Oxygen incorporation during fabrication of substrate CdTe photovoltaic devices
Joel N. DuenowR. G. DhereDarius KuciauskasJian V. LiJoel PankowP. DippoClay DeHartTimothy A. Gessert
9
Citation
5
Reference
10
Related Paper
Citation Trend
Abstract:
Recently, CdTe photovoltaic (PV) devices fabricated in the nonstandard substrate configuration have attracted increasing interest because of their potential compatibility with flexible substrates such as metal foils and polymer films. This compatibility could lead to the suitability of CdTe for roll-to-roll processing and building-integrated PV. Currently, however, the efficiencies of substrate CdTe devices reported in the literature are significantly lower (~6%-8%) than those of high-performance superstrate devices (~17%) because of significantly lower open-circuit voltage (V oc ) and fill factor (FF). In our recent device development efforts, we have found that processing parameters required to fabricate high-efficiency substrate CdTe PV devices differ from those necessary for traditional superstrate CdTe devices. Here, we investigate how oxygen incorporation in the CdTe deposition, CdCl 2 heat treatment, CdS deposition, and post-deposition heat treatment affect device characteristics through their effects on the junction. By adjusting whether oxygen is incorporated during these processing steps, we have achieved V oc values greater than 860 mV and efficiencies greater than 10%.Keywords:
Cadmium telluride photovoltaics
Cu and Cl treatments are important processes to achieve high efficiency polycrystalline cadmium telluride (CdTe) solar cells, thus it will be beneficial to understand the roles they play in both bulk CdTe and CdTe grain boundaries (GBs). Using first-principles calculations, we systematically study Cu and Cl-related defects in bulk CdTe. We find that Cl has only a limited effect on improving p-type doping and too much Cl can induce deep traps in bulk CdTe, whereas Cu can enhance p-type doping of bulk CdTe. In the presence of GBs, we find that, in general, Cl and Cu will prefer to stay at GBs, especially for those with Te-Te wrong bonds, in agreement with experimental observations.
Cadmium telluride photovoltaics
Telluride
Cite
Citations (54)
Досліджено фотоелектричні характеристики структур ITO/CdTe, виготовлених методом термічного вакуумного випаровування та шляхом осадження у квазізамкненому об'ємі до та після різних обробок. Частина зразків проходила "хлоридну" обробку, інша – відпал на повітрі. Після цього проводилась обробка зразків у плазмі водню та нанесення на них тонкої алмазоподібної плівки. Показано, що проведення "хлоридної" обробки структур ІТО/CdTe приводить до збільшення дифузійної довжини носіїв заряду у шарі CdTe. Проведення термовідпалу не впливає на значення дифузійної довжини носіїв заряду у шарі CdTe, але значно підвищує фоточутливість, що свідчить про зменшення на поверхні шару CdTe швидкості поверхневої рекомбінації. Шляхом комбінації термовідпалу, "хлоридної" обробки, плазмової обробки у водні та нанесення тонких алмазоподібних плівок отримано збільшення довжини дифузії носіїв заряду у шарі CdTe в усіх досліджуваних структурах ІТО/CdTe. На структурах ІТО/CdTe, отриманих термічним вакуумним випаровуванням, обробка у плазмі водню приводила до значного збільшення спектральної чутливості у діапазоні довжин хвиль 400–800 нм, а на структурах, які пройшли "хлоридну" обробку, значне збільшення спектральної чутливості досягалось після обробки у плазмі водню нанесення алмазоподібних плівок.
Cadmium telluride photovoltaics
Cite
Citations (1)
Cadmium telluride photovoltaics
Deposition
Cite
Citations (11)
Cadmium telluride photovoltaics
Cite
Citations (12)
Cadmium telluride photovoltaics
Cite
Citations (0)
By analyzing CdTe/CdS devices fabricated by vacuum evaporation, a self consistent picture of the effects of processing on the evolution of CdTe cells is developed which can be applied to other fabrication methods. In fabricating CdTe/CdS solar cells by evaporation, a 400°C CdCI2 heat treatment is used which recrystallizes the CdTe and interdiffuses the CdS and CdTe layers. The interdiffuson can change the bandgap of both the CdTe and CdS which modifies the spectral response of the solar cell. After this heat treatment a contacting/doping procedure is used which converts the CdTe conductivity to p-type by diffusion from Cu from the contact. Finally, the cell is treated with Br2CH3,OH which improves both Voc and FF. Analogous process steps are used in most fabrication processes for CdTe/CdS solar cells.
