionada; A Fig. 8 mostra as propriedades disponíveis ao ajustar o processo. De fato, para o TCO adaptado, a célula FF se recuperou, mas ao custo de uma pequena diminuição em Jscpor causa do FCA adicional. No geral, a CE ainda aumentou para um nível semelhante ao encontrado para os melhores grupos na Fig. 5, o que demonstra a importância do ajuste cuidadoso das propriedades da camada e da interface.
Figura 4. Perda de energia relacionada à densidade de corrente (Ploss J) e perda de energia relacionada à resistência em série (Ploss R) para (a) células SHJ de junção traseira e (b) junção frontal. Os valores de perda de eficiência de conversão (CE) são indicados pelas linhas tracejadas; essas perdas são relativas a uma célula solar de referência com 23,3% CE, representada pelo diamante roxo em (0,0). Os símbolos preenchidos representam TCOs de 75 nm de espessura (padrão), mas com um revestimento anti-reflexo (ARC) na parte superior, enquanto os símbolos abertos representam camadas de TCO mais finas (otimizadas), também com um ARC.
Aspectos industriais: custos-alvo
Os tipos comuns de alvos de TCO usados na indústria PV de silício cristalino são alvos rotativos, que são invólucros cilíndricos do material TCO ligado a um tubo de suporte feito de metal. Quanto mais comprido for o tubo, mais cascas devem ser usadas para o alvo do tubo. A razão pela qual a indústria prefere esse tipo de alvo para pulverização catódica de TCOs é a taxa de utilização muito mais alta do material alvo de TCO do que para tipos planos de alvo TCO. A taxa de utilização do material alvo alcançável com uma meta giratória é geralmente ≥80%; isso é de particular interesse no caso em que os materiais de TCO são caros, como os TCOs à base de índio. No que diz respeito aos TCOs na indústria fotovoltaica de silício cristalino, os TCOs à base de índio são dominantes devido às suas excelentes propriedades de camada (como também foi mostrado anteriormente). No entanto, alguns participantes do mercado também estão oferecendo TCOs baseados em zinco para a mesma finalidade. Na verdade, existem vantagens e desvantagens no uso de TCOs à base de zinco. Uma vantagem é o menor custo de um alvo de tubo à base de zinco de dimensões idênticas às de um alvo à base de índio, enquanto a condutividade mais baixa do zinco apresenta algumas restrições no projeto de células solares, conforme discutido anteriormente e visualizado na Fig. 3.
A Fig. 6 mostra o custo alvo específico por cm3de alvos de tubo para TCOs baseados em zinco e TCOs baseados em índio; observe que o custo do tubo de apoio é excluído do custo-alvo. Os pontos de dados foram coletados de fornecedores-alvo em todo o mundo. O menor número de pontos de dados para TCOs baseados em zinco pode ser atribuído à falta de interesse por esse material mostrado pela indústria fotovoltaica de silício cristalino até agora.
Existe alguma dispersão no custo-alvo por causa dos diferentes materiais dentro do grupo do zinco e dentro do grupo do índio, ou por causa dos diferentes fornecedores. Os pontos de dados que denotam um custo alvo mais alto em ambos os grupos podem ser explicados por composições menos comuns e / ou processos de fabricação caros e / ou margens altas. Os pontos de dados de custo mais baixo observados em ambos os grupos devem ser valores de custo representativos para produtores de células solares com várias centenas de demandas anuais de alvos de tubos.
Uma comparação do valor mais baixo em ambos os grupos revela que TCOs baseados em Zn (custo alvo ~ $ 0,6 / cm3) pode ser cerca de um quarto do preço dos TCOs baseados em In (custo alvo ~ $ 2,6 / cm3) Deve-se ressaltar, no entanto, que esses dados são um retrato da situação atual e provavelmente se tornarão obsoletos em breve, dependendo da volatilidade do mercado de ações no que diz respeito à matéria-prima, em particular o índio.
Figura 5. Parâmetros I – V de células solares bifaciais SHJ de 4 cm2 com vários TCOs frontais e ITO 97/3 na parte traseira. ITO 95/5, DC pulverizado a partir de um alvo de tubo em HZB, foi incluído como uma referência.
Aspectos industriais: produção em massa
Além do desejo de implementar TCOs livres de índio com o objetivo de melhorar os gastos operacionais (OPEX), é do interesse ter uma ferramenta de pulverização catódica de fabricação de alto volume que possa produzir um revestimento de TCO de alta qualidade a baixo custo. A Fig. 7 mostra o sistema de pulverização catódica XEA|nova L altamente produtivo da VON ARDENNE, que pode depositar camadas de TCO a uma taxa de transferência de 8.000 wafers M6 por hora na versão básica e a uma taxa de transferência ainda maior usando pacotes de atualização. Durante 2019, o equipamento XEA|nova tornou-se parte de uma linha de fabricação industrial atingindo eficiências de células de topo de mais de 24% usando filmes TCO semelhantes aos investigados aqui.
Para atingir um alto rendimento, a taxa de deposição das camadas de TCO deve ser alta, o que pode ser realizado aplicando uma alta potência DC ao alvo do tubo. No entanto, as propriedades do TCO ainda precisam ser mantidas quando o TCO é preparado em densidades de potência mais altas. A Fig. 8 mostra as mobilidades de elétrons e densidades de portadores de carga de filmes de TCO, pulverizados a 4kW e 8kW de alvos de tubos de cerâmica de TCO tipo 'Y'. Altas mobilidades de cerca de 80 cm2/ Vs pode ser alcançado em um nível de potência de 4 kW após a deposição. Um aumento da potência de pulverização para 8 kW reduz a mobilidade máxima em um máximo de 10%. É interessante que as mobilidades pudessem ser aumentadas ainda mais, até 100 cm2/ Vs, por recozimento dos filmes por 30 min a 200 ° C, como mostrado na Fig. 8.
Figura 6. Custo alvo específico por cm3 de material alvo para TCOs à base de índio e zinco.
Conclusões
A tecnologia de células solares da SHJ demonstrou ser um jogador importante no caminho para aumentar sua participação na produção em grande escala. Isso se deve às altas eficiências de conversão alcançadas e ao processo de produção enxuto.
Em relação ao papel dos TCOs, três aspectos ainda precisam ser tratados para impulsionar as perspectivas da tecnologia SHJ de fazer incursões adicionais na indústria de células solares:
1. Melhore ainda mais o desempenho da célula.Isso pode ser alcançado pela implementação de TCOs de alta mobilidade que são adequados para a produção em massa. Foi demonstrado que os TCOs de alta mobilidade podem ser pulverizados em altas taxas de transferência, e esses TCOs foram testados em células solares SHJ. Embora o CE de tais células SHJ seja alto, ele ainda está atrás das células de referência com o melhor TCO frontal de ITO, apesar de uma menor absorção e maior mobilidade. Isso é atribuído a um aumento da resistividade de contato dos TCOs com o contatos de silício dopados com p. O ajuste fino do TCO e a implementação de camadas de contato e / ou otimização de interface precisarão ser tratados para reduzir ainda mais as perdas resistivas nessas interfaces e, assim, colher todos os benefícios das propriedades superiores de TCO.
2. Reduzir o uso de materiais escassos (e caros), especialmente índio.Uma opção atraente para obter economia no custo do material é diminuir a espessura do TCO; isso é ainda mais atraente com TCOs caros de alta condutividade (alta mobilidade). No entanto, outra etapa do processo é necessária para depositar uma segunda camada anti-reflexiva (cobertura) (ARC) no topo do TCO a fim de reduzir as perdas por reflexão. Alternativamente, como mostrado neste artigo, os TCOs de baixa condutividade (AZO no exemplo dado) podem ser implementados em células solares de junção traseira sem comprometer a CE. Isso ganha relevância no que diz respeito ao custo: na análise apresentada, as metas baseadas em ZnO demonstram custo mais baixo de $ 0,6 / cm3para o material alvo, em comparação com $ 2,6 / cm3para destinos baseados em In. A estabilidade limitada do AZO pode ser tratada, por exemplo, cobrindo-o com uma camada dielétrica (a-SiO2ou a-SiNx).
3. Reduza os custos do equipamento PVD.Escalar e aumentar o rendimento das linhas de produção de TCO é o caminho a seguir, com a pulverização catódica DC pronta para a produção de alto rendimento de TCOs de alto desempenho.
Reconhecimentos
O financiamento do ministério federal alemão para assuntos econômicos e energia (BMWi) no âmbito do projeto Dynasto sob o número 0324293 é reconhecido com gratidão.
Figura 8. Propriedades elétricas das camadas de TCO sputtered a 4kW e 8kW de alvos de tubo de cerâmica de TCO tipo 'Y', no estado como depositado e após recozimento por 30 min a 200 ° C em condições ambientais.
Reconhecimentos
O financiamento do ministério federal alemão para assuntos econômicos e energia (BMWi) no âmbito do projeto Dynasto sob o número 0324293 é reconhecido com gratidão.
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