Source : vonardenne.biz
Publié à l'origine dans Photovoltaics International, édition 44, mai 2020
Alexandros Cruz1, Darja Erfurt1, René Köhler2, Martin Dimer2, Eric Schneiderlöchner2& amp; Bernd Stannowski1
Abstrait
La technologie des cellules solaires à hétérojonction au silicium (SHJ) est une technologie attrayante pour la production à grande échelle de cellules solaires avec un rendement de conversion élevé au-delà de 24 %. Un élément clé des cellules solaires SHJ, contrastant avec la technologie actuelle des cellules à émetteur passivé et à contact arrière (PERC)' l'utilisation d'oxyde conducteur transparent (TCO), qui pose des défis en termes de performances et de coûts, mais aussi présente des opportunités. Cet article traite de ces aspects et montre le potentiel d'amélioration de l'efficacité des cellules à un coût réduit en utilisant de nouveaux TCO déposés par pulvérisation cathodique en courant continu (CC). Dans le cas des cellules SHJ à jonction arrière, il est possible de réduire, voire d'éviter, l'utilisation d'indium dans de tels TCO, l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) étant un substitut possible aux TCO à base d'oxyde d'indium. La disponibilité de TCO hautes performances pour la production de masse à grande échelle, qui encouragera la pénétration du marché des cellules SHJ, est résumée.
Exemple d'équipement de production en série TCO : XEA|nova L de VON ARDENNE
introduction
Les cellules solaires au silicium basées sur la technologie d'émetteur passivé et de contact arrière (PERC) ont atteint des niveaux de plusieurs gigawatts en production de masse, avec des rendements de conversion (CE) de 22 % et approchant maintenant 23 %. Pour des CE encore plus élevés, les contacts passivés sont considérés comme la prochaine génération de technologie cellulaire. Ici, la technologie d'hétérojonction de silicium (SHJ) est un candidat prometteur et sort de la grille de départ, avec un CE de 23 à 24 % ayant déjà été démontré sur des plaquettes pleine grandeur, non seulement dans des lignes pilotes mais aussi dans une production à grande échelle [ 1]. Alors que c'est Panasonic (anciennement Sanyo) qui a été le pionnier de cette technologie, divers acteurs dans le monde ont entre-temps mis en place leurs propres lignes de production, comme ENEL Green Energy et Hevel Solar en Europe, et REC, Jinergy, GS-Solar et divers autres. en Asie. Les principaux avantages de la technologie SHJ ont été discutés dans un article récent de Ballif et al. [2]. Outre le CE élevé, un avantage clé de SHJ est la séquence de production au plus juste, avec seulement quatre étapes principales requises pour le traitement symétrique des deux côtés :
1. Nettoyage humide et texturation des plaquettes.
2. Dépôt d'a-Si:H par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD).
3. Dépôt de couches d'oxyde conducteur transparent (TCO) par dépôt physique en phase vapeur (PVD, généralement pulvérisation cathodique).
4. Sérigraphie de grilles d'argent.
En raison des processus à basse température (<200 °c)="" et="" de="" la="" pile="" de="" dispositifs="" symétrique,="" la="" flexion="" et="" la="" fissuration="" des="" plaquettes="" induites="" par="" les="" contraintes="" peuvent="" être="" évitées,="" ce="" qui="" signifie="" que="" des="" plaquettes="" minces="" peuvent="" être="" utilisées,="" économisant="" ainsi="" sur="" les="" coûts="" des="" matériaux="" et="" l'énergie.="" la="" pile="" shj="" se="" produit="" naturellement="" dans="" une="" conception="" de="" cellules="" bifaciales;="" de="" plus,="" les="" cellules="" shj="" ont="" le="" coefficient="" de="" température="" le="" plus="" bas="" sur="" le="" terrain,="" typiquement="" –0,28="" %/°c.="" la="" combinaison="" de="" la="" bifacialité="" et="" du="" faible="" coefficient="" de="" température="" augmente="" le="" rendement="" énergétique="" d'un="" système="">
D'un autre côté, certains des facteurs limitant une augmentation rapide de l'adoption de la technologie SHJ sont les coûts d'équipement relativement élevés, principalement pour le PECVD (mais aussi pour le PVD), et le contact cellulaire adapté pour la fabrication de modules (pas de norme à haute température soudure). Plus de pâte Ag est nécessaire que pour les cellules Si standard, en raison du durcissement à basse température, ce qui donne des doigts de conductivité plus faible; cela dépend cependant de l'approche d'interconnexion, en particulier de l'utilisation ou non de barres omnibus. Enfin, et discuté plus en détail dans cet article, des cibles pour la pulvérisation des couches TCO des deux côtés sont nécessaires, qui sont coûteuses pour les matériaux qui sont habituellement employés.
Oxyde d'indium (dans2O3) dopé à l'étain (Sn), appelé ITO, est actuellement le TCO le plus couramment utilisé [3–5]. Cet oxyde conducteur transparent est bien connu de la production en série des écrans plats (FPD) et présente des propriétés optoélectroniques adaptées, telles qu'une faible résistivité des couches minces et une transparence suffisante dans le domaine visible. Considération importante pour la production de FPD, l'ITO peut être traité par photolithographie, car il est gravable (à l'état tel que déposé) et est stable à long terme après cristallisation en phase solide lors d'un recuit thermique à 150-200 ° C. Généralement, l'ITO est déposé par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu (CC) sur de grandes surfaces. Même si la pulvérisation cathodique en courant continu endommage initialement la passivation de la surface du silicium, celle-ci est entièrement recuite à des températures d'environ 200 °C, qui sont atteintes soit pendant la pulvérisation cathodique, soit plus tard pendant le durcissement de la pâte Ag après la sérigraphie.
Contrairement aux FPD, le TCO doit répondre à des exigences supplémentaires lorsqu'il est appliqué à la face avant des cellules SHJ, à savoir une excellente transparence dans la plage de longueurs d'onde plus large de 300 à 1 100 nm. La figure 1 montre les spectres d'absorption de diverses couches de TCO, démontrant les différences d'absorption parasite dans les régimes de courte et de longue longueur d'onde. Outre cette faible absorption, de faibles résistances de contact avec les couches de silicium dopé n et p, ainsi qu'avec la grille métallique, sont obligatoires pour les couches TCO des deux côtés. Enfin, les contraintes de coûts des cellules solaires sont extrêmement fortes et, pour envisager le PV à l'échelle du térawatt, il est essentiel de réduire (ou mieux d'éviter) l'utilisation de matériaux critiques ou rares, comme l'indium ( Dans). Ce dernier aspect, cependant, est encore difficile à traiter, car la plupart des TCO de qualité d'appareil contiennent de l'indium. Une option consiste à diminuer l'épaisseur de ces TCO, ce qui nécessite alors le dépôt d'une deuxième couche afin de conserver des performances optiques (antireflet) idéales. Ceci, à son tour, augmente le nombre d'étapes de processus et, par conséquent, la complexité et les coûts du processus.
Cet article traite de l'optimisation du TCO pour l'incorporation dans les cellules solaires SHJ. Une métrique est présentée pour évaluer et comparer différents TCO en ce qui concerne leur adéquation à une application dans les cellules SHJ. Pour réduire la perte optique dans le TCO avant, l'utilisation de matériaux à haute transparence est obligatoire. Une mobilité élevée des porteurs de charge, typiquement>100 cm2/Vs, permet une réduction de la densité de porteurs (à résistivité constante), réduisant ainsi la perte optique due à l'absorption de porteurs libres (FCA).
Divers matériaux TCO « haute mobilité » à base d'oxyde d'indium avec différents dopages ont été étudiés dans le passé [6–13]. Tous présentent d'excellentes propriétés en tant que couches TCO sur le verre et la plupart d'entre eux ont également un CE élevé. La fabrication de cibles, cependant, est difficile et les coûts sont élevés pour bon nombre de ces matériaux.
De nouveaux TCO pouvant être transformés en production à grande échelle à partir de cibles rotatives sont désormais disponibles, offrant une mobilité élevée et produisant des cellules SHJ avec un CE élevé. Les circonstances dans lesquelles AZO en tant qu'alternative sans indium et à faible coût peut être mise en œuvre dans des cellules SHJ à haut rendement seront discutées plus tard. Une comparaison des coûts des cibles à base d'In et à base de ZnO sera également présentée.
Figure 1. Spectres d'absorption optique pour différents types de couche TCO d'épaisseur
TCO pour les cellules solaires SHJ
Dans le passé, plusieurs matériaux TCO ont été étudiés pour une utilisation dans les cellules solaires SHJ. Les exigences importantes pour cette mise en œuvre sont une conductivité et une transparence élevées, avec des températures de traitement inférieures à 200 °C (en raison de la sensibilité des couches de passivation en silicium à couche mince), ainsi qu'une bonne formation de contact avec les couches voisines [14].
Parmi certains des TCO pertinents, l'In polycristallin dopé au Sn2O3(ITO) cultivé à des températures inférieures à 200°C, qui atteint une mobilité électronique (μe) autour de 40cm2/Vs [3–5], a trouvé une large application dans les cellules solaires SHJ. TCO à base d'in dopé avec d'autres métaux, tels que le titane (Ti) [15,16], le zirconium (Zr) [6,12,13], le molybdène (Mo) [15,17–19] et le tungstène (W) [ 10,11], donnent des valeurs μe supérieures à 80 cm2/Vs à une densité de porteurs de charge (ne) allant de 1×1020 à 3×1020 cm-3.
Ces couches peuvent être déposées par pulvérisation cathodique magnétron, dépôt laser pulsé (PLD) et placage ionique avec décharge d'arc à courant continu ou dépôt plasma réactif (RPD). Parmi celles-ci, la pulvérisation cathodique est la méthode la plus établie pour la production de masse. Une mobilité encore plus élevée de μe>100 cm2/Vs peut être obtenu pour l'In cristallisé en phase solide (SPC) dopé à l'hydrogène (H)2O3(IOH) [6-9] et films de cérium (Ce) ICeO:H [7] avec 1×1020< ; ne< ; 3×1020cm-3. Ces films sont déposés à basse température dans une matrice amorphe et ensuite recuits à des températures supérieures à 150 °C, ce qui entraîne des valeurs élevées de highe en raison de la formation de gros grains.
Les TCO présentés ci-dessus sont attrayants en raison de leurs performances opto-électriques exceptionnelles, mais à ce jour, principalement ITO et IWO:H ont trouvé leur place dans la production industrielle. La rareté de l'indium est cependant une motivation pour la mise en œuvre de TCO alternatifs. AZO offre l'avantage d'avoir des matériaux composites plus abondants. Des couches AZO de plusieurs centaines de nanomètres d'épaisseur, pulvérisées à des températures élevées>250 °C, donnent de bonnes propriétés opto-électroniques [20] ainsi qu'une stabilité [21].
Les couches minces d'épaisseur inférieure à 100 nm déposées à des températures inférieures à 200 °C, comme requis pour les cellules SHJ, présentent en revanche une structure cristalline médiocre, entraînant par conséquent des valeurs de mobilité faibles autour de 20 cm2/Vs et une mauvaise stabilité à long terme [22]. Cependant, une meilleure stabilité des cellules solaires SHJ a été démontrée en appliquant un oxyde de silicium amorphe (a-SiO2) coiffage [23].
