出典：vonardenne.biz
Photovoltaics International、Edition 44、2020年5月に最初に発行されました
アレクサンドロスクルス1、Darja Erfurt1、RenéKöhler2、マーティンダイマー2、EricSchneiderlöchner2&アンプ; Bernd Stannowski1
概要
シリコンヘテロ接合（SHJ）太陽電池技術は、24％を超える高い変換効率を備えた太陽電池の大規模生産にとって魅力的な技術です。 SHJ太陽電池の重要な要素の1つは、今日の&＃39;広く普及している不動態化エミッターおよびリアコンタクト（PERC）セル技術とは対照的に、透明導電性酸化物（TCO）の使用です。これは、パフォーマンスとコストだけでなく、機会を提供します。 この論文では、これらの側面について説明し、直流（DC）スパッタリングによって堆積された新しいTCOを使用することにより、コストを削減してセル効率を改善する可能性を示します。 リアジャンクションSHJセルの場合、そのようなTCOでのインジウムの使用を減らすか、回避することさえ可能であり、酸化インジウムベースのTCOの代替としてアルミニウムドープ酸化亜鉛（AZO）が考えられます。 SHJセルの市場浸透を促進する大規模な大量生産のための高性能TCOの利用可能性が要約されています。
TCO量産設備の例：VONARDENNEのXEA|nova L
前書き
不動態化エミッターおよびリアコンタクト（PERC）技術に基づくシリコン太陽電池は、大量生産で数ギガワットレベルに達し、変換効率（CE）は22％に達し、現在は23％に近づいています。 さらに高いCEの場合、不動態化された接点は次世代のセル技術と見なされます。 ここでは、シリコンヘテロ接合（SHJ）技術が有望な候補であり、開始ゲートを超えて競争しています。パイロットラインだけでなく大規模生産でも、フルサイズウェーハで23〜24％のCEがすでに実証されています[ 1]。 この技術を開拓したのはパナソニック（旧三洋電機）でしたが、その間、ヨーロッパのENEL GreenEnergyやHevelSolar、REC、Jinergy、GS-Solarなど、世界中のさまざまなプレーヤーが独自の生産ラインを構築してきました。アジアで。 SHJテクノロジーの主な利点は、Ballif etalによる最近の記事で説明されています。 [2]。 高いCEに加えて、SHJの主な利点は、両側を対称的に処理するために必要な4つの主要なステップのみを備えたリーン生産方式です。
1.ウェーハのウェットクリーニングとテクスチャリング。
2.プラズマ化学気相成長法（PECVD）によるa-Si：H堆積。
3.物理蒸着（PVD、通常はスパッタリング）による透明導電性酸化物（TCO）層の堆積。
4.シルバーグリッドのスクリーン印刷。
低温（& lt; 200°C）プロセスと対称的なデバイススタックにより、応力によるウェーハの曲げや亀裂を回避できます。つまり、薄いウェーハを利用できるため、材料のコストとエネルギーを節約できます。 SHJスタックは、両面セル設計で自然に発生します。 さらに、SHJセルの温度係数は現場で最も低く、通常は–0.28％/°Cです。 両面性と低温係数の組み合わせにより、PVシステムのエネルギー収量が増加します。
一方、SHJ技術の急速な普及を制限する要因のいくつかは、主にPECVD（PVDも含む）の比較的高い機器コストと、モジュール製造に適合したセル接触（標準的な高温なし）です。はんだ付け）。 低温硬化のため、標準のSiセルよりも多くのAgペーストが必要であり、導電率の低いフィンガーが生成されます。 ただし、これは相互接続のアプローチ、特にバスバーが使用されているかどうかによって異なります。 最後に、この論文でより詳細に説明するように、両側にTCO層をスパッタリングするためのターゲットが必要であり、これは通常使用される材料にとってコストがかかります。
酸化インジウム（In2O3）ITOと呼ばれるスズ（Sn）をドープしたものが、現在最も一般的に使用されているTCOです[3–5]。 この透明導電性酸化物は、フラットパネルディスプレイ（FPD）の大量生産でよく知られており、薄層の低抵抗率や可視範囲での十分な透明度など、適切な光電子特性を示します。 FPD製造の重要な考慮事項であるITOは、エッチング可能（堆積したままの状態）であり、150〜200°Cでの熱アニーリングによる固相結晶化後も長期間安定であるため、フォトリソグラフィーで処理できます。 一般に、ITOは、大面積に直流（DC）マグネトロンスパッタリングによって堆積されます。 DCスパッタリングは、最初はシリコン表面のパッシベーションにいくらかの損傷を与えますが、これは約200°Cの温度で完全にアニールされます。この温度は、スパッタリング中、またはスクリーン印刷後のAgペーストの硬化中に到達します。
FPDとは対照的に、TCOは、SHJセルの前面に適用する場合、追加の要件、つまり300〜1,100nmのより広い波長範囲での優れた透明性を満たす必要があります。 図1は、さまざまなTCO層の吸収スペクトルを示しており、短波長領域と長波長領域での寄生吸収の違いを示しています。 この低い吸収に加えて、nドープシリコン層とpドープシリコン層の両方、および金属グリッドとの低い接触抵抗が、両側のTCO層に必須です。 最後に、大事なことを言い忘れましたが、太陽電池のコスト制約は非常に厳しく、PVをテラワット規模で想定するには、インジウム（に）。 ただし、ほとんどのデバイス品質のTCOにはインジウムが含まれているため、後者の側面に対処することは依然として困難です。 1つのオプションは、このようなTCOの厚さを薄くすることです。これにより、理想的な光学（反射防止）性能を維持するために、2番目の層を堆積する必要があります。 これにより、プロセスステップの数が増え、プロセスの複雑さとコストが増加します。
このホワイトペーパーでは、SHJ太陽電池に組み込むためのTCOの最適化について説明します。 SHJセルでのアプリケーションへの適合性に関して、さまざまなTCOを評価およびベンチマークするためのメトリックが提示されます。 フロントTCOの光損失を低減するために、透明度の高い材料の使用が義務付けられています。 高い電荷キャリア移動度、通常& gt; 100 cm2/ Vsは、（一定の抵抗率で）キャリア密度の低減を可能にし、それによってフリーキャリア吸収（FCA）による光損失を低減します。
過去に、さまざまなドーピングを施した酸化インジウムをベースにