TCO industriales para células solares SHJ: enfoques para optimizar el rendimiento y el costo

- Oct 05, 2020-

Fuente: vonardenne.biz


Publicado originalmente en Photovoltaics International, Edición 44, mayo de 2020

Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2Amplificador GG; Bernd Stannowski1

Abstracto

La tecnología de células solares de heterounión de silicio (SHJ) es una tecnología atractiva para la producción a gran escala de células solares con una alta eficiencia de conversión superior al 24%. Un elemento clave de las células solares SHJ, en contraste con la tecnología de células de contacto trasero y emisor pasivado (PERC) de GG, es el uso de óxido conductor transparente (TCO), que plantea desafíos en el rendimiento y los costos, pero también presenta oportunidades . Este documento analiza estos aspectos y muestra el potencial para mejorar la eficiencia de la celda a un costo reducido mediante el uso de nuevos TCO depositados por pulverización catódica de corriente continua (CC). En el caso de las celdas SHJ de unión trasera, es posible reducir, o incluso evitar, el uso de indio en tales TCO, siendo el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) un posible sustituto de los TCO basados ​​en óxido de indio. Se resume la disponibilidad de TCO de alto rendimiento para la producción en masa a gran escala, que fomentará la penetración en el mercado de las células SHJ.

Ejemplo de equipo de producción en masa de TCO: XEA|nova L de VON ARDENNE

Introducción

Las células solares de silicio basadas en tecnología de emisor pasivado y contacto trasero (PERC) han alcanzado niveles de varios gigavatios en la producción en masa, con eficiencias de conversión (CE) del 22% y ahora se acercan al 23%. Para EC aún más altos, los contactos pasivados se consideran la próxima generación de tecnología celular. En este caso, la tecnología de heterounión de silicio (SHJ) es un candidato prometedor y está saliendo rápidamente de la puerta de salida, con un CE de 23-24% ya demostrado en obleas de tamaño completo, no solo en líneas piloto sino también en producción a gran escala [ 1]. Si bien fue Panasonic (antes Sanyo) quien fue pionera en esta tecnología, varios actores en todo el mundo han estado construyendo sus propias líneas de producción, como ENEL Green Energy y Hevel Solar en Europa, y REC, Jinergy, GS-Solar y varios otros. en Asia. Los principales beneficios de la tecnología SHJ se discutieron en un artículo reciente de Ballif et al. [2]. Además del alto CE, una ventaja clave de SHJ es la secuencia de producción ajustada, con solo cuatro pasos principales necesarios para procesar ambos lados simétricamente:

1. Limpieza en húmedo y texturizado de obleas.

2. Deposición de a-Si: H por deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD).

3. Deposición de capas de óxido conductor transparente (TCO) por deposición física de vapor (PVD, generalmente pulverización catódica).

4. Serigrafía de rejillas plateadas.

Debido a los procesos de baja temperatura (GG lt; 200 ° C) y la pila de dispositivos simétrica, se puede evitar la flexión y el agrietamiento de obleas inducidos por tensión, lo que significa que se pueden utilizar obleas delgadas, ahorrando así costos de material y energía. La pila SHJ se produce naturalmente en un diseño de celda bifacial; además, las celdas SHJ tienen el coeficiente de temperatura más bajo del campo, típicamente –0,28% / ° C. La combinación de bifacialidad y coeficiente de temperatura baja aumenta el rendimiento energético de un sistema fotovoltaico.

Por otro lado, algunos de los factores que limitan un rápido aumento en la adopción de la tecnología SHJ son los costos relativamente altos de los equipos, principalmente para PECVD (pero también para PVD), y el contacto de celda adaptado para la fabricación de módulos (sin estándares de alta temperatura soldadura). Se necesita más pasta de Ag que para las celdas de Si estándar, debido al curado a baja temperatura, lo que produce dedos de menor conductividad; esto, sin embargo, depende del enfoque de interconexión, específicamente si se utilizan barras colectoras o no. Finalmente, y discutido con más detalle en este documento, se requieren objetivos para la pulverización catódica de las capas de TCO en ambos lados, que son costosos para los materiales que se emplean habitualmente.

Óxido de indio (en2O3) dopado con estaño (Sn), denominado ITO, es actualmente el TCO más utilizado [3-5]. Este óxido conductor transparente es bien conocido por la producción en masa de pantallas de panel plano (FPD) y exhibe propiedades optoelectrónicas adecuadas, como baja resistividad de capas delgadas y suficiente transparencia en el rango visible. Una consideración importante para la producción de FPD, ITO se puede procesar mediante fotolitografía, ya que se puede grabar (en el estado depositado) y es estable a largo plazo después de la cristalización en fase sólida tras el recocido térmico a 150-200 ° C. Generalmente, ITO se deposita por pulverización catódica de magnetrón de corriente continua (CC) en grandes áreas. Aunque la pulverización catódica de CC inicialmente causa algún daño en la pasivación de la superficie del silicio, esta se recoce completamente a temperaturas de alrededor de 200 ° C, que se alcanzan durante la pulverización catódica o más tarde durante el curado de la pasta de Ag después de la serigrafía.

A diferencia de los FPD, el TCO tiene que cumplir requisitos adicionales cuando se aplica a la parte frontal de las celdas SHJ, es decir, una excelente transparencia en el rango de longitud de onda más amplio de 300-1,100 nm. La Fig. 1 muestra los espectros de absorción de varias capas de TCO, lo que demuestra las diferencias en la absorción parasitaria en los regímenes de longitud de onda corta y larga. Además de esta baja absorción, las bajas resistencias de contacto con las capas de silicio dopado n y p, así como con la rejilla metálica, son obligatorias para las capas de TCO en ambos lados. Por último, pero no menos importante, las limitaciones de costo de las células solares son extremadamente estrictas y, para visualizar la energía fotovoltaica en una escala de teravatios, es esencial reducir (o mejor aún, evitar) el uso de materiales críticos o escasos, como el indio ( En). Sin embargo, este último aspecto sigue siendo difícil de abordar, ya que la mayoría de los TCO con calidad de dispositivo contienen indio. Una opción es disminuir el grosor de dichos TCO, que luego requiere que se deposite una segunda capa para mantener un rendimiento óptico (antirreflectante) ideal. Esto, a su vez, aumenta el número de pasos del proceso y, por tanto, la complejidad y los costes del proceso.

Este artículo aborda la optimización del TCO para su incorporación en células solares SHJ. Se presenta una métrica para evaluar y comparar diferentes TCO con respecto a su idoneidad para su aplicación en celdas SHJ. Para reducir la pérdida óptica en el TCO frontal, es obligatorio el uso de materiales con una alta transparencia. Una alta movilidad del portador de carga, típicamente> 100 cm2/ Vs, permite una reducción en la densidad de portadores (a resistividad constante), reduciendo así la pérdida óptica debido a la absorción de portadores libres (FCA).

En el pasado se han investigado varios materiales de TCO de "alta movilidad" basados ​​en óxido de indio con diferentes aditivos [6-13]. Todos ellos exhiben excelentes propiedades como capas de TCO sobre vidrio y la mayoría de ellas también tienen un CE elevado. Sin embargo, la fabricación objetivo es difícil y los costos de muchos de estos materiales son elevados.

Ahora se encuentran disponibles nuevos TCO que se pueden procesar en producción a gran escala a partir de objetivos rotativos, lo que proporciona una alta movilidad y produce células SHJ con alta CE. Las circunstancias bajo las cuales AZO como alternativa sin indio y de bajo costo puede implementarse en celdas SHJ de alta eficiencia se discutirán más adelante. También se presentará una comparación de costos de objetivos basados ​​en In y ZnO.

Figura 1. Espectros de absorción óptica para varios tipos de capa de espesor de TCO

TCO para células solares SHJ

En el pasado, se han investigado varios materiales TCO para su uso en células solares SHJ. Los requisitos importantes para esta implementación son alta conductividad y alta transparencia, con temperaturas de procesamiento por debajo de 200 ° C (debido a la sensibilidad de las capas de pasivación de silicio de película delgada), así como una buena formación de contacto con las capas vecinas [14].

Entre algunas de las TCO relevantes, se encuentra In policristalino dopado con Sn2O3(ITO) cultivado a temperaturas inferiores a 200 ° C, que alcanza la movilidad de electrones (μe) alrededor de 40 cm2/ Vs [3-5], ha encontrado una amplia aplicación en las células solares SHJ. TCO de base dopada con otros metales, como titanio (Ti) [15,16], circonio (Zr) [6,12,13], molibdeno (Mo) [15,17-19] y tungsteno (W) [ 10,11], producen valores de μe superiores a 80 cm2/ Vs a una densidad de portador de carga (ne) que varía de 1 × 1020 a 3 × 1020 cm-3.

Estas capas se pueden depositar mediante pulverización catódica con magnetrón, deposición por láser pulsado (PLD) y recubrimiento iónico con descarga de arco de CC o deposición de plasma reactivo (RPD). De estos, la pulverización catódica es el método más establecido para la producción en masa. Una movilidad aún mayor de μe> 100 cm2/ Vs se puede lograr para hidrógeno (H) dopado en fase sólida cristalizado (SPC) en2O3(IOH) [6–9] y películas de cerio (Ce) ICeO: H [7] con 1 × 1020<>< 3="" ×="" 1020="">-3. Estas películas se depositan a bajas temperaturas en una matriz amorfa y posteriormente se recocen a temperaturas superiores a 150 ° C, lo que da como resultado valores de μe elevados debido a la formación de granos grandes.

Las TCO presentadas anteriormente son atractivas debido a su excelente rendimiento optoeléctrico, pero hasta la fecha, principalmente ITO e IWO: H han encontrado su camino hacia la producción industrial. La escasez de indio, sin embargo, es una motivación para la implementación de TCO alternativas. AZO ofrece la ventaja de contar con materiales compuestos más abundantes. Las capas de AZO con un espesor de varios cientos de nanómetros, pulverizadas a temperaturas elevadas> 250 ° C, producen buenas propiedades optoelectrónicas [20] y también estabilidad [21].

Las capas delgadas de espesor inferior a 100 nm depositadas a temperaturas por debajo de 200 ° C, como se requiere para las células SHJ, por el contrario exhiben una estructura cristalina pobre, lo que resulta en valores de movilidad bajos alrededor de 20 cm2 / Vs y estabilidad a largo plazo pobre [22]. Sin embargo, se ha demostrado una estabilidad mejorada para las células solares SHJ aplicando un óxido de silicio amorfo (a-SiO2) tapado [23].

Como lo indica el μevalores obtenidos, y dependiendo de las condiciones de procesamiento, los diferentes TCOs demuestran una amplia gama de movilidades electrónicas. La resistencia de la hoja TCO (R) los rangos pueden clasificarse como se muestra en la Tabla 1. Aquí, un rango de concentración de portador 1,5 × 1020<>< 2,0="" ×="" 1020="">-3Se considera: esto representa un buen compromiso para lograr bajo FCA, buena conductividad eléctrica y buena formación de contacto con las capas vecinas, y un espesor de TCO de 75 nm para propiedades antirreflectantes.

La simetría en el procesamiento de la celda SHJ y el uso de obleas (tipo n) con vidas útiles de portadora muy altas permite elegir libremente qué contacto (n o p) se enfrenta al frente. La posición del contacto p (unión) tiene un impacto en la optimización del TCO frontal para obtener tanto una alta transparencia como una baja resistencia en serie Rsde la celda [24-27]. Para demostrar esto, la Fig. 2 muestra secciones transversales esquemáticas de células solares SHJ bifaciales y monofaciales en una configuración de unión trasera con todas las contribuciones Rs indicadas. Un análisis detallado de los componentes de Rs y de sus contribuciones en las células solares SHJ se puede encontrar en Basset et al. [25] y Wang et al. [28]. La alta conductividad, es decir, la densidad y la movilidad, de los electrones en la oblea de c-Si, junto con la muy baja resistencia de contacto del contacto n / TCO, favorece la elección de que el contacto n esté en la parte delantera ('unión trasera'), ya que el transporte de corriente lateral es significativamente soportado por la oblea. Esto relaja el requisito de conductividad del TCO (resistencia de la hoja), lo que permite una optimización hacia la mayor transparencia.

Para ilustrar el efecto de la libertad mencionada anteriormente en el diseño de celdas, la Fig. 3 presenta curvas Rs simuladas junto con valores experimentales extraídos de celdas solares, con una variación del proceso ITO en función de la resistencia de la hoja de TCO frontal. Los valores experimentales validan las tendencias del modelo [27]. Como puede verse claramente, el diseño de la unión trasera ofrece una ventaja para los TCO de alta resistencia al beneficiarse del soporte lateral en la conducción de electrones en la oblea de Si. El diseño de unión frontal, por otro lado, es más favorable para capas de TCO de baja resistividad; este diseño aprovecha la menor contribución transversal de Rs, ya que los electrones, que tienen mayor movilidad que los huecos, viajan hacia la parte posterior de la oblea (y la fotogeneración ocurre principalmente cerca del lado frontal). La compensación entre las contribuciones de Rs laterales y transversales determinará qué diseño de celda solar es el más adecuado, dependiendo de la resistencia de la lámina de TCO disponible.

El rlos rangos para diferentes TCO informados en la literatura y como se define en la Tabla 1 se muestran en la Fig. 3 con el sombreado de color correspondiente. TCO con R bajo(rojo) son más beneficiosos cuando se implementan en un dispositivo de unión frontal, mientras que los TCO con R de rango medio(azul) se encuentran en una región de transición donde el RsLa diferencia entre los dispositivos de unión frontal y posterior es bastante pequeña. Por el contrario, los TCO con alto R(gris) son claramente ventajosas cuando se implementan en un diseño de unión trasera; esto es favorable para AZO, por ejemplo, ya que es muy transparente pero no muy conductor, pero sigue produciendo la misma eficiencia de celda SHJ>, 23% que la celda de referencia ITO [23]. En Helmholtz-Zentrum Berlin, las células solares SHJ con TCO frontal basado tanto en ITO como en AZO han obtenido una CE certificada superior al 23,5% [29].

Otro enfoque que aprovecha el soporte de transporte lateral de la oblea, demostrado por algunos grupos de investigación [27,30] y en producción piloto [31], es implementar TCOs más delgados, lo que reduce la absorción parásita, manteniendo o mejorando la CE de la célula solar. Sin embargo, la implementación de una capa de TCO más delgada requiere una segunda capa en la parte superior, por ejemplo, SiO2o si3N4- para mantener el antirreflejo (AR) óptimo [32-34].

Para cuantificar con precisión el rendimiento óptico de diferentes TCO cuando se implementan en la pila de celdas, es decir, determinar la pérdida específica en la densidad de corriente de cortocircuito (JCarolina del Sur), se llevaron a cabo simulaciones con una herramienta de software de trazado de rayos (GenPro4 [35]). Teniendo en cuenta la pérdida de potencia relacionada con el TCO en la celda debido tanto a un aumento en Rs como a una disminución en Jsc, se compararon diferentes materiales de TCO, como se muestra en la Fig. 4. Para este propósito, una celda solar de referencia con CE=23.3 Se consideró%, sin pérdidas relacionadas con el TCO en JCarolina del Sury Rs(FF). IOH, ITO y AZO se estudiaron como ejemplos de la baja R, mid-Ry alta Rregímenes respectivamente.

Se estudiaron las implementaciones de TCO estándar de 75 nm de espesor ('grueso') y ópticamente optimizadas más delgadas ('delgadas'). Para una comparación justa (es decir, para permanecer en el óptimo de AR en todos los casos), todas las celdas (con TCO 'gruesas' y 'finas') se terminaron con un a-SiO2capa de cobertura. Se asumió que las resistividades de contacto en las interfaces TCO / Ag y TCO / Si eran (bajas e) iguales para los tres TCO, lo que, por supuesto, es una simplificación. Esto se discutirá más adelante y se presenta en Haschke et al. [36]. Se pueden encontrar más detalles sobre los espesores de capa optimizados y los resultados de la simulación en Cruz et al. [27].

Los gráficos de la Fig.4 muestran la pérdida de potencia relacionada con el TCO debido a una disminución de Jsc y a un aumento de Rs, para dispositivos de unión trasera (Fig. 4 (a)) y unión frontal (Fig. 4 (b)). Claramente, el IOH supera a los otros dos TCO debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas en ambos casos. En la Fig. 4 (a), que muestra el ITO y el AZO espesos, los materiales compensan sus pérdidas de CE, ya que el AZO de menor conductividad muestra una absorción parásita menor que el ITO. Cuando se compara con las versiones más delgadas de TCO, se puede observar que la pérdida de CE disminuye ligeramente como resultado de la reducción de la absorción parásita del TCO. El ITO claramente se beneficia más de este adelgazamiento, debido a su absorción parasitaria comparativamente más alta, lo que finalmente conduce a una CE ligeramente mejor que con AZO. Esto muestra que los TCO más delgados con ópticas mejoradas se pueden implementar en una configuración de unión trasera y serán beneficiosos en términos de CE.

