Solar cells based on CdTe thin films (Part II)

Т.М. Мазур; М.П. Мазур; І.В. Вакалюк

doi:10.15330/pcss.24.1.134-145

Автор(и)

Т.М. Мазур Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, Україна
М.П. Мазур Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, Україна
І.В. Вакалюк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.134-145

Ключові слова:

сонячні елементи, тонкі плівки, CdTe, фоточутливість, гетероструктури

Анотація

У роботі проведено дослідження щодо використання напівпровідникових сонячних елементів (СЕ) на основі тонкоплівкового телуриду кадмію (CdTe) в сучасній енергетиці. Проаналізовано переваги та недоліки використання СЕ на основі тонких плівок CdTe, а також приведено аргументи на користь впровадження технологій масового виробництва CdTe сонячних модулів, які можуть конкурувати з кремнієвими аналогами за компромісних значень ефективності та вартості. Описано фізико-хімічні властивості бінарної системи Cd-Te та вказано зв'язок між фізичними, хімічними, електричними та оптичними властивостями CdTe, що робить його привабливим для використання у тонкоплівкових СЕ. Особлива увага приділяється дослідженню фоточутливості, яка є важливим параметром у визначенні фотопровідності, та обговорюються переваги і недоліки фоточутливості плівок CdTe. Розглянуто тонкоплівкові гетероструктури (ГС) CdTe, які є важливими компонентами сучасних сонячних батарей, та описуються їх основні переваги та недоліки. Аргументується, що прості способи виготовлення та формування ГС, які не потребують складного та дорогого обладнання, є важливою перевагою технології СЕ на основі CdTe.

Посилання

M.A. Green, E.D. Dunlop, J. Hohl‐Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, & A.W. Ho‐Baillie, Solar cell efficiency tables (Version 55),Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 28(1), 3 (2020); https://doi.org/10.1002/pip.3228.

T.M. Mazur, V.V. Prokopiv, M.P. Mazur, U.M. Pysklynets, Solar cells based on CdTe thin films, Physics and chemistry of solid state, 22(4), 817 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.4.817-827.

L.A. Kosyachenko, & E.V. Grushko, Prospects for the Use of Thin-Film Cadmium Telluride in Solar Energetics, Ukr. Phys. Journ., Rev., 7(1), 3 (2012); http://archive.ujp.bitp.kiev.ua/files/reviews/7/1/r070101pu.pdf.

B.E. McCandless, CdTe solar cells: Processing limits and defect chemistry effects on open circuit voltage, MRS Online Proceedings Library, 1538(1), 249 (2013); https://doi.org/10.1557/opl.2013.1017.

M.A. Green, E.D. Dunlop, J. Hohl‐Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, & A. W. Ho‐Baillie, Solar cell efficiency tables (Version 55), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 28(1), 3 (2020); https://doi.org/10.1002/pip.3228.

M.A. Green, E.D. Dunlop, J. Hohl‐Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, &, H. Xiaojing, Solar cell efficiency tables (Version 59), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 30(1), 1062 (2021); https://doi.org/10.1002/pip.3506.

V.P. Makhniy, M.M. Berezovskiy, O.V. Kinzerska, M.P. Mazur, T.M. Mazur, V.V. Prokopiv, Prospects of using surface and barrier CdTe-diodes in solar energy, Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, 16(2), 42 (2019); https://doi.org/10.18524/1815-7459.2019.2.171227.

B. E McCandless, & J. R. Sites, Cadmium telluride solar cells, Handbook of photovoltaic science and engineering, 600 (2011); https://kashanu.ac.ir/Files/Content/Handbook.pdf.

D.V Korbutyak, S.V. Melnichuk, E.V Korbut, & M.M. Borisyuk, (2000). Cadmium telluride: impurity-defect states and detector properties.( Ivan Fedorov: Kyiv, 198 (2000)).

D.V. Korbutiak, O.V. Kovalenko, S.I. Budzuliak, S.M. Kalytchuk, I.M. Kupchak, Light-rectifying properties of quantum dots of semiconductor compounds A2B6, Ukrainian Physical Journal, 7(1), 95 (2012); http://archive.ujp.bitp.kiev.ua/files/reviews/7/1/r070103pu.pdf.

R. Grill, & A. Zappettini, Point defects and diffusion in cadmium telluride. Progress in crystal growth and characterization of materials, 48, 209 (2004); https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2005.06.001

V.V. Prokopiv, I.V. Horichok, V.V. Prokopiv, & L.V. Turovska. Point defects of Cadmium, Tin and Lead Tellurides. Ivano-Frankivsk, 248 p. (2016); http://hdl.handle.net/123456789/2541.

J. H. Greenberg, P–T–X phase equilibrium and vapor pressure scanning of non-stoichiometry in the Cd–Zn–Te system, Progress in crystal growth and characterization of materials, 47(2-3), 196 (2003); https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2005.02.001.