Comme indiqué par leevaleurs obtenues, et selon les conditions de traitement, les différents TCO démontrent une large gamme de mobilités électroniques. La résistance feuille TCO (R▫) les plages peuvent être classées comme indiqué dans le tableau 1. Ici, une plage de concentration de porteurs 1,5 × 1020< ; ne< ; 2,0 × 1020 cm-3est considérée : cela représente un bon compromis pour atteindre un faible FCA, une bonne conductivité électrique et une bonne formation de contact avec les couches voisines, et une épaisseur de TCO de 75 nm pour des propriétés antireflet.
La symétrie dans le traitement des cellules SHJ et l'utilisation de plaquettes (de type n) avec des durées de vie des porteurs très élevées permet de choisir librement quel contact (n ou p) fait face à l'avant. La position du contact p (jonction) a un impact sur l'optimisation du TCO avant pour obtenir à la fois une haute transparence et une faible résistance série Rsde la cellule [24–27]. Pour le démontrer, la figure 2 montre des coupes transversales schématiques de cellules solaires SHJ bifaciales et monofaciales dans une configuration de jonction arrière avec toutes les contributions Rs indiquées. Une analyse détaillée des composants Rs et de leurs contributions dans les cellules solaires SHJ peut être trouvée dans Basset et al. [25] et Wang et al. [28]. La conductivité élevée, c'est-à-dire la densité et la mobilité, des électrons dans la plaquette c-Si, ainsi que la très faible résistance de contact du contact n/TCO, favorisent le choix du contact n étant sur l'avant (« jonction arrière »), car le transport de courant latéral est considérablement soutenu par la plaquette. Cela assouplit l'exigence de conductivité du TCO (résistance de feuille), permettant ainsi une optimisation vers la plus haute transparence.
Pour illustrer l'effet de la liberté mentionnée ci-dessus dans la conception des cellules, la figure 3 présente des courbes Rs simulées ainsi que des valeurs expérimentales extraites des cellules solaires, avec une variation du processus ITO en fonction de la résistance de la feuille avant-TCO. Les valeurs expérimentales valident les tendances du modèle [27]. Comme on peut le voir clairement, la conception de la jonction arrière offre un avantage pour les TCO à haute résistance en bénéficiant du support latéral en conduction électronique dans la plaquette de Si. La conception de la jonction avant, en revanche, est plus favorable pour les couches TCO à faible résistivité ; cette conception tire parti de la plus faible contribution transversale de Rs, car les électrons, ayant une mobilité plus élevée que les trous, se déplacent vers l'arrière de la plaquette (la photogénération se produisant principalement près de la face avant). Le compromis entre les contributions Rs latérales et transversales déterminera quelle conception de cellule solaire est la plus appropriée, en fonction de la résistance de feuille TCO disponible.
Le R▫les plages pour les différents TCO rapportés dans la littérature et tels que définis dans le tableau 1 sont indiqués sur la figure 3 avec la nuance de couleur correspondante. TCO à faible R▫(rouge) sont plus avantageux lorsqu'ils sont implémentés dans un appareil à jonction avant, tandis que les TCO avec R de milieu de gamme▫(bleu) sont dans une région de transition où le RsLa différence entre les appareils à jonction avant et à jonction arrière est assez faible. En revanche, les TCO avec un R élevé▫(gris) sont clairement avantageux lorsqu'ils sont mis en œuvre dans une conception à jonction arrière ; ceci est favorable pour AZO, par exemple, car il est très transparent mais pas très conducteur, tout en produisant le même rendement de cellule SHJ>23 % que la cellule de référence ITO [23]. Au Helmholtz-Zentrum Berlin, les cellules solaires SHJ avec un TCO frontal basé à la fois sur ITO et AZO ont obtenu une certification CE supérieure à 23,5 % [29].
Une autre approche qui tire parti du support de transport latéral de la plaquette, démontrée par certains groupes de recherche [27,30] et en production pilote [31], consiste à mettre en œuvre des TCO plus minces, ce qui réduit l'absorption parasite, maintenant ou améliorant ainsi l'EC des cellules solaires. La mise en œuvre d'une couche de TCO plus fine nécessite cependant une deuxième couche au-dessus - par exemple, SiO2ou Si3N4– maintenir l'optimum antireflet (AR) [32–34].
Pour quantifier avec précision les performances optiques de différents TCO lorsqu'ils sont mis en œuvre dans la pile de cellules, c'est-à-dire déterminer la perte spécifique de densité de courant de court-circuit (Jsc), des simulations avec un outil logiciel de lancer de rayons (GenPro4 [35]) ont été réalisées. En tenant compte de la perte de puissance liée au TCO dans la cellule due à la fois à une augmentation de Rs et à une diminution de Jsc, différents matériaux TCO ont été comparés, comme le montre la Fig. 4. À cette fin, une cellule solaire de référence avec CE=23,3 % a été pris en compte, sans pertes liées au TCO en Jscet Rs(FF). IOH, ITO et AZO ont été étudiés comme exemples de faible R▫, mi-R▫et haut-R▫régimes respectivement.
Des implémentations de TCO standard de 75 nm d'épaisseur (« épais ») et optiquement optimisés (« minces ») ont été étudiées. Pour une comparaison équitable (c'est-à-dire pour rester dans l'optimum AR dans tous les cas), toutes les cellules (avec des TCO « épaisse » et « mince ») ont été finies avec un a-SiO2couche de coiffage. Les résistivités de contact aux interfaces TCO/Ag et TCO/Si ont été supposées (faibles et) égales pour les trois TCO, ce qui, bien sûr, est une simplification. Ceci sera discuté plus tard et est présenté dans Haschke et al. [36]. De plus amples détails sur les épaisseurs de couche optimisées et les résultats de simulation peuvent être trouvés dans Cruz et al. [27].
Les graphiques de la Fig. 4 montrent la perte de puissance liée au TCO due à une diminution de Jsc et à une augmentation de Rs, pour les dispositifs de jonction arrière (Fig. 4(a)) et de jonction avant (Fig. 4(b)). De toute évidence, l'IOH surpasse les deux autres TCO en raison de ses propriétés optoélectroniques exceptionnelles dans les deux cas. Sur la figure 4(a), montrant l'ITO et l'AZO épais, les matériaux compensent leurs pertes d'EC, car l'AZO à conductivité inférieure montre une absorption parasite plus faible que l'ITO. Lorsque cela est comparé aux versions plus minces des TCO, on peut observer que la perte de CE diminue légèrement en raison de la réduction de l'absorption parasite du TCO. L'ITO profite clairement davantage de cet amincissement, en raison de son absorption parasite comparativement plus élevée, conduisant finalement à un CE légèrement meilleur qu'avec AZO. Cela montre que des TCO plus minces avec une optique améliorée peuvent être mis en œuvre dans une configuration de jonction arrière et seront bénéfiques en termes de CE.
En revanche, en regardant la conception de la jonction avant sur la figure 4 (b), on peut voir que l'IOH à haute conductivité ne souffrira pas de la contribution de transport latéral inférieure de la plaquette. L'ITO et l'AZO à plus faible conductivité, cependant, augmentent les pertes résistives. Diminuer l'épaisseur de l'ITO ne conduit pas à un avantage CE, alors que dans le cas de l'AZO c'est clairement un inconvénient. On peut conclure qu'un TCO à haute conductivité, ici IOH dans l'exemple, peut être mis en œuvre sur les configurations de cellules solaires à jonction arrière et avant sans différences majeures dans les pertes CE. Les TCO à faible conductivité - tels que ITO et AZO - souffriront des R latéraux plus élevés présents dans la configuration de jonction avant. L'amincissement du TCO sur les cellules solaires à jonction arrière est avantageux si le TCO dépasse un certain seuil d'absorption, même pour un TCO à faible conductivité, ici AZO dans l'exemple. Dans une conception à jonction avant, l'amincissement n'apportera que de petits avantages, ou peut même être désavantageux pour les TCO à faible conductivité tels que AZO.
Performance des TCO industriels à haute mobilité
Afin de tester les TCO à haute mobilité pulvérisés à un taux élevé par pulvérisation CC à partir de cibles tubulaires, comme cela a été réalisé dans la production de masse à grande échelle, différents matériaux ont été utilisés pour le TCO avant dans les cellules solaires SHJ bifaciales à jonction arrière. Deux types de TCO à haute mobilité ont été testés, à savoir l'oxyde d'indium dopé au titane (ITiO) et l'oxyde d'indium avec un type de dopage non divulgué ('Y'). De plus, l'ITO avec diverses concentrations de dopage a été testé, à savoir contenant 97 % d'oxyde d'indium et 3 % d'oxyde d'étain dans la cible (« 97/3 ») et ITO 99/1. En tant que matériau de référence, l'ITO 97/3 a été mis en œuvre sur la face arrière de toutes les cellules. Un groupe de cellules avec ITO 95/5 sur les faces avant et arrière a également été inclus.
Les couches de test correspondantes sur verre ont révélé des résistances de feuille TCO comprises entre 36 et 136 Ω après dépôt et recuit pendant 30 min à 200 °C dans des conditions ambiantes, ce qui est comparable au durcissement effectué après sérigraphie. Il s'agit d'une gamme appropriée pour la mise en œuvre en tant que contact avant dans les cellules solaires SHJ à jonction arrière, comme indiqué précédemment (voir Fig. 3). Il faut cependant tenir compte du fait que les couches de TCO déposées sur verre peuvent présenter des propriétés (mobilité des porteurs) différentes de celles lorsque les couches sont déposées sur silicium, comme l'exigent les cellules solaires. Ceci a été attribué à deux effets [29] : (1) une nucléation cristalline différente et, par conséquent, une structure de grain ; (2) teneur en hydrogène différente qui diffuse de la couche de silicium dans le TCO.
Les couches ITiO et Y présentent des mobilités élevées allant jusqu'à 90cm2/Vs, mais avec des densités de porteurs de charge différentes, à savoir 2×1020cm-3et ~0.8×1020cm-3respectivement. Pour les films ITO97/3 et ITO99/1, des valeurs de mobilité plus faibles, de l'ordre de 60 et 70 cm2/Vs à des densités de porteurs de charge de 2,7 × 1020 cm-3et 1,8×1020cm-3respectivement, ont été mesurés. En raison de la très faible densité de porteurs de charge, les films Y ont montré la plus faible absorption parasite dans la région du proche infrarouge (voir Fig. 1), ce qui fait de ce matériau le plus prometteur pour atteindre le Jsc le plus élevé et, éventuellement, le CE le plus élevé dans les cellules solaires.
leI–Vles paramètres de chacun des groupes de test sont indiqués à la Fig. 5. Toutes les cellules présentent des tensions en circuit ouvert comparables (Voc), avec des médianes comprises entre 737 et 738 mV. Ceci confirme que la passivation ne s'est pas dégradée en raison de différents dégâts de pulvérisation. Comme prévu, les cellules solaires avec des TCO de mobilité élevée ont donné le J le plus élevéscvaleurs, avec des médianes de 39,0 mA/cm2et 39,2 mA/cm2pour ITiO et Y respectivement. C'est jusqu'à 0,5 mA/cm2supérieur à celui obtenu avec la référence ITO97/3.
Malgré la hauteJscet bienVocvaleurs, cependant, les cellules avec un contact avant Y n'ont pas produit les rendements les plus élevés. Le CE médian le plus élevé de 22,9 % a en fait été obtenu pour ITO99/1, tandis que la valeur la plus élevée de CE de 23,3 % a été mesurée pour une cellule avec ITiO. Le CE inférieur dans le cas des échantillons Y résulte du FF médian inférieur de seulement environ 77%, ce qui est dû à une valeur de Rs qui est considérablement plus élevée ; en fait, les cellules avec un contact avant Y donnent les valeurs Rs médianes les plus élevées de 1,3 à 1,6 cm2. En revanche, la valeur médiane de Rs est de 0,9 cm2pour les cellules ITO99/1, résultant en une médiane significativement plus élevéeFFde 79,5 %.
Tableau 1. Comparaison des propriétés électriques de différents TCO.
Figure 2. Vues schématiques en coupe transversale de cellules solaires à hétérojonction de silicium à jonction arrière (SHJ) : (a) conception de cellules bifaciales ; (b) conception de cellule monofaciale, avec les composants de résistance série (Rs) indiqués.
Figure 3. Résistance en série par rapport à la résistance en feuille du TCO avant pour les cellules solaires SHJ à jonction avant et arrière. Les courbes représentent les résultats simulés, tandis que les cases indiquent les résultats pour les cellules mesurées avec une variation ITO.
Importance d'une faible résistance de contact
La résistance série élevée des cellules à (faible densité de porteurs et) TCO à haute mobilité est en effet un aspect qui doit être abordé. Plus précisément, les deux composantes principales de Rsvoici la résistance de contact des TCO avec les couches de contact en silicium dopé n et p, qui ont été étudiées en détail dans la littérature [37-40]. Dans le cas des cellules solaires à base de c-Si dopé n, la résistance de contact du TCO avec les couches de Si dopé n peut être caractérisée par diverses techniques relativement simples, telles que le Cox et Strack [41] ou la transmission -ligne [42] méthodes. La résistance de contact du TCO avec la couche de Si dopé p (TCO/p), en revanche, est plus difficile d'accès, car une jonction se forme. Comme le montrent Basset et al. [21] et Wang et al. [24], par exemple, une méthode simple pour extraire la valeur du Rscomposant est de dériver tous les composants accessibles de Rs, et la valeur restante est alors considérée comme la résistance de contact TCO/p.
La résistivité de contactcdépend de l'alignement détaillé de la bande et de la courbure de la bande, ainsi que des états de défaut de l'interface ; par conséquent, plusieurs paramètres sont importants, notamment l'énergie d'activation de la couche de Si dopé et la densité de porteurs de charge, mais aussi la différence de travail de sortie entre les deux matériaux. Procel et al. [38] ont montré quecest minimale lorsque les couches dopées présentent de faibles valeurs d'énergie d'activation, telles que celles obtenues avec des couches de silicium nanocristallin au lieu de couches amorphes.
De plus, la densité de porteurs de charge du TCO devrait être bien supérieure à 1×1020cm-3; ceci est particulièrement important pour le contact TCO/p, pour lequel une recombinaison efficace du trou et des électrons au contact est essentielle. En ce qui concerne la sélection et l'optimisation des couches de TCO, cela implique de trouver un optimum pour ne, qui doit être suffisamment élevé pour atteindre suffisamment faible ρcvaleurs, mais, en même temps, doit être aussi faible que possible afin de limiter l'absorption parasite (FCA).
Dans une expérience plus récente, une couche Y avec une densité de porteurs plus élevée a été sélectionnée ; La figure 8 montre les propriétés disponibles en ajustant le processus. En effet, pour le TCO adapté, la cellule FF a récupéré, mais au prix d'une petite diminution de Jscen raison du FCA supplémentaire. Dans l'ensemble, le CE a encore augmenté jusqu'à un niveau similaire à celui trouvé pour les meilleurs groupes de la figure 5, ce qui démontre l'importance d'un réglage minutieux des propriétés de la couche et de l'interface.
Figure 4. Puissance dissipée liée à la densité de courant (Ploss J) et puissance dissipée liée à la résistance série (Ploss R) pour (a) les cellules SHJ à jonction arrière et (b) à jonction avant. Les valeurs de perte d'efficacité de conversion (CE) sont indiquées par les lignes en pointillés ; ces pertes sont relatives à une cellule solaire de référence à 23,3% CE, représentée par le losange violet à (0,0). Les symboles pleins représentent des TCO de 75 nm d'épaisseur (standard) mais avec un revêtement antireflet (ARC) sur le dessus, tandis que les symboles ouverts représentent des couches TCO plus fines (optimisées), également avec un ARC.
Aspects industriels : objectifs de coûts
Les types courants de cibles TCO utilisées dans l'industrie photovoltaïque en silicium cristallin sont des cibles rotatives, qui sont des coques cylindriques en matériau TCO collées sur un tube de support en métal. Plus le tube est long, plus il faut utiliser d'obus pour la cible du tube. La raison pour laquelle l'industrie préfère ce type de cible pour la pulvérisation cathodique des TCO est le taux d'utilisation beaucoup plus élevé du matériau de la cible TCO que celui des types planaires de la cible TCO. Le taux d'utilisation du matériau cible réalisable avec une cible rotative est généralement 80 % ; ceci est particulièrement intéressant dans le cas où les matériaux TCO sont chers, tels que les TCO à base d'indium. En ce qui concerne les TCO dans l'industrie photovoltaïque du silicium cristallin, les TCO à base d'indium sont dominants en raison de leurs excellentes propriétés de couche (comme cela a également été montré précédemment). Néanmoins, certains acteurs du marché proposent également des TCO à base de zinc dans le même but. En effet, il y a des avantages et des inconvénients à utiliser des TCO à base de zinc. Un avantage est le coût inférieur d'une cible de tube à base de zinc de dimensions identiques à celles d'une cible à base d'indium, alors que la conductivité plus faible du zinc présente certaines contraintes dans la conception des cellules solaires, comme discuté précédemment et visualisé sur la figure 3.