Por el contrario, al observar el diseño de la unión frontal en la Fig. 4 (b), se puede ver que el IOH de alta conductividad no sufrirá la menor contribución de transporte lateral de la oblea. Sin embargo, los ITO y AZO de menor conductividad aumentan las pérdidas resistivas. Disminuir el espesor del ITO no conduce a una ventaja de CE, mientras que en el caso del AZO es claramente desventajoso. Se puede concluir que un TCO de alta conductividad, aquí IOH en el ejemplo, se puede implementar en configuraciones de células solares de unión frontal y trasera sin grandes diferencias en las pérdidas de CE. Los TCO de menor conductividad, como ITO y AZO, sufrirán las R laterales más altas presentes en la configuración de unión frontal. Reducir el TCO en las células solares de unión trasera es ventajoso si el TCO excede un cierto umbral de absorción, incluso para un TCO con baja conductividad, aquí AZO en el ejemplo. En un diseño de unión frontal, el adelgazamiento solo traerá pequeños beneficios, o incluso puede ser desventajoso para los TCO de menor conductividad como AZO.

Rendimiento de los TCO industriales de alta movilidad

Con el fin de probar los TCO de alta movilidad bombardeados a alta velocidad mediante bombardeo catódico de CC desde objetivos de tubo, como se realiza en la producción en masa a gran escala, se utilizaron diferentes materiales para el TCO frontal en las células solares SHJ de unión trasera bifacial. Se probaron dos tipos de TCO de alta movilidad, a saber, óxido de indio dopado con titanio (ITiO) y óxido de indio con un tipo de dopaje no revelado ('Y'). Además, se probó ITO con varias concentraciones de dopaje, es decir, que contenía 97% de óxido de indio y 3% de óxido de estaño en el objetivo ('97 / 3 ') e ITO 99/1. Como material de referencia, ITO 97/3 se implementó en la parte posterior de todas las celdas. También se incluyó un grupo de celdas con ITO 95/5 en ambos lados delantero y trasero.

Las capas de prueba correspondientes sobre vidrio revelaron resistencias de la hoja de TCO en el rango de 36–136 Ω después de la deposición y recocido durante 30 min a 200 ° C en condiciones ambientales, lo que es comparable al curado realizado después de la serigrafía. Este es un rango adecuado para la implementación como contacto frontal en células solares SHJ de unión trasera, como se discutió anteriormente (ver Fig. 3). Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que las capas de TCO depositadas sobre vidrio pueden presentar propiedades (movilidad del portador) diferentes a las que se obtienen cuando las capas se depositan sobre silicio, como se requiere para las células solares. Esto se ha atribuido a dos efectos [29]: (1) diferente nucleación de cristales y, por tanto, estructura de grano; (2) diferente contenido de hidrógeno que se difunde desde la capa de silicio al TCO.

Las capas ITiO e Y exhiben altas movilidades de hasta 90 cm2 / Vs, pero con diferentes densidades de portadores de carga, a saber, 2 × 1020cm-3y ~ 0.8 × 1020cm-3respectivamente. Para películas ITO97 / 3 e ITO99 / ​​1, valores de movilidad más bajos, alrededor de 60 y 70 cm2/ Vs a densidades de portadores de carga de 2,7 × 1020 cm-3y 1.8 × 1020cm-3respectivamente, se midieron. Como resultado de la muy baja densidad de portadores de carga, las películas Y mostraron la menor absorción parásita en la región del infrarrojo cercano (ver Fig.1), lo que hace que este material sea el más prometedor para lograr el mayor Jsc y, posiblemente, el CE más alto en células solares.

losI–VLos parámetros de cada uno de los grupos de prueba se muestran en la Fig. 5. Todas las celdas exhiben voltajes de circuito abierto comparables (Vjefe), con medianas en el estrecho rango de 737–738 mV. Esto confirma que la pasivación no se degradó debido a diferentes daños por pulverización catódica. Como era de esperar, las células solares con TCO de alta movilidad produjeron el mayor JCarolina del Survalores, con medianas de 39,0 mA / cm2y 39,2 mA / cm2para ITiO e Y respectivamente. Esto es hasta 0,5 mA / cm2superior al logrado con la referencia ITO97 / 3.

