技術(shù)：異質(zhì)結(jié)電池商用TCOs：優(yōu)化性能和降低成本的方法
硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)是一項(xiàng)極具吸引力的可大規(guī)模生產(chǎn)的太陽電池技術(shù)，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)24%以上。
與當(dāng)今廣泛使用的鈍化發(fā)射極和背接觸(PERC)電池技術(shù)相比，SHJ太陽能電池的一個關(guān)鍵差異點(diǎn)是使用了透明導(dǎo)電氧化物(TCO)，這種材料給電池性能和成本帶來了挑戰(zhàn)，但也帶來了機(jī)遇。
本文將對這些問題進(jìn)行討論，并展示使用直流濺射沉積TCOs以降低成本并提高電池效率的潛力。對于背結(jié)SHJ電池，可以減少甚至完全避免在這種TCOs中使用銦元素，其中摻鋁氧化鋅(AZO)可以作為氧化銦基TCOs的替代品。最后總結(jié)了大規(guī)模生產(chǎn)中使用高性能TCO的可行性，這將促進(jìn)SHJ電池市場份額的進(jìn)一步擴(kuò)大。
前言
基于鈍化發(fā)射極和背接觸(PERC)技術(shù)的硅太陽能電池已經(jīng)達(dá)到了數(shù)十億瓦的大規(guī)模生產(chǎn)水平，轉(zhuǎn)換效率(CEs)可以達(dá)到22%，目前已接近23%。
鈍化接觸被認(rèn)為是下一代高效電池技術(shù)。而其中硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)技術(shù)是一項(xiàng)很有前景的候選技術(shù)，并且在剛剛興起時就已經(jīng)在試驗(yàn)線和大規(guī)模生產(chǎn)線的全尺寸硅片上實(shí)現(xiàn)了23-24%的轉(zhuǎn)換效率[1]。
雖然是松下(前三洋)首創(chuàng)了這項(xiàng)技術(shù)，但世界各地的企業(yè)也都同步在建立自己的生產(chǎn)線，如歐洲的ENEL Green Energy和Hevel Solar，以及亞洲的REC、Jinergy、GS Solar等。
Ballif等人在最近的一篇文章中討論了SHJ技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)[2]。除了高轉(zhuǎn)換效率外，SHJ的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是精益生產(chǎn)流程，其雙面同時加工流程只需要四個主要步驟：
1. 硅片的濕法清洗和制絨；
2. 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)制備a-Si:H薄膜；
3. 物理氣相沉積法(PVD，通常是濺射法)沉積透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層；
4. 絲網(wǎng)印刷銀柵；
由于低溫(<200℃)工藝和對稱的器件結(jié)構(gòu)，可以避免由應(yīng)力引起的硅片翹曲和開裂，這意味著可以將硅片做得更薄，從而節(jié)省材料成本和能耗。
因此SHJ疊層結(jié)構(gòu)很自然地出現(xiàn)在雙面電池設(shè)計中；此外，SHJ電池在戶外運(yùn)行的溫度系數(shù)最低，通常為-0.28%/℃。雙面性和低溫系數(shù)的結(jié)合增加了光伏系統(tǒng)的能量產(chǎn)出。
然而，目前相對較高的設(shè)備成本限制了SHJ技術(shù)的快速增長，主要是PECVD(也包括PVD)和組件制造所需合適的電池接觸(非標(biāo)準(zhǔn)的高溫焊接工藝)。
與標(biāo)準(zhǔn)硅電池相比，前者需要更多的銀膏，因?yàn)榈蜏毓袒訓(xùn)诺膶?dǎo)電率較低；然而，這還受到互聯(lián)方式的影響，特別是主柵線的選擇。最后，本文詳細(xì)討論了濺射雙面TCO薄膜所需要的靶材料，目前常用的靶材料都是價格昂貴的。