La figure 6 montre le coût cible spécifique par cm3de cibles tubulaires pour les TCO à base de zinc et les TCO à base d'indium ; notez que le coût du tube de support est exclu du coût cible. Les points de données ont été collectés auprès de fournisseurs cibles dans le monde entier. Le plus petit nombre de points de données pour les TCO à base de zinc peut être attribué au manque d'intérêt pour ce matériau manifesté par l'industrie photovoltaïque du silicium cristallin jusqu'à présent.
Une certaine dispersion des coûts cibles existe en raison des différents matériaux au sein du groupe du zinc et au sein du groupe de l'indium, ou en raison de différents fournisseurs. Les points de données indiquant un coût cible plus élevé dans les deux groupes peuvent s'expliquer par des compositions moins courantes et/ou des processus de fabrication coûteux et/ou des marges élevées. Les points de données à moindre coût observés dans les deux groupes devraient être des valeurs de coût représentatives pour les producteurs de cellules solaires avec plusieurs centaines de demandes annuelles de cibles de tubes.
Une comparaison de la valeur la plus faible dans les deux groupes révèle que les TCO à base de Zn (coût cible ~0,6 $/cm3) peut représenter environ un quart du prix des TCO basés sur In (coût cible ~ 2,6 $/cm3). Il convient toutefois de souligner que ces points de données sont un instantané de la situation actuelle et deviendront probablement bientôt obsolètes, en fonction de la volatilité du marché boursier en ce qui concerne les matières premières, en particulier l'indium.
Figure 5. Paramètres I–V de cellules solaires bifaciales SHJ de 4 cm2 avec divers TCO à l'avant et ITO 97/3 à l'arrière. ITO 95/5, DC pulvérisé à partir d'un tube cible à HZB, a été inclus comme référence.
Aspects industriels : production de masse
Outre la volonté de mettre en œuvre des TCO sans indium dans le but d'améliorer les dépenses opérationnelles (OPEX), il est dans le meilleur intérêt de disposer d'un outil de pulvérisation cathodique de fabrication à haut volume pouvant produire un revêtement TCO de haute qualité à faible coût. La figure 7 montre le système de pulvérisation XEA|nova L hautement productif de VON ARDENNE, qui peut déposer des couches TCO à un débit de 8 000 plaquettes M6 par heure dans la version de base, et à un débit encore plus élevé en utilisant des packages de mise à niveau. En 2019, l'équipement XEA|nova est devenu partie intégrante d'une ligne de fabrication industrielle atteignant des rendements de cellule supérieurs à 24 % en utilisant des films TCO similaires à ceux étudiés ici.
Afin d'atteindre un débit élevé, le taux de dépôt des couches de TCO doit être élevé, ce qui peut être réalisé en appliquant une puissance continue élevée à la cible du tube. Cependant, les propriétés du TCO doivent toujours être maintenues lorsque le TCO est préparé à des densités de puissance plus élevées. La figure 8 montre les mobilités électroniques et les densités de porteurs de charge de films TCO, pulvérisés à 4 kW et 8 kW à partir de cibles tubulaires en céramique de type TCO « Y ». Grandes mobilités d'environ 80 cm2/ Vs pourrait être atteint à un niveau de puissance de 4 kW après dépôt. Une augmentation de la puissance de pulvérisation à 8 kW réduit la mobilité maximale d'un maximum de 10 %. Il est intéressant de noter que les mobilités pourraient être encore augmentées, jusqu'à 100 cm2/Vs, en recuit les films pendant 30 min à 200°C, comme le montre la Fig. 8.
Figure 6. Coût cible spécifique par cm3 de matériau cible pour les TCO à base d'indium et de zinc.
Conclusion
La technologie des cellules solaires SHJ s'est avérée être un acteur important sur la voie de l'augmentation de sa part dans la production à grande échelle. Cela est dû aux rendements de conversion très élevés obtenus et au processus de production au plus juste.
Concernant le rôle des TCO, trois aspects doivent encore être abordés pour renforcer les perspectives de la technologie SHJ de faire des percées supplémentaires dans l'industrie des cellules solaires :
1. Améliorer davantage les performances de la cellule.Ceci peut être réalisé par la mise en œuvre de TCO à haute mobilité adaptés à la production de masse. Il a été démontré que les TCO à haute mobilité peuvent être pulvérisés à des débits élevés, et ces TCO ont été testés dans des cellules solaires SHJ. Bien que le CE de ces cellules SHJ soit élevé, il est toujours inférieur à celui des cellules de référence avec le meilleur TCO avant ITO, malgré une absorption plus faible et une mobilité plus élevée. Ceci est attribué à une résistivité de contact accrue des TCO avec le n- et/ou contacts en silicium dopé p. Le réglage fin du TCO et la mise en œuvre de couches de contact et/ou d'optimisation d'interface devront être abordés afin de réduire davantage les pertes résistives à ces interfaces et, ainsi, tirer pleinement parti des propriétés supérieures du TCO.
2. Réduire l'utilisation de matériaux rares (et coûteux), en particulier l'indium.Une option intéressante pour réaliser une économie de coût de matériau consiste à réduire l'épaisseur du TCO ; ceci est encore plus attrayant avec des TCO coûteux à haute conductivité (haute mobilité). Cependant, une autre étape du processus est nécessaire pour déposer une deuxième couche antireflet (coiffage) (ARC) au-dessus du TCO afin de réduire les pertes par réflexion. Alternativement, comme le montre cet article, des TCO à faible conductivité (AZO dans l'exemple donné) peuvent être mis en œuvre dans des cellules solaires à jonction arrière sans compromettre le CE. Cela gagne en pertinence en termes de coût : dans l'analyse présentée, les cibles à base de ZnO démontrent un coût inférieur à 0,6 $/cm3pour le matériau cible, contre 2,6 $/cm3pour les cibles basées sur In. La stabilité limitée de l'AZO peut être traitée, par exemple, en le coiffant d'une couche diélectrique (a-SiO2ou a-SiNx).
3. Réduire les coûts d'équipement PVD.La mise à l'échelle et l'augmentation du débit des lignes de production TCO sont la voie à suivre, la pulvérisation cathodique étant prête pour la production à haut débit de TCO hautes performances.
Remerciements
Le financement par le ministère fédéral allemand des affaires économiques et de l'énergie (BMWi) dans le cadre du projet Dynasto sous le numéro 0324293 est vivement apprécié.
Figure 8. Propriétés électriques des couches de TCO pulvérisées à 4 kW et 8 kW à partir de cibles tubulaires en céramique de type TCO 'Y', à l'état brut de dépôt et après un recuit de 30 min à 200°C dans des conditions ambiantes.
Remerciements
Le financement par le ministère fédéral allemand des affaires économiques et de l'énergie (BMWi) dans le cadre du projet Dynasto sous le numéro 0324293 est vivement apprécié.
Les références
[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, « Résoudre tous les goulots d'étranglement pour la technologie à hétérojonction au silicium », Photovoltaics International, 42e édition, p. 85.
[3] Frank, G.& Köstlin, H. 1982, « Propriétés électriques et modèle de défaut des couches d'oxyde d'indium dopé à l'étain », Appl. Phys. A, Vol. 27, n° 4, p. 197-206 [https://doi. org/10.1007/BF00619080].
[4] Hamberg, I.& Granqvist, CG 1986, « Films In2O3 dopés au Sn évaporé : propriétés optiques de base et applications aux fenêtres écoénergétiques », J. Appl. Phys., Vol. 60, n° 11, p. R123–R160 [https://doi. org/10.1063/1.337534].
[5] Balestrieri, M. et al. 2011, « Caractérisation et optimisation des films d'oxyde d'indium et d'étain pour les cellules solaires à hétérojonction », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 95, n° 8, pp. 2390–2399 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.04.012].
[6] Koida, T.& Kondo, M. 2007, « Etudes comparatives d'In2O3 conducteur transparent dopé au Ti, au Zr et au Sn en utilisant une approche combinatoire », J. Appl. Phys., Vol. 101, n° 6, p. 063713 [https://doi. org/10.1063/1.2712161].
[7] Kobayashi, E., Watabe, Y.& Yamamoto, T. 2015, « Films minces conducteurs transparents à haute mobilité d'oxyde d'indium hydrogéné dopé au cérium », Appl. Phys. Expr., Vol. 8, n° 1, p. 015505 [https://doi. org/10.7567/APEX.8.015505].
[8] Macco, B. et al. 2014, « Oxydes conducteurs transparents à haute mobilité In2O3:H préparés par dépôt de couche atomique et cristallisation en phase solide », physica status solidi (RRL), Vol. 8, n° 12, p. 987-990 [https://doi.org/10.1002/pssr.201409426].
[9] Erfurt, D. et al. 2019, « Propriétés électriques améliorées de l'oxyde d'indium dopé à l'hydrogène pulvérisé par magnétron DC pulsé après recuit dans l'air », Mater. Sci. Semicon. Proc., Vol. 89, p. 170-175 [https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.09.012].
[10] Yu, J. et al. 2016, « Film d'oxyde d'indium dopé au tungstène : prêt pour la métallisation bifaciale du cuivre d'une cellule solaire à hétérojonction en silicium », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 144, p. 359-363 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2015.09.033].
[11] Newhouse, PF et al. 2005, « Films minces In2O3 dopés W à haute mobilité électronique par dépôt laser pulsé », Appl. Phys. Lett., Vol. 87, n° 11, p. 112108 [https://doi.org/10.1063/1.2048829].
[12] Asikainen, T., Ritala, M.& Leskelä, M. 2003, "Atomic Layer Deposition Growth of zirconium doped In2O3 films", Thin Solid Films, Vol. 440, n° 1, pp. 152-154 [https://doi.org/10.1016/S0040-6090(03)00822-8].
[13] Morales-Masis, M. et al. 2018, « In2O3 transparent dopé au Zr hautement conducteur et à large bande comme électrode avant pour les cellules solaires », IEEE J. Photovolt., pp. 1–6 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2851306].
[14] Morales-Masis, M. et al. 2017, « Électrodes transparentes pour une optoélectronique efficace », Adv. Électron. Mater., Vol. 3, n° 5, p. 1600529 [https://doi. org/10.1002/aelm.201600529].
[15] Delahoy, AE& Guo, SY 2005, "Dépôt de film conducteur transparent et semi-transparent par environnement réactif, pulvérisation cathodique creuse", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 23, n° 4, p. 1215-1220 [https://doi.org/10.1116/1.1894423].
[16] van Hest, MFAM et al. 2005, « Oxyde d'indium dopé au titane : un conducteur transparent à haute mobilité », Appl. Phys. Lett., Vol. 87, n° 3, p. 032111 [https://doi.org/10.1063/1.1995957].
[17] Meng, Y. et al. 2001, « Un nouveau film mince conducteur transparent In2O3:Mo », Thin Solid Films, Vol. 394, n° 1–2, pp. 218–222 [https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)01142-7].
[18] Yoshida, Y. et al., "Développement de l'oxyde d'indium et de molybdène pulvérisé par magnétron radiofréquence", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 21, n° 4, p. 1092-1097 [https://doi.org/10.1116/1.1586281].
[19] Warmsingh, C. et al. 2004, « Cellules minces conductrices transparentes à haute mobilité en In2O3 dopées au Mo par dépôt laser pulsé », J. Appl. Phys., Vol. 95, n° 7, pp. 3831–3833 [https://doi.org/10.1063/1.1646468].
[20] Ruske, F. et al. 2010, « Amélioration du transport électrique dans l'oxyde de zinc dopé à l'Al par traitement thermique », J. Appl. Phys., Vol. 107, n° 1, p. 013708 [https://doi.org/10.1063/1.3269721].