Cadmium telluride photovoltaics
Vacuum evaporation
Cite
Citations (88)
В работе исследована низкотемпературная микрофотолюминесценция (МФЛ) пленок CdTe/(103)Si и CdTe/(103)GaAs толщиной 5.5 мкм, используемых в качестве виртуальных подложек для КРТ. В спектрах излучения пленок доминировало излучение протяженных дефектов, см. рис. 1A. С уменьшением плотности возбуждения (< 15 мВт/см2) и температуры (< 10-15 К) широкие полосы дислокационной люминесценции трансформировались в наборы спектрально узких пиков, которые могут быть интерпретированы как изолированные (квантовые) излучатели, сформированные фрагментами ядер дислокаций, см рис. 1B. Характерными особенностями таких излучателей являются малая спектральная ширина линии, высокая степень линейной поляризации и слабая связь с решеткой CdTe через фрелиховский механизм электронфононного взаимодействия. Перечисленные особенности излучателей, связанных с протяженными дефектами, позволяют выделять их на фоне остальных механизмов примесно-дефектной люминесценции. Статистический анализ пространственного распределения сигнала МФЛ и поляризации излучателей позволил установить принципиальные отличия протяженных дефектов в пленках CdTe выращенных на Si и GaAs подложках. Показано, что в пленках CdTe/Si дислокационные ядра привязаны к одному выделенному направлению, совпадающему с проекцией одного из направлений семейства <110> на плоскость поверхности [103]. Это направление совпадает с направлением распространения частичных 90° дислокаций Шокли, таким образом, подтверждая связь главной линии дислокационного излучения с частичными дислокациями. В CdTe/GaAs, в отличие от CdTe/Si, отсутствует выделенное направление в пространственной ориентации дислокаций. Так как наличие выделенного направления неизбежно связано с существованием макроскопических деформационных и/или электрических полей, полученные данные могут объяснять ухудшение свойств КРТ слоя при его росте на CdTe/Si подложке.
Cadmium telluride photovoltaics
Cite
Citations (0)
Thin-film n-CdS/p-CdTe solar cells have been fabricated from electrodeposited CdS and CdTe layers. Cells made with crystalline CdTe films were 9.0%–11.5% efficiencies whereas those with CdTe of structural imperfection gave up to 6.8% efficiency. Cell efficiencies varied with growth conditions of CdTe depositions. Scanning electron micrographs and x-ray diffraction patterns showed that the CdTe deposits of relatively good cells had less grain boundaries and better crystallinity than less efficient cells. Capacitance measurements showed that the cells made with CdTe of structural imperfection had large number of interface states relative to those with crystalline CdTe films.
Cadmium telluride photovoltaics
Cite
Citations (28)
Температура подложки играет ключевую роль при выращивании методом молекулярнолучевой эпитаксии соединения кадмий-ртуть-теллур (КРТ). Отклонение температуры от оптимального значения на 5-10 градусов может привести к образованию прорастающих дефектов и критическим образом сказаться на качестве выращиваемых структур. В условиях, когда определяющим механизмом теплообмена является тепловое излучение, постоянство мощности нагревателя не обеспечивает постоянной температуры подложки из-за изменения теплового баланса в начале роста [1, 2]. Поэтому актуальной задачей является определение температуры и направленности её изменения на начальной стадии эпитаксии КРТ, чтобы скомпенсировать эти изменения. Нами разработан и реализован метод бесконтактного измерения температуры подложки с буферным слоем CdTe. Он основан на температурной зависимости края поглощения CdTe, который определяется из спектров эллипсометрических параметров. Для этого создан и установлен на камеру эпитаксии КРТ адаптированный спектральный эллипсометр. Предложен алгоритм обработки спектров () и (), позволяющий с высокой точностью устанавливать начало интерференционных осцилляций в 6 мкм буферном слое CdTe и определять длину волны края поглощения CdTe. Проведена калибровка зависимости края поглощения от температуры. Метод позволяет определять температуру подложки Si/CdTe перед ростом КРТ, а также в начале роста при малых толщинах КРТ, пока наблюдаются интерференционные осцилляции эллипсометрических параметров на слое CdTe. Показаны результаты измерения температуры в процессе выхода на температурный режим (до 1600 с) и в первые минуты роста КРТ состава х=0.45 (выше 1600 с). Точность измерения температуры перед началом роста составляет 2-3 градуса и ухудшается с увеличением толщины слоя КРТ из-за возрастания в нём оптического поглощения. С началом роста КРТ наблюдается тренд к возрастанию температуры. На наш взгляд это связано с изменением излучательной способности растущей структуры, что приводит к нарушению теплового баланса. Численные оценки, выполненные по модели лучистого теплообмена, согласуются с экспериментом и показывают, что при нанесении 200 нм слоя КРТ возрастание температуры в стационарных условиях может достигать 50С. Таким образом, проведённые расчёты и эксперимент показывают, что для поддержания оптимальной температуры роста необходимо учитывать изменение излучательной способности гетероструктуры Hg1-xCdxTe/CdTe/Si и компенсировать это изменением режима нагрева.
Cadmium telluride photovoltaics
Cite
Citations (0)