被稱為ITO的摻錫(Sn)氧化銦(In2O3)是目前最常用的TCO[3-5]材料。這種透明導(dǎo)電氧化物普遍用于平板顯示器(FPD)的大規(guī)模生產(chǎn)上，并且具有合適的光電特性，例如低薄層電阻率和對可見光有足夠的透明度。
作為FPD生產(chǎn)的一個重要考慮因素，ITO可以通過光刻進(jìn)行加工，因?yàn)樗强晌g刻的(在沉積狀態(tài)下)，并且在150-200℃熱退火固相結(jié)晶后是長期穩(wěn)定的。
通常，ITO是通過直流磁控濺射大面積沉積的。盡管直流濺射最初會對硅表面鈍化造成一些損傷，但這些損傷可以在200℃左右的溫度下完全修復(fù)，而在濺射過程中或在絲網(wǎng)印刷后的銀漿固化過程中都能達(dá)到這個溫度。
與FPD相比，TCO在應(yīng)用于SHJ電池的正面時必須滿足額外的要求，即在300-1100nm的更寬波長范圍內(nèi)具有出色的透明度。圖一顯示了各種TCO層的吸收光譜，可以看到短波長和長波長區(qū)域中寄生吸收的差異。除了低光吸收特性外，兩面的TCO層還要求與n和p摻雜硅層和金屬網(wǎng)格有較低的接觸電阻。
最后，但并非最不重要的是，太陽能電池對成本的控制是極其嚴(yán)苛的，而且，要設(shè)想兆瓦級的光伏發(fā)電，就必須減少(或更好地避免)使用關(guān)鍵或稀缺材料，如銦(In)。
然而，后者仍然很難解決，因?yàn)榇蠖鄶?shù)高質(zhì)量器件的TCO都包含銦。一種選擇是減小這種TCOs的厚度，然后需要沉積第二層以保持理想的光學(xué)(抗反射)性能。這反過來又增加了工藝的步驟，從而增加了工藝的復(fù)雜性和成本。
另一方面，摻鋁氧化鋅(AZO)作為TCOs中銦的替代材料，是目前為數(shù)不多的替代材料之一。正如本文將要討論的，盡管這是一種有吸引力的、低成本的且儲量豐富的材料，但必須處理低電導(dǎo)率和長期穩(wěn)定性差的問題。
本文研究了TCO與SHJ太陽能電池結(jié)合后的優(yōu)化問題。針對不同TCO在SHJ電池中的適用性，提出了一種評價和基準(zhǔn)測試TCO的方法。為了減少前TCO的光損耗，必須使用高透明度的材料。
其中，高電荷載流子遷移率，通常大于100cm2/Vs，可以降低載流子密度(在恒定電阻率下)，從而減少由自由載流子吸收(FCA)引起的光損耗。
過去，人們已經(jīng)研究了各種基于氧化銦和不同摻雜的“高遷移率”TCO材料[6-13]。所有這些材料作為TCO層制備在玻璃上后都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，從而提高電池CE值。然而，許多上述材料的靶材制造都非常困難，成本也很高。
目前已經(jīng)研發(fā)出可制備成旋轉(zhuǎn)靶材并應(yīng)用在大規(guī)模產(chǎn)線上的新TCO材料，該材料具有高遷移率并用于制造高CE的SHJ電池。我們將在后面討論AZO作為一種無銦、低成本的替代物用于高效SHJ電池的制造。文中還對In基和ZnO基靶材進(jìn)行了成本比較。
用于SHJ太陽能電池的TCO
過去，人們研究了幾種用于SHJ太陽能電池的TCO材料。實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的關(guān)鍵要求是高導(dǎo)電性和高透明度，加工溫度低于200℃(因?yàn)楸∧す桠g化層的靈敏度)，以及與相鄰層形成良好接觸[14]。
在一些相關(guān)的TCO中，在200℃以下生長多晶摻Sn的In2O3(ITO)，其電子遷移率(μe)約為40cm2/Vs[3-5]，在SHJ太陽電池中得到了廣泛的應(yīng)用。在摻雜了其他金屬(如鈦(Ti)[15,16]、鋯(Zr)[6,12,13]、鉬(Mo)[15,17-19]和鎢(W))[10,11]的TCO中，1×1020到3×1020cm-3的載流子密度(ne)范圍內(nèi)，產(chǎn)生μe值超過80cm2/Vs。
這些材料層可以通過磁控濺射、脈沖激光沉積(PLD)和帶直流電弧放電或反應(yīng)等離子體沉積(RPD)離子鍍制備完成。其中，濺射法是最成熟的大規(guī)模生產(chǎn)方法。對于固相結(jié)晶(SPC)氫(H)摻雜In2O3(IOH)[6-9]和鈰(Ce)摻雜ICeO:H[7]薄膜(1×1020
上面介紹的TCOs由于其優(yōu)異的光電性能而具有吸引力，但迄今為止主要是ITO和IWO:H已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。然而，銦的稀缺性是尋找替代TCO的一個動機(jī)。而AZO的優(yōu)點(diǎn)則是豐富的材料儲備。在高于250℃的高溫下濺射厚度為幾百納米的AZO層，能產(chǎn)生良好的光電性能[20]和穩(wěn)定性[21]。
相比之下，根據(jù)SHJ電池的要求，在200℃以下的溫度下沉積的厚度小于100nm的薄層顯示出較差的晶體結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致20cm2/Vs左右的低遷移率值和較差的長期穩(wěn)定性[22]。然而，通過使用非晶氧化硅(a-SiO2)覆蓋在上表面可以改善SHJ太陽能電池的穩(wěn)定性[23]。
由于μe值和工藝條件的不同，各種TCO的電子遷移率存在較大差異。TCO方塊電阻(RR) 范圍的分類如表一所示。這里著重考慮了1.5×1020
表一：不同TCOs的電性能比較。
SHJ電池在加工過程中的對稱性以及使用高載流子壽命(n型)硅片，使人們可以自由選擇哪種接觸電極(n或p)作為前表面。p接觸電極(結(jié))的位置影響了TCO的優(yōu)化，進(jìn)而影響電池獲得高透明度和低串聯(lián)電阻Rs[24–27]。
為了說明這一點(diǎn)，圖二分別示出了雙面和單面背結(jié)SHJ太陽能電池的剖面圖，并標(biāo)出所有的Rs組成。關(guān)于Rs組成及其在SHJ太陽能電池中作用的詳細(xì)分析，請參考Basset等人[25]和Wang等人[28]的文章。
c-Si硅片中電子的高導(dǎo)電性，即密度和遷移率，以及n/TCO之間極低接觸電阻，傾向于選擇n接觸作為前表面(“背結(jié)”)，因?yàn)楣杵苡行е螜M向電流傳輸。這就放寬了TCO(方塊電阻)的導(dǎo)電性要求，從而能朝最高透明度優(yōu)化。
圖二：背結(jié)硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽能電池的橫截面示意圖：(a)雙面電池設(shè)計；(b)單面電池設(shè)計及其串聯(lián)電阻(Rs)組成。
為了說明上述自由度在電池設(shè)計中的作用，圖三給出了太陽能電池的模擬Rs曲線和實(shí)驗(yàn)值，可以看到ITO工藝變化與前TCO方塊電阻的關(guān)系。也可以看到模擬趨勢與實(shí)驗(yàn)值是相符的[27]。另外，依靠為硅片中電子傳導(dǎo)的橫向支撐，背結(jié)設(shè)計充分發(fā)揮了高阻TCOs的優(yōu)勢。
另一方面，前結(jié)設(shè)計更利于低電阻率TCO層；該設(shè)計利用較低的橫向Rs貢獻(xiàn)，因?yàn)檫w移率比空穴更高的電子運(yùn)動到硅片后面(光生載流子主要發(fā)生在靠近前表面的位置)。
橫向和橫向Rs貢獻(xiàn)之間的權(quán)衡將決定哪個太陽能電池設(shè)計最合適，這取決于可用的TCO片電阻。
文獻(xiàn)中報告的和表一中定義的不同TCO的Rsh范圍在圖三中用相應(yīng)的色差示出。低Rsh(紅色)的TCO在前結(jié)器件中實(shí)現(xiàn)時更有優(yōu)勢，而中等Rsh(藍(lán)色)的TCO在前結(jié)器件和背結(jié)器件之間的Rs差相當(dāng)小的過渡區(qū)。
相比之下，具有高Rsh(灰色)的TCO在背結(jié)設(shè)計中實(shí)現(xiàn)時顯然是有利的；這有利于AZO，例如，它具有高透明性但不是很導(dǎo)電，但仍然產(chǎn)生與ITO參考電池相同的SHJ電池效率>23%。