A pesar de lo altoJCarolina del Sury buenoVjefeSin embargo, las células con un contacto frontal Y no produjeron las mayores eficiencias. La CE mediana más alta de 22,9% se obtuvo en realidad para ITO99 / ​​1, mientras que el valor más alto de CE de 23,3% se midió para una celda con ITiO. La CE más baja en el caso de las muestras Y resulta de la FF mediana más baja de sólo alrededor del 77%, que se debe a un valor de Rs que es considerablemente más alto; de hecho, las celdas con un contacto frontal Y producen los valores Rs medianos más altos de 1.3–1.6 Ω cm2. En contraste, el valor mediano de Rs es 0.9 Ω cm2para las células ITO99 / ​​1, lo que resulta en una mediana significativamente mayorFFdel 79,5%.

Tabla 1. Comparación de las propiedades eléctricas de diferentes TCO.

Figura 2. Vistas esquemáticas en sección transversal de células solares de heterounión de silicio de unión trasera (SHJ): (a) diseño de célula bifacial; (b) diseño de celda monofacial, con los componentes de resistencia en serie (Rs) mostrados.

Figura 3. Resistencia en serie versus resistencia de la hoja de TCO frontal para celdas solares SHJ de unión frontal y posterior. Las curvas representan resultados simulados, mientras que los recuadros indican resultados para celdas medidas con una variación de ITO.

Importancia de la baja resistencia de contacto

La alta resistencia en serie de las celdas con (baja densidad de portadores y) TCO de alta movilidad es de hecho un aspecto que debe abordarse. Más precisamente, los dos componentes principales de RsAquí está la resistencia de contacto de los TCO con las capas de contacto de silicio dopado n y p, que se han investigado en detalle en la literatura [37-40]. En el caso de las células solares basadas en c-Si dopadas con n, la resistencia de contacto del TCO con las capas de Si dopadas con n puede caracterizarse mediante varias técnicas relativamente simples, como Cox y Strack [41] o transmisión -line [42] métodos. La resistencia de contacto del TCO con la capa de Si dopada p (TCO / p), en cambio, es más difícil de acceder, porque se forma una unión. Como muestran Basset et al. [21] y Wang et al. [24], por ejemplo, un método simple para extraer el valor de Rscomponente es derivar todos los componentes accesibles de Rsy se concluye que el valor restante es la resistencia de contacto TCO / p.

La resistividad de contacto ρcdepende de la alineación detallada de la banda y la flexión de la banda, así como de los estados de defecto de la interfaz; por tanto, varios parámetros son importantes, específicamente la energía de activación de la capa de Si dopada y la densidad del portador de carga, pero también la diferencia de función de trabajo entre ambos materiales. Procel y col. [38] mostró que ρces mínimo cuando las capas dopadas presentan valores de energía de activación bajos, como los obtenidos con capas de silicio nanocristalino en lugar de capas amorfas.

Además, la densidad de portadores de carga del TCO debe estar muy por encima de 1 × 1020cm-3; esto es particularmente importante para el contacto TCO / p, para el cual es esencial la recombinación eficiente de huecos y electrones en el contacto. Con respecto a la selección y optimización de capas de TCO, esto implica encontrar un óptimo para ne, que debe ser lo suficientemente alto para lograr un ρ suficientemente bajocvalores, pero, al mismo tiempo, deben ser tan bajos como sea posible para limitar la absorción parásita (FCA).

En un experimento más reciente, se seleccionó una capa Y con una mayor densidad de portadores; La Fig. 8 muestra las propiedades disponibles al ajustar el proceso. De hecho, para el TCO adaptado, la celda FF se recuperó, pero a costa de una pequeña disminución en JCarolina del Surdebido a la FCA adicional. En general, la CE siguió aumentando hasta un nivel similar al encontrado para los mejores grupos en la Fig. 5, lo que demuestra la importancia de un ajuste cuidadoso de las propiedades de la capa y la interfaz.