R. Fang, & R.F. Brebrick, CdTe I: Solidus curve and composition-temperature-tellurium partial pressure data for Te-rich CdTe (s) from optical density measurements, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 57(4), 443 (1996); https://doi.org/10.1016/0022-3697(95)00251-0.

D.Y. Goswami, S. Vijayaraghavan, S. Lu, & G. Tamm, New and emerging developments in solar energy, Solar energy, 76(1-3), 33 (2004); https://doi.org/10.1016/S0038-092X(03)00103-8.

H. Okamoto, & H. Okamoto, Phase diagrams for binary alloys, 314, Materials Park, OH: ASM international, (2000); https://www.asminternational.org/documents/10192/1849770/57751G_Frontmatter. pdf.

O. Knacke, & K. Hesselmann, Thermochemical properties of inorganic substances, Springer, (1991); https://worldcat.org/en/title/644053530.

T. Mazur, V. Prokopiv, L. Turovska, Quasi-chemistry of intrinsic point defects in cadmium telluride thin films, Molecular Crystals and Liquid Crystals, 671(1), 85 (2018); https://doi.org/10.1080/15421406.2018.1542088.

L. Tsakalakos, J. Balch, J. Fronheiser, B.A. Korevaar, O. Sulima, & J. Rand, Silicon nanowire solar cells, Applied physics letters, 91(23), 233117 (2007); https://doi.org/10.1063/1.2821113.

V.V. Prokopiv, O.B. Kostyuk, B.S. Dzundza T.M. Mazur, L.V. Turovska, O.M. Matkivskyi, M.V. Deychakivskyi, Electrical properties of CdTe thin layers, Physics and chemistry of solid state, 20(4), 372 (2019); https://doi.org/10.15330/pcss.20.4.372-375.

O. Madelung, (Ed.), Semiconductors: group IV elements and III-V compounds, Springer Science & Business Media, (2012); https://doi.org/10.1007/978-3-642-45681-7.

V. Prokopiv, I. Horichok, T. Mazur, O. Matkivsky, L. Turovska, Thermoelectric materials based on samples of microdispersed PbTe and CdTe, Proceedings of the 2018 IEEE 8th International Conference "Nanomaterials: Applications and Properties", NAP 2018, (2018); https://doi.org/10.1109/NAP.2018.8915357.

B. Naidych, T. Parashchuk, I. Yaremiy, M. Moyseyenko, O. Kostyuk, O. Voznyak, ... & L. Nykyruy, Structural and thermodynamic properties of Pb-Cd-Te thin films: Experimental study and DFT analysis, Journal of Electronic Materials, 50, 580-591 (2021); https://doi.org/10.1007/s11664-020-08561-5.

T. Mazur, M. Mazur, Thickness Dependence of the Kinetic Parameters in CdTe and PbTe Thin Films, Proceedings of the 2022 IEEE 12th International Conference "Nanomaterials: Applications and Properties", NAP 2022, (2022); https://doi.org/10.1109/NAP55339.2022.9934352.

T. Mazur, M. Slyotov, M. Mazur, O. Slyotov, Heterolayers of Hexagonal α-CdTe, Journal of Nano- and Electronic Physics, 14(5), 05029 (2022); https://doi.org/10.21272/jnep.14(5).05029.

R. Grill, J. Franc, P. Hoschl, I. Turkevych, E. Belas, P. Moravec, ... & K.W. Benz, High-temperature defect structure of Cd-and Te-rich CdTe, IEEE Transactions on Nuclear Science, 49(3), 1270 (2002); https://doi.org/10.1109/TNS.2002.1039650.

D.M. Freik, V.M. Chobanyuk, O.S. Krynytskyi, & I.V. Horichok, Photovoltaic trasformers of solar irradiation based on cadmium telluride. Part II. Achievements and State of Art. (Review). Physics and Chemistry of Solid State, 13(3), 744 (2012); http://page.if.ua/uploads/pcss/vol13/!1303-29.pdf.

T.M. Mazur, V.P. Makhniy, V.V. Prokopiv, M.М. Slyotov, Thermal annealing effect on optical properties of the cadmiun telluride films, Journal of Nano- and Electronic Physics. 9(5), 05047 (2017); http://doi.org/10.21272/jnep.9(5).05047.

S. H.Wei, S. B.Zhang, & A.Zunger, First-principles calculation of band offsets, optical bowings, and defects in CdS, CdSe, CdTe, and their alloys, Journal of applied Physics, 87(3), 1304 (2000); https://doi.org/10.1063/1.372014.

B. Dzundza, O. Kostyuk, & T. Mazur, Software and Hardware Complex for Study of Photoelectric Properties of Semiconductor Structures, IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, 635 (2019); https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783544.

H.S. Patel, J.R. Rathod, K.D. Patel, V.M. Pathak, Structural and surface studies of vacuum evaporated Cadmium Telluride thin films, American J Mater Sci & Tech, 1, 11 (2012); https://doi.org/10.7726/ajmst.2012.1002.

