HJT, abreviatura de Heterojunction Technology, es una celda bifacial monocristalina de tipo N con las ventajas de un proceso simple, alta generación de energía y bajo costo de electricidad. HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer) ha sido registrada como marca comercial por Sanyo Corporation de Japón, por lo que también se la conoce como HJT o SHJ (Silicon Heterojunction). Este tipo de célula solar fue desarrollada con éxito por primera vez por Sanyo Corporation de Japón en 1990 con una eficiencia de conversión del 14,5 % (células de 4 mm2) y, posteriormente, con la mejora continua de Sanyo Corporation, la eficiencia de conversión de las células Sanyo HJT alcanzó el 25,6 % en 2015.
Como se muestra en la Figura 1, una fina película de silicio amorfo intrínseco (i-a-Si:H) y una película de silicio amorfo tipo p (p-a-Si:H) se depositan en la parte frontal de la oblea de silicio monocristalino tipo N (c -Si), y luego se depositan una fina película de silicio amorfo intrínseco (i-a-Si:H) y una película de silicio amorfo de tipo n (n-a-Si:H) en la parte posterior de la oblea de silicio para formar un campo de superficie posterior. Al depositar películas transparentes de óxido conductor (TCO) en ambos lados de la celda a través de PVD, el TCO no solo puede reducir la resistencia en serie al recolectar corriente, sino que también desempeña un papel en la reducción de las reacciones. Finalmente, se fabrica el electrodo metálico sobre el TCO.
Fig.1 Diagrama esquemático de la estructura de la célula solar HJT.
El siguiente es un ejemplo de una ITO común.
1.Estructura cristalina de las películas ITO.
La película de óxido conductora transparente tiene la doble función de transparencia óptica y conductividad, desempeña un papel clave en la recopilación de portadores eficaces, puede reducir el reflejo de la luz, desempeña un buen papel en la captura de luz y es un buen material de capa para ventanas. Los ejemplos incluyen óxido de zinc (ZnO), óxido de indio (In2O3), óxido de estaño (SnO2), óxido de estaño dopado con F (FTO). En la actualidad existen numerosos estudios sobre óxidos metálicos dopados a base de In2O3, SnO2 o ZnO, especialmente el óxido de indio dopado con estaño (ITO) y el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO).
La película delgada de ITO es un semiconductor conductor transparente de banda ancha, compuesto de óxidos III.A y VI.A, el óxido de indio (In2O3) tiene 80 átomos en la celda unitaria, incluidos 32 de indio y 48 de oxígeno, la proporción es 2:3, el La densidad es de 7,12 g/cm3, su constante de red es a=1,0117 nm y la estructura cristalina se muestra en la Figura 2, en la que los átomos de indio ocupan el centro del cuerpo del cubo centrado en el cuerpo, seis átomos de oxígeno ocupan el ángulo del vértice del cubo centrado en el cuerpo, y la posición de la esquina del vértice restante es la vacancia de oxígeno. El dopaje de Sn (donante) en óxido de indio es la sustitución de la posición de In en la red cristalina. El óxido de indio y estaño (ITO) es un semiconductor de tipo n, en el que el contenido de estaño es generalmente del 10%, y la película de ITO es una película conductora transparente de óxido metálico semiconductor debido a un fuerte dopaje. La concentración de portadores de la película ITO es de aproximadamente 1020 cm-3, y tiene una alta movilidad de aproximadamente 15~45 cm2V-1·s-1 y una conductividad de 104 Ω-1·cm-1. Al mismo tiempo, las películas de ITO tienen un ancho de banda prohibida grande de 3,5 a 4,3 eV y su transmitancia promedio en la banda visible es superior al 80%.
Fig.2 In,O, diagrama esquemático de la estructura cristalina.
Dado que ITO es un semiconductor de banda prohibida ancha, el ancho de banda prohibida es mayor que la energía del fotón de la luz visible, por lo que cuando la luz visible irradia la película, la mayoría de los fotones la atravesarán; Por otro lado, la longitud de onda del plasma de ITO es cercana al infrarrojo, es decir, su frecuencia de plasma es menor que la de la luz visible y, por lo tanto, su absorción y reflexión de la luz visible es débil.
2.Propiedades eléctricas de las películas ITO.
El mecanismo de conducción de las películas delgadas de óxido de indio se debe principalmente a dos defectos en la estructura cristalina: defectos de impurezas y defectos intrínsecos. Entre ellos, el defecto de impureza es causado por el dopaje de átomos de estaño en el cristal, mientras que el defecto intrínseco es principalmente la deficiencia de oxígeno. Después de la incorporación de SnO2, el átomo de Sn tiende a ser una solución sólida a modo de Sn4++4e, y el ion Sn4+ ocupa la posición de In3+ en la red cristalina, para mantener la neutralidad eléctrica, la variable Sn4+ capturará una electrón y se convierte en Sn4+·e, es decir, Sn3+. La conexión entre este electrón y Sn3+ está débilmente unida y es fácil de perder, y este electrón es la principal fuente de portadores, y su conductividad se ve afectada principalmente por la concentración de electrones y la movilidad de los electrones en el semiconductor, por lo que los agujeros casi no tienen efecto sobre la conductividad de los semiconductores tipo n. La conductividad σ está representada por la ecuación (1),
g - Cargo del transportista; n - el monto del cargo del transportista; De un transportista de carga
Como puede verse en la fórmula anterior, la conductividad del material está determinada principalmente por la movilidad de los electrones y la concentración de portadores de la película. El movimiento de los portadores en el material es el resultado de la aceleración y la colisión continua del campo eléctrico, y los portadores en el cristal ideal no se ven obstaculizados por fuerzas externas, sino por los diversos defectos de impurezas en el cristal real y el átomo.La vibración en el cristal dispersará el movimiento de los portadores. Estos efectos de dispersión incluyen dispersión de impurezas, dispersión de red, dispersión de límites de grano, etc. Cuanto menor sea el efecto de dispersión, más rápida será la velocidad de movimiento del portador y mayor será la conductividad. Por el contrario, cuantos más obstáculos encuentren los portadores en el movimiento, más se bloquea continuamente su movimiento, se mejora el efecto de dispersión, se reduce la velocidad del portador y la conductividad de la película es menor. Además, cuando se excitan las vacantes de oxígeno formadas en la preparación de películas de ITO, pueden proporcionar dos electrones libres, que también pueden desempeñar un papel en el aumento de la concentración de portadores. Las películas de ITO suelen tener una alta conductividad debido a la alta concentración de portadores (aproximadamente 4×1020 cm-3) y la movilidad de los electrones (40 cm2V-1·s-1) al mismo tiempo.
3.Propiedades ópticas de las películas ITO.
Las propiedades ópticas de las películas conductoras transparentes son un indicador importante de si se pueden aplicar en la práctica. La transmitancia de la película está estrechamente relacionada con su banda prohibida. La banda prohibida se refiere a la parte del campo potencial periódico de la red que no se puede valorar, es decir, el área donde existe el valor de la energía prohibida. Cuando una película conductora transparente es irradiada por luz, los electrones de baja energía que contiene pasarán debido a la energía que obtienen, formando pares de electrones-huecos para completar la absorción de fotones, y el ancho de la banda prohibida tendrá un gran impacto en la Propiedades ópticas del semiconductor. El ancho de la banda prohibida depende principalmente de la composición atómica y del estado de enlace en la película, pero también se ve afectado por impurezas y defectos. Los defectos en el material y el dopaje externo pueden alterar significativamente la concentración de portadores y, por tanto, afectar la banda prohibida del material. Esto se muestra en la Figura 3. Eg y Eg' representan los anchos de banda prohibida de In2O3 e ITO respectivamente, y la banda prohibida óptica real de las películas de ITO suele ser mayor que la del In2O3 sin dopar. Por lo tanto, la amplia banda prohibida óptica de ITO es una condición necesaria para su uso como material de película delgada de alta transmitancia. El cambio de temperatura también tiene un cierto efecto sobre la transmitancia de la película de ITO, que ya es alta a temperatura ambiente, y la transmitancia de la película de ITO a la longitud de onda de 550 nm es más del 90%. Cuando la temperatura del sustrato es de 200 °C, la transmitancia de las películas de ITO aumenta ligeramente, principalmente debido a la reducción de la fase SnO en las películas de ITO, y las películas de ITO depositadas a 200 °C son policristalinas y los defectos de red en la película tienen menos efecto sobre la dispersión de fotones, lo que también puede aumentar la transmitancia óptica de las películas de ITO, como se muestra en la Figura 4.
Fig.3 Diagrama esquemático de los anchos de banda prohibida de In, 0 e ITO
Fig.4 Diagrama esquemático de los anchos de banda prohibida de In, o. e ITO
Dado que la banda prohibida de In2O3 > 3,5 eV y la energía promedio de los fotones visibles es de aproximadamente 3,1 eV, no puede causar excitación intrínseca bajo la irradiación de luz visible, por lo que tiene una alta transmitancia en el rango de luz visible. Hay tres tipos principales de procesos de absorción óptica de TCO, como se muestra en la Figura 5, y el principal proceso de absorción óptica de los materiales semiconductores es la absorción intrínseca. En general, el ITO tiene una mayor absorción en la región de longitud de onda corta, una mayor reflectividad en el rango de longitud de onda larga y la mayor transmitancia en el rango de luz visible. En el caso de un ITO de 100 nm, la transmitancia promedio en el rango de longitud de onda de 400-900 nm llega a ~90%.
Fig.5 Tres tipos de procesos de absorción de luz en TCO
1 Absorción intrínseca
La energía de los electrones en la banda de valencia es menor y la energía absorbida es menor.
Después de medir los fotones ≥ el ancho de la banda prohibida, los pares electrón-hueco se generan mediante la transición de la zona de valencia a la banda de conducción, lo que completa la absorción de fotones.
2 absorción de excitones
Cuando un fotón se irradia con energía. < la mitad del ancho de la banda prohibida
En el material conductor, los electrones excitados y los huecos están obligados a formar excitones en un espacio determinado bajo la influencia de la fuerza de Coulomb. Esta absorción
Acompañado de generación de excitones.
3 Absorción de impurezas
Es decir, los electrones y los seis vacíos en el nivel de energía de impureza son absorbidos.
Después de recolectar la energía del fotón, pasa al nivel de energía de la banda de conducción, y el agujero también puede absorber la energía del fotón, y la energía del fotón salta al nivel de energía de la banda de valencia, y este fotón es absorbido.
Esto se llama absorción de impurezas.
4.Propiedades eléctricas de las películas ITO.
Ya sea que las películas de ITO se utilicen como electrodos transparentes o capas antirreflectantes en células solares basadas en silicio, deben formar un buen contacto óhmico con el silicio. Es decir, un tipo especial de contacto de metal (o TCO) con el semiconductor, la característica principal es que el contacto del metal y el semiconductor presenta una pequeña resistencia, el contacto óhmico generalmente muestra queel contacto entre el metal y el semiconductor tiene características lineales I-V y su caída de voltaje puede ser insignificante. Diferentes mecanismos de transporte de portadores en contacto metal-semiconductor Si. En el contacto entre el metal y el semiconductor Si, hay tres formas principales para que los portadores sean transportados desde el semiconductor al metal cuando la polarización directa es positiva: (1) el mecanismo de emisión térmica de electrones: el electrón cruza la parte superior del la barrera semiconductora y emite térmicamente al metal; (2) Mecanismo de emisión de campo: los electrones en la banda de conducción del semiconductor atraviesan la barrera y entran en el metal con el efecto túnel de la mecánica cuántica; (3) Mecanismo de emisión del campo de electrones térmicos: los electrones con energía inferior a la parte superior de la barrera son excitados por energía a una región con una altura de barrera baja y una capa de agotamiento delgada, y tienen una cierta posibilidad de atravesar la barrera en la forma del efecto túnel. El mecanismo de transporte de los portadores tiene mucho que ver con la concentración de dopaje de Si, y los diferentes mecanismos de transporte de los portadores se muestran en la Figura 6 en el caso de metales y semiconductores tipo n. Sin embargo, en el contacto real, el transporte de los portadores no se completará con un solo mecanismo de transporte, por lo que a menudo hay un mecanismo de emisión de campo térmico de electrones en el mecanismo de emisión térmica de electrones, lo que hace que la corriente en el contacto sea diferente de la corriente en el contacto. corriente teórica del mecanismo de emisión térmica de electrones. Cuando la concentración de dopaje de los semiconductores es moderada, la emisión de un campo electrónico térmico se convierte en el principal mecanismo de transporte de portadores.
5. Las heterouniones se prepararon con TCO-PVD.
Las películas de TCO comúnmente utilizadas en las celdas HJT y que se han industrializado son las series In2O3, como ITO (In2O3 dopado con estaño, comúnmente utilizado para la pulverización catódica con magnetrón PVD), IWO (In2O3 dopado con tungsteno, comúnmente utilizado para la deposición de RPD), etc. y la comparación de procesos de PVD y RPD se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1 Comparación entre procesos PVD y RPD
PVD
Ventajas
3. El proceso de pulverización catódica es repetible y el espesor se controla con precisión.
4. Se pueden mezclar y pulverizar diferentes metales, aleaciones y óxidos sobre el sustrato al mismo tiempo.
5.El equipo tiene una gran capacidad y un bajo costo integral.
Desventaja
3. El costo de los materiales de destino es alto y algunos fabricantes extranjeros restringen el suministro de materiales de destino.
resumen
Es más adecuado para la producción en masa.
RPD
Ventaja
Defecto
3. La estabilidad del proceso es deficiente y no es adecuado para la producción a gran escala.
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