[21] Hüpkes, J. et al. 2014, « Films d'oxyde de zinc dopé stable à la chaleur humide », Thin Solid Films, Vol. 555, p. 48-52 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.08.011].
[22] Greiner, D. et al. 2011, « Stabilité à la chaleur humide des films d'oxyde de zinc dopés à l'Al sur des substrats lisses et rugueux », Thin Solid Films, Vol. 520, n° 4, pp. 1285-1290 [https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.04.190].
[23] Morales-Vilches, AB et al. 2018, "Cellules solaires à hétérojonction en silicium sans ITO avec électrodes frontales ZnO:Al/SiO2 atteignant une efficacité de conversion de 23%", IEEE J. Photovolt., Vol. 9, n° 1, pp. 1–6 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2018.2873307].
[24] Bivour, M. et al. 2014, « Cellules solaires à émetteur arrière à hétérojonction au silicium : moins de restrictions sur les propriétés optoélectriques des TCO de face avant », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 122, p. 120-129 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2013.11.029].
[25] Basset, L. et al. 2018, « Rupture de résistance en série des cellules solaires à hétérojonction en silicium produites sur la ligne pilote CEA-INES », Proc. 35th EU PVSEC, Bruxelles, Belgique, pp. 721-724 [https://doi. org/10.4229/35thEUPVSEC20182018-2DV.3.21].
[26] Ling, ZP et al. 2015, "Analyse numérique tridimensionnelle des cellules solaires hybrides à plaquettes de silicium à hétérojonction avec contacts à point arrière à hétérojonction", AIP Adv., Vol. 5, n° 7, p. 077124 [https://doi.org/10.1063/1.4926809].
[27] Cruz, A. et al. 2019, « Effet du coût total de possession avant sur les performances des cellules solaires à hétérojonction en silicium à jonction arrière : informations issues de simulations et d'expériences », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 195, p. 339-345 [https://doi.org/10.1016/j. solmat.2019.01.047].
[28] Wang, E.-C. et al. 2019, "Une méthode simple avec un modèle analytique pour extraire les composants de résistance en série de cellules solaires à hétérojonction et pour extraire la résistivité de contact A-Si:H(i/p) à l'oxyde conducteur transparent", AIP Conf. Proc., Vol. 2147, n° 1, p. 040022 [https://doi.org/10.1063/1.5123849].
[29] Cruz, A. et al. 2019, « Influence of silicon couches on the growth of ITO and AZO in silicon heterojunction solar cells », IEEE J. Photovolt., pp. 1–7 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2957665].
[30] Muñoz, D.& Roux, D. 2019, « La course à la haute efficacité en production : Pourquoi l'hétérojonction est maintenant prête pour le marché », Proc. 36e PVSEC de l'UE, Marseille, France, p. 1–20.
[31] Strahm, B. et al. 2019, « Améliorations des performances 'HJT 2.0' et avantages en termes de coûts pour la production de cellules à hétérojonction en silicium", Proc. 36th EU PVSEC, Marseille, France, pp. 300-303 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2EO.1.3].
[32] Zhang, D. et al. 2013, « Conception et fabrication d'un revêtement antireflet double couche SiOx/ITO pour cellules solaires en silicium à hétérojonction », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 117, p. 132-138 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2013.05.044].
[33] Geissbühler, J. et al. 2014, « Cellules solaires à hétérojonction au silicium avec électrodes à grille cuivrée : état et comparaison avec les techniques à couche épaisse d'argent », IEEE J. Photovolt., Vol. 4, n° 4, pp. 1055-1062 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2014.2321663].
[34] Herasimenka, SY et al. 2016, « Empilements ITO/SiOx:H pour cellules solaires à hétérojonction en silicium », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 158, Partie 1, pp. 98-101 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2016.05.024].
[35] Santbergen, R. 2016, « Manuel pour le logiciel de simulation optique de cellules solaires : GENPRO4 », Matériaux et dispositifs photovoltaïques, Université de technologie de Delft.
[36] Haschke, J. et al. 2020, « Transport latéral dans les cellules solaires au silicium », J. Appl. Phys., Vol. 127 [https://doi. org/10.1063/1.5139416].
[37] Bivour, M. et al. 2012, "Amélioration du contact d'émetteur arrière a-Si:H(p) des cellules solaires en silicium de type n", Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 106, p. 11-16 [https://doi. org/10.1016/j.solmat.2012.06.036].
[38] Procel, P. et al. 2018, « Évaluation théorique de la pile de contact pour les cellules solaires IBC-SHJ à haut rendement », Sol. Energie Mater. Sol. Cellules, Vol. 186, p. 66-77 [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.06.021].
[39] Luderer, C. et al. 2019, "Résistivité de contact de l'hétérojonction TCO/a-Si:H/c-Si", Proc. 36th EU PVSEC, Marseille, France, pp. 538-540 [https://doi. org/10.4229/EUPVSEC20192019-2DV.1.48].
[40] Messmer, C. et al. 2019, « Influence of interfacial oxides at TCO/Doped Si thin film contacts on the charge carrier transport of passivating contacts », IEEE J. Photovolt., pp. 1–8 [https://doi.org/10.1109/ JPHOTOV.2019.2957672 ].
[41] Cox, ampli droit & ; Strack, H. 1967, "Contacts ohmiques pour dispositifs GaAs", Solid-State Electron., Vol. 10, n° 12, pp. 1213-1218 [https://doi.org/10.1016/0038-1101(67)90063-9].
[42] Fellmeth, T., Clément, F.& Biro, D. 2014, « Modélisation analytique des cellules solaires au silicium liées à l'industrie », IEEE J. Photovolt., Vol. 4, n° 1, pp. 504-513 [https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2281105].