Figura 4. Pérdida de potencia relacionada con la densidad de corriente (Ploss J) y pérdida de potencia relacionada con la resistencia en serie (Ploss R) para (a) celdas SHJ de unión trasera y (b) unión frontal. Los valores de pérdida de eficiencia de conversión (CE) se indican mediante líneas discontinuas; estas pérdidas son relativas a una celda solar de referencia con 23,3% CE, representada por el diamante púrpura en (0,0). Los símbolos rellenos representan TCO de 75 nm de espesor (estándar) pero con un revestimiento antirreflectante (ARC) en la parte superior, mientras que los símbolos abiertos representan capas de TCO más delgadas (optimizadas), también con un ARC.

Aspectos industriales: costes objetivo

Los tipos comunes de objetivo de TCO utilizados en la industria fotovoltaica de silicio cristalino son objetivos giratorios, que son carcasas cilíndricas del material TCO unidas a un tubo de respaldo hecho de metal. Cuanto más largo sea el tubo, más conchas se deben utilizar para el objetivo del tubo. La razón por la que la industria prefiere este tipo de objetivo para la pulverización catódica de TCO es la tasa de utilización mucho más alta del material objetivo de TCO que para los tipos planos de TCO objetivo. La tasa de utilización del material objetivo que se puede lograr con un objetivo giratorio suele ser ≥80%; esto es de particular interés en el caso en el que los materiales TCO son costosos, como los TCO basados ​​en indio. Con respecto a los TCO en la industria fotovoltaica de silicio cristalino, los TCO basados ​​en indio son dominantes debido a sus excelentes propiedades de capa (como también se mostró anteriormente). Sin embargo, algunos actores del mercado también ofrecen TCO basados ​​en zinc para el mismo propósito. De hecho, existen ventajas y desventajas de utilizar TCO basados ​​en zinc. Una ventaja es el menor costo de un objetivo de tubo a base de zinc de dimensiones idénticas a las de un objetivo a base de indio, mientras que la conductividad más baja del zinc presenta algunas limitaciones en el diseño de células solares, como se discutió anteriormente y se visualizó en la Fig.3.

La figura 6 muestra el costo objetivo específico por cm3de objetivos de tubo para TCO basados ​​en zinc y TCO basados ​​en indio; tenga en cuenta que el costo del tubo de respaldo se excluye del costo objetivo. Los puntos de datos se recopilaron de proveedores objetivo de todo el mundo. El menor número de puntos de datos para los TCO basados ​​en zinc se puede atribuir a la falta de interés por ese material mostrado por la industria fotovoltaica de silicio cristalino hasta ahora.

Existe cierta dispersión en el costo objetivo debido a los diferentes materiales dentro del grupo del zinc y dentro del grupo del indio, o debido a los diferentes proveedores. Los puntos de datos que indican un mayor costo objetivo en ambos grupos pueden explicarse por composiciones menos comunes y / o procesos de fabricación costosos y / o márgenes altos. Los puntos de datos de menor costo observados en ambos grupos deberían ser valores de costo representativos para los productores de células solares con varios cientos de demandas de objetivos de tubos anuales.

Una comparación del valor más bajo en ambos grupos revela que los TCO basados ​​en Zn (costo objetivo ~ $ 0.6 / cm3) puede ser alrededor de una cuarta parte del precio de los TCO basados ​​en In (costo objetivo ~ $ 2.6 / cm3). Cabe señalar, sin embargo, que estos puntos de datos son una instantánea de la situación actual y probablemente pronto se volverán obsoletos, dependiendo de la volatilidad del mercado de valores con respecto a la materia prima, en particular el indio.

Figura 5. Parámetros I – V de células solares SHJ bifaciales de 4 cm2 con varios TCO frontales e ITO 97/3 en la parte posterior. ITO 95/5, DC pulverizado desde un objetivo de tubo en HZB, se incluyó como referencia.

Aspectos industriales: producción en masa

Además del deseo de implementar TCO sin indio con el objetivo de mejorar los gastos operativos (OPEX), es de mayor interés tener una herramienta de pulverización catódica de fabricación de alto volumen que pueda producir un recubrimiento de TCO de alta calidad a bajo costo. La figura 7 muestra el altamente productivo sistema de pulverización catódica XEA|nova L de VON ARDENNE, que puede depositar capas de TCO a un rendimiento de 8.000 obleas M6 por hora en la versión básica, y a un rendimiento aún mayor mediante el uso de paquetes de actualización. Durante 2019, el equipo XEA|nova se convirtió en parte de una línea de fabricación industrial que alcanzó eficiencias de celda superiores al 24% utilizando películas de TCO similares a las investigadas aquí.

Para lograr un alto rendimiento, la tasa de deposición de las capas de TCO debe ser alta, lo que se puede lograr aplicando una alta potencia de CC al objetivo del tubo. Sin embargo, las propiedades del TCO aún deben mantenerse cuando el TCO se prepara a densidades de potencia más altas. La Fig. 8 muestra las movilidades de electrones y las densidades de portadores de carga de las películas de TCO, pulverizadas a 4kW y 8kW desde objetivos de tubos cerámicos de tipo TCO 'Y'. Movilidades elevadas de alrededor de 80 cm2/ Vs podría lograrse a un nivel de potencia de 4kW después de la deposición. Un aumento de la potencia de pulverización catódica a 8 kW reduce la movilidad máxima en un máximo del 10%. Es interesante que las movilidades se puedan incrementar aún más, hasta 100 cm.2/ Vs, recociendo las películas durante 30 min a 200 ° C, como se muestra en la Fig.8.

Figura 6. Costo objetivo específico por cm3 de material objetivo para TCO a base de indio y de zinc.

Conclusiones

La tecnología de células solares de SHJ ha demostrado ser un actor importante en el camino hacia el aumento de su participación en la producción a gran escala. Esto se debe a las muy altas eficiencias de conversión logradas y al proceso de producción ajustada.

Con respecto al papel de las TCO, aún deben abordarse tres aspectos para impulsar las perspectivas de la tecnología SHJ de hacer avances adicionales en la industria de las células solares:

1. Mejore aún más el rendimiento de la celda.Esto se puede lograr mediante la implementación de TCO de alta movilidad que sean adecuados para la producción en masa. Se demostró que los TCO de alta movilidad se pueden bombardear con altos rendimientos, y estos TCO se probaron en células solares SHJ. Aunque el CE de tales celdas SHJ es alto, todavía está por detrás del de las celdas de referencia con el mejor TCO frontal de ITO, a pesar de una menor absorción y mayor movilidad Esto se atribuye a una mayor resistividad de contacto de los TCO con el n- y / o Contactos de silicona dopados con p. Será necesario abordar el ajuste fino del TCO y la implementación de capas de contacto y / o la optimización de la interfaz para reducir aún más las pérdidas resistivas en estas interfaces y, por lo tanto, aprovechar todos los beneficios de las propiedades superiores del TCO.

2. Reducir el uso de materiales escasos (y costosos), particularmente indio.Una opción atractiva para lograr un ahorro en el costo del material es disminuir el espesor del TCO; esto es aún más atractivo con costosos TCO de alta conductividad (alta movilidad). Sin embargo, se necesita otro paso del proceso para depositar una segunda capa (ARC) antirreflectante (taponamiento) encima del TCO para reducir las pérdidas por reflexión. Alternativamente, como se muestra en este documento, los TCO de menor conductividad (AZO en el ejemplo dado) se pueden implementar en células solares de unión trasera sin comprometer la CE. Esto gana relevancia en lo que respecta al costo: en el análisis presentado, los objetivos basados ​​en ZnO demuestran un costo más bajo a $ 0.6 / cm3para el material de destino, en comparación con $ 2.6 / cm3para objetivos basados ​​en In. La estabilidad limitada del AZO se puede solucionar, por ejemplo, cubriéndolo con una capa dieléctrica (a-SiO2o a-SiNx).

3. Reducir los costos de equipos PVD.Escalar y aumentar el rendimiento de las líneas de producción de TCO es el camino a seguir, con la pulverización catódica de CC lista para la producción de alto rendimiento de TCO de alto rendimiento.

Agradecimientos

Se agradece la financiación del Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Energía de Alemania (BMWi) en el marco del proyecto Dynasto con el número 0324293.

Figura 8. Propiedades eléctricas de las capas de TCO pulverizadas a 4kW y 8kW de objetivos de tubos cerámicos de TCO tipo 'Y', en el estado de depósito y después de recocido durante 30 min a 200 ° C en condiciones ambientales.

Agradecimientos

Se agradece la financiación del Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Energía de Alemania (BMWi) en el marco del proyecto Dynasto con el número 0324293.

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