在Helmholtz Zentrum Berlin，同時基于ITO和AZO的前表面TCO的SHJ太陽能電池，其認(rèn)證CE已達(dá)到23.5%以上[29]。
圖三：前&背結(jié)SHJ太陽能電池的串聯(lián)電阻與前TCO方塊電阻的關(guān)系。曲線代表模擬結(jié)果，而柱狀圖則表示電池隨ITO變化的測量結(jié)果。
一些研究小組[27,30]和中試生產(chǎn)[31]證明，利用硅片橫向傳輸支撐的另一種方法是實(shí)現(xiàn)更薄的TCO，減少寄生吸收，從而保持甚至改善太陽能電池的CE。然而，要實(shí)現(xiàn)更薄的TCO層，則需要在其上面再加一層薄膜層，例如二氧化硅或氮化硅，以保持最佳的抗反射(AR)性能[32–34]。
為了精確地量化不同TCO在電池堆棧中實(shí)現(xiàn)時的光學(xué)性能，即確定短路電流密度(Jsc)的損耗，使用射線追蹤軟件工具(GenPro4[35])進(jìn)行了模擬。
考慮到由于Rs的增加和Jsc的減少而在電池中與TCO相關(guān)的功率損失，對不同的TCO材料進(jìn)行了基準(zhǔn)測試，如圖四所示。為此，采用了CE=23.3%的參考太陽能電池，在Jsc和Rs(FF)中沒有TCO相關(guān)損失。分別以IOH、ITO和AZO為低Rsh、中Rsh和高Rsh體系的實(shí)例進(jìn)行了研究。
研究了標(biāo)準(zhǔn)75nm(厚)和光學(xué)優(yōu)化的更薄(薄)TCOs的實(shí)現(xiàn)。為了公平比較(即在任何情況下都保持AR最優(yōu))，所有電池(具有“厚”和“薄”TCOs)均采用a-SiO2覆蓋層。假設(shè)TCO/Ag和TCO/Si界面的接觸電阻(低)等于所有三個TCO，這當(dāng)然是一個簡化，將在下面討論。有關(guān)優(yōu)化層厚度和模擬結(jié)果的更多詳細(xì)信息，請參見Cruz等人[27]文章。
圖四顯示了由于Jsc的減少和Rs的增加而導(dǎo)致的TCO相關(guān)的功率損耗，用于背結(jié)(圖四(a))和前結(jié)(圖四(b))器件。顯然，IOH在這兩種情況下都具有優(yōu)異的光電性能，因此優(yōu)于其他兩種TCO。在圖四(a)中，顯示厚ITO和AZO，材料補(bǔ)償其CE損失，因?yàn)檩^低的導(dǎo)電性AZO顯示出比ITO更低的寄生吸收。
與較薄版本的TCO相比，可以觀察到，由于TCO寄生吸收降低，CE損耗略有降低。ITO明顯從這種減薄中獲益更多，因?yàn)樗募纳障鄬^高，最終導(dǎo)致CE略優(yōu)于AZO。這表明，采用改進(jìn)的光學(xué)元件的較薄TCO可以在背結(jié)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)，并且在CE方面將是有益的。
相反，從圖四(b)中的前結(jié)設(shè)計可以看出，高導(dǎo)電性IOH不會受到硅片較低的橫向傳輸貢獻(xiàn)。低導(dǎo)電率的ITO和AZO會增加電阻損耗。降低ITO的厚度并不會變成CE的優(yōu)勢，而在AZO的情況下則明顯不利。
可以得出結(jié)論，在本例中，高導(dǎo)電性TCO可以在前背結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，而CE損耗沒有重大差異。較低的導(dǎo)電性TCOs(如ITO和AZO)將受到前端結(jié)中較高的橫向電阻的影響配置。如果TCO超過一定的吸收閾值，即使對于導(dǎo)電率較低的TCO，減薄背結(jié)太陽能電池上的TCO也是有利的，在本例中這里是AZO。
在前結(jié)設(shè)計中，減薄只會帶來很小的好處，甚至可能對較低導(dǎo)電性的TCO(如AZO)不利。
圖四：(a)背結(jié)和(b)前結(jié)SHJ電池的電流密度相關(guān)功率損耗(PlossJ)和串聯(lián)電阻相關(guān)功率損耗(PlossR)。轉(zhuǎn)換效率(CE)損失值用虛線表示；這些損失是相對于CE23.3%的參考太陽能電池而言的，用(0,0)處的紫色菱形表示。填充符號表示75nm厚的TCO(標(biāo)準(zhǔn))，但頂部有防反射涂層(ARC)，而開放符號表示較薄(優(yōu)化)的TCO層，也有一層ARC。
商用高遷移率TCOs的性能
為了在大規(guī)模生產(chǎn)中測試管靶直流濺射的高遷移率TCO，采用不同材料制備了雙面背結(jié)SHJ太陽電池的前TCO。測試了兩種高遷移率TCO，即鈦摻雜氧化銦(ATIO)和未公開的摻雜類型(“Y”)氧化銦。
此外，還測試了不同摻雜濃度的ITO，即在靶材(97/3)和ITO 99/1中分別含有97%的氧化銦和3%的氧化錫。以ITO 97/3為參考材料，在所有電池的背面都濺射了ITO97/3。同時還包括一組前后兩面都有ITO 95/5的電池。
玻璃上相應(yīng)的測試層顯示，在環(huán)境條件下，在200℃下沉積和退火30分鐘后，TCO方塊電阻在36–136Ω之間，這與絲網(wǎng)印刷后進(jìn)行的固化相當(dāng)。如前所述，這是作為背結(jié)SHJ太陽能電池中的前接觸電極實(shí)現(xiàn)的合適范圍(參見圖三)。
然而，必須注意的是，根據(jù)太陽能電池的要求，沉積在玻璃上的TCO層可能表現(xiàn)出不同于沉積在硅上的TCO層的特性(載流子遷移率)。這歸因于兩個效應(yīng)[29]:(1)不同的晶體成核和晶粒結(jié)構(gòu)；(2)從硅層擴(kuò)散到TCO的氫含量不同。
ITiO層和Y層的遷移率都高達(dá)90cm2/Vs，但載流子密度不同，分別為2×1020cm-3和~0.8×1020cm-3。對于ITO97/3和ITO99/1薄膜，在電荷載流子密度分別為2.7×1020cm-3和1.8×1020cm-3時，其遷移率分別為60和70cm2/Vs。
由于極低的載流子密度，Y薄膜在近紅外區(qū)域顯示出最低的寄生吸收(見圖一)，這使得該材料最有可能實(shí)現(xiàn)最高Jsc和(可能)最高的太陽能電池CE。
各試驗(yàn)組的I-V參數(shù)如圖五所示。所有電池都顯示出相當(dāng)?shù)拈_路電壓(Voc)，介質(zhì)在737-738mV的窄范圍內(nèi)。這證實(shí)了鈍化并沒有因?yàn)椴煌臑R射損傷而退化。如預(yù)期的那樣，具有高遷移率TCOs的太陽能電池產(chǎn)生最高的Jsc值，ITiO和Y的介電常數(shù)分別為39.0mA/cm2和39.2mA/cm2。這比參考ITO97/3高出0.5mA/cm2。
盡管Jsc高，Voc值高，但是Y面接觸的電池并沒有產(chǎn)生最高的效率。ITO99/1電池的最高中位CE值為22.9%，而ATiO電池的最高中位CE值為23.3%。Y樣品的CE較低是因?yàn)橹兄礔F較低，僅為77%左右，這是由于Rs值相當(dāng)高；事實(shí)上，具有Y前接觸的電池產(chǎn)生的中值Rs值最高，為1.3–1.6Ωcm2。相比之下，ITO99/1電池的中值Rs值為0.9Ωcm2，導(dǎo)致中值FF顯著高于79.5%。
圖五：4cm2大小的不同前TCOs和背ITO 97/3的雙面SHJ太陽電池的I-V參數(shù)。以HZB管靶的直流濺射ITO 95/5為參考。
低接觸電阻的重要性
采用低載流子密度、高遷移率TCO的電池的高串聯(lián)電阻是一個需要解決的問題。更確切地說，Rs主要是由TCOs與n-和p-摻雜硅接觸層的接觸電阻組成，文獻(xiàn)[37-40]對此進(jìn)行了詳細(xì)研究。
對于n摻雜c-Si基太陽能電池，TCO與n摻雜Si層的接觸電阻可以通過各種相對簡單的技術(shù)來表征，例如Cox和Strack[41]或傳輸線[42]方法。
相反，由于結(jié)的形成，TCO與p摻雜Si層(TCO/p)的接觸電阻更難獲得。例如，如Basset等人[21]和Wang等人[24]所提到的，提取Rs組成值的一個簡單方法是導(dǎo)出Rs的所有可能組成部分，然后得出剩余值是TCO/p接觸電阻。
接觸電阻率ρc取決于詳細(xì)的能帶排列和能帶彎曲以及界面缺陷狀態(tài)，因此，一些參數(shù)很重要，特別是摻雜Si層的活化能和電荷載流子密度，以及兩種材料之間的功函數(shù)差。Procel等人[37]指出，當(dāng)摻雜層表現(xiàn)出較低的活化能值時，如用納米晶硅層而不是非晶層獲得的活化能值時，ρc最小。
此外，TCO的電荷載流子密度應(yīng)遠(yuǎn)高于1×1020cm-3，這對TCO/p接觸尤其重要，而對TCO/p接觸而言，有效的空穴和電子復(fù)合是必不可少的。關(guān)于TCO層的選擇和優(yōu)化，這需要找到ne的最佳值，其必須足夠高以達(dá)到足夠低的ρc值，但同時，必須盡可能低以限制寄生吸收(FCA)。
在最近的實(shí)驗(yàn)中，選擇了具有更高載流子密度的Y層。事實(shí)上，對于調(diào)整后的TCO，電池FF恢復(fù)了，但由于寄生吸收FCA，Jsc略有下降?？偟膩碚f，CE仍然增加到與圖五中最佳組相似的水平，這表明了小心調(diào)整層和界面特性的重要性。
商用方面：靶材成本
晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)中常用的TCO靶材是旋轉(zhuǎn)靶材，它是由TCO材料制成的圓柱形殼體，連接在金屬制成的背襯管上。管越長，管靶材必須使用的殼越多。
工業(yè)界之所以選擇這種類型的靶來濺射TCO，是因?yàn)樾D(zhuǎn)TCO靶材的利用率遠(yuǎn)高于平面型TCO靶材。使用旋轉(zhuǎn)靶材可實(shí)現(xiàn)的靶材材料的利用率通?！?0%；這在TCO材料昂貴的情況下尤其重要，例如銦基TCO。
至于晶硅光伏產(chǎn)業(yè)中的TCO，銦基TCO因其優(yōu)異的層性能而占主導(dǎo)地位(如前所述)。然而，一些市場參與者也提供鋅基TCO。
事實(shí)上，使用鋅基TCO有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是鋅基管靶的成本較低，其尺寸與銦基靶相同，而鋅的低導(dǎo)電性在太陽能電池設(shè)計中呈現(xiàn)出一些限制，如前面所討論和圖三所示。
圖六示出了鋅基TCOs和銦基TCOs的每cm3管靶的具體靶材成本；注意，背管的成本不包括在靶材成本中。數(shù)據(jù)點(diǎn)是從全世界的靶材供應(yīng)商那里收集的。鋅基TCO的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量較少，這可歸因于迄今為止對晶體硅光伏產(chǎn)業(yè)對這種材料缺乏興趣。
圖六：銦基和鋅基TCO每立方厘米靶材的具體成本
由于鋅靶材和銦靶材內(nèi)部的材料不同，或者由于供應(yīng)商不同，靶材成本存在一定的分散性。在這兩個組數(shù)據(jù)中，表示較高靶材成本的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以用不太常見的成分和/或昂貴的制造工藝和/或高利潤率來解釋。在這兩組中觀察到的較低成本數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)為太陽能電池生產(chǎn)商的代表性成本值，每年有數(shù)百個管子靶材需求。
兩組中最低值的比較表明，鋅基TCO(靶材成本約為0.6美元/cm3)比鋅基TCO(靶材成本約為2.6美元/cm3)便宜約25%。但是，應(yīng)當(dāng)指出，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)是目前情況的快照，很快就會過時，這取決于股票市場在原料材料，特別是銦方面的波動。
商用方面：TCO的大規(guī)模生產(chǎn)
為了降低運(yùn)營支出(OPEX)，除了采用無銦TCOs材料之外，還應(yīng)該采用高產(chǎn)能的濺射設(shè)備以降低生產(chǎn)高質(zhì)量TCO涂層的成本。圖七顯示了來自VON ARDENNE的高產(chǎn)能XEA | nova L濺射設(shè)備，該設(shè)備的基本版本沉積TCO層的速度可以達(dá)到8000 M6硅片/小時，并且通過使用升級包可以進(jìn)一步提升沉積TCO層的速度。
圖七：TCO量產(chǎn)設(shè)備示例：VON ARDENNE的XEA | nova L。
2019年期間，XEA | nova設(shè)備成為工業(yè)生產(chǎn)線的一部分，使用與本文所研究的TCO薄膜，最高電池效率達(dá)到24%以上。為了獲得高的產(chǎn)能，TCO層的沉積速率必須很高，這可以通過對管靶施加高直流功率來實(shí)現(xiàn)。
然而，當(dāng)TCO在較高的功率密度下制備時，仍然需要保持TCO的性能。圖八顯示了TCO薄膜的電子遷移率和電荷載流子密度，TCO薄膜在4kW和8kW下從TCO類型為“Y”的陶瓷管靶濺射而來。沉積后在4kW功率水平下可獲得約80cm2/Vs的高遷移率。濺射功率增加到8kW，最大遷移率降低10%。
有趣的是，如圖8所示，通過在200℃下將薄膜退火30分鐘，可進(jìn)一步提高遷移率，高達(dá)100cm2/Vs。
圖八：分別展示了剛沉積完和在200℃環(huán)境條件下退火30min后，以4kW和8kW的功率從TCO‘Y’型陶瓷管靶上濺射TCO層的電性能。
結(jié)論
SHJ太陽能電池技術(shù)在逐漸增加大規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)能的過程中已經(jīng)成為了光伏市場上一名重要的參與者。這要得益于其非常高的轉(zhuǎn)換效率和精益生產(chǎn)工藝。
關(guān)于TCOs在未來市場上的角色，仍有三個方面的問題需要解決，以推動SHJ技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)軍太陽能電池行業(yè)的前景：
1. 進(jìn)一步提高電池性能。
這可以通過采用適合大規(guī)模生產(chǎn)的高遷移率TCO來實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，高遷移率TCOs的濺射工藝可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)能生產(chǎn)，并在SHJ太陽電池中對這些TCOs進(jìn)行了測試。
盡管這種SHJ電池具有較低的吸收和較高的遷移率，其CE也很高，但它仍然落后于具有最佳ITO前表面TCO的參考電池。這歸因于TCO與n和/或p型摻雜硅接觸電極的接觸電阻率的增加。需要對TCO進(jìn)行微調(diào)，并實(shí)現(xiàn)接觸層和/或界面優(yōu)化，以便進(jìn)一步減少這些界面的電阻損耗，從而充分利用TCO的優(yōu)勢。
2. 減少稀有(和昂貴)材料的使用，特別是銦。
實(shí)現(xiàn)材料成本節(jié)約的可行方法是降低TCO厚度；這對于昂貴的高導(dǎo)電性(高遷移率)TCO更具吸引力。然而，為了減少反射損耗，需要在TCO的上表面沉積第二層抗反射(覆蓋)層(弧)?；蛘撸绫疚乃?，在不影響CE的情況下，可以在背結(jié)太陽能電池中采用低電導(dǎo)率TCOs(在所給出的示例中為AZO)。
這與成本有關(guān)：在本文的分析中，氧化鋅基靶材的成本較低，靶材的成本為0.6美元/立方厘米，而In基靶材的成本為2.6美元/立方厘米。AZO的有限穩(wěn)定性可以通過例如用介電層(a-SiO2或a-SiNx)覆蓋來處理。
3. 降低PVD設(shè)備成本。
擴(kuò)大和提高TCO生產(chǎn)線的產(chǎn)能是一條必由之路，直流濺射技術(shù)已經(jīng)為高性能TCO的大規(guī)模生產(chǎn)做好了準(zhǔn)備。
致謝
感謝德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和能源部(BMWi)在Dynasto項(xiàng)目框架內(nèi)根據(jù)#0324293提供的資金支持。
作者團(tuán)隊(duì)
AlexandrosCruz,DarjaErfurt博士,René K?hler,Ing. Martin Dimer博士,EricSchneiderlóchner博士,Bernd Stannowski博士。