M.A. Green, K. Emery, D.L. King, S. Igari, & W. Warta, Solar cell efficiency tables (version 20), Progress in photovoltaics, 10(5), 355 (2002); https://doi.org/10.1002/pip.453.

L. Nykyrui, Y. Saliy, R. Yavorskyi, Y. Yavorskyi, V. Schenderovsky, G. Wisz, & S. Górny, CdTe vapor phase condensates on (100) Si and glass for solar cells. In 2017 IEEE 7th International Conference Nanomaterials: Application & Properties (NAP), 01PCSI26-1, IEEE (2017); https://doi.org/10.1109/NAP.2017.8190161.

T. Mazur, M. Slyotov, M. Mazur, V. Prokopiv, O. Kinzerska, O. Slyotov, Features of the cadmium chalcogenide substrates with surface nanostructure, Materials Today: Proceedings, (2021); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.112.

S. Chander and M.S. Dhaka, Effect of thickness on physical properties of electron beam vacuum evaporated CdZnTe thin films for tandem solar cells, Physica E, 84, 112 (2016); https://doi.org/10.1016/j.physe.2016.05.045.

P.K. Kalita, Temperature dependence of dc photoconductivity in CdTe thin films, Pramana, 60(6), 1247 (2003); https://www.ias.ac.in/public/Volumes/pram/060/06/1247-1257.pdf.

P.М. Gorley, V.P. Makhniy, P.P. Horley, Yu.V. Vorobiev and J. González-Hernández, Surface-Barrier Solar Cells Based On Monocrystalline Cadmium Telluride with the Modified Boundary, Solar Energy [Internet], (2010, Feb 1); http://dx.doi.org/10.5772/8061.

Mykhailo Slyotov, Tetiana Mazur, Volodymyr Prokopiv, Oleksii Slyotov, Myroslav Mazur, Sources of optical radiation based on ZnTe/ZnSe/ZnS heterostructures, Materials Today: Proceedings (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.476.

M.I. Elsmani, N. Fatima, M.P.A. Jallorina, S. Sepeai, M.S. Su’ait, N. Ahmad Ludin, M.A. Mat Teridi, K. Sopian, M.A. Ibrahim, Recent Issues and Configuration Factors in Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells towards Large Scaling Production, Nanomaterials, 11, 3186 (2021); https://doi.org/10.3390/nano11123186.

V.K. Kamble, & V.B. Pujari, Electrical and micro-structural properties of cadmium chalcogenides: A comparative study, Int. J. Emerg. Technol. Appl. Eng, 5, 172 (2015); https://api.semanticscholar.org/CorpusID:16313665.

J.N. Duenow, J.M.Burst, D.S. Albin, D. Kuciauskas, S.W. Johnston, R.C. Reedy, & W.K. Metzger, Single-crystal CdTe solar cells with Voc greater than 900 mV, Applied Physics Letters, 105(5), 053903 (2014); https://doi.org/10.1063/1.4892401.

M.O. Reese, C.L. Perkins, J.M. Burst, S. Farrell, T.M. Barnes, S.W. Johnston, & W. K. Metzger, Intrinsic surface passivation of CdTe, Journal of Applied Physics, 118(15), 155305 (2015); https://doi.org/10.1063/1.4933186.

T.M. Mazur, M.M. Slyotov, V.V. Prokopiv, O.M. Slyotov, M.P. Mazur, Light emitters based on II-VI chalcogenides with nanostructured surface, Molecular Crystals and Liquid Crystals, 752, 95 (2022); https://doi.org/10.1080/15421406.2022.2091276.

V.P. Makhniy, Influence of thermal annealing on physical properties of surface layers of monocrystalline cadmium telluride, Surface, X-rays, synchrotron and neutron investigation, 2, 108 (2007); https://naukarus.com/vliyanie-termicheskogo-otzhiga-na-fizicheskie-svoystva-poverhnostnyh-sloev-monokristallicheskogo-tellurida-kadmiya.

X. Mathew, L.A. Kosyachenko, V.V. Motushchuk, O.F. Sklyarchuk, Requirements imposed on the electrical properties of the absorbed layer in CdTe-based solar cells, J. Materials Science: Materials in Electronics, 18, 1099 (2007); https://doi.org/10.1007/s10854-007-9317-2.

Nowshad Amin, et al., Encyclopedia of sustainable technologies, 11, (2017); https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409548-9.10092-2.

L. Kosyachenko, Solar Energy, edited by R.D. Rugescu, Intech, Croatia, 105 (2010); https://cdn.intechopen.com/pdfs/8547/InTech-Chapter_download.pdf.

M. A.Green, E. D.Dunlop, J.Hohl‐Ebinger, M.Yoshita, N.Kopidakis, & A. W.Ho‐Baillie, Solar cell efficiency tables (Version 55), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 28(1), 3 (2021); https://doi.org/10.1002/pip.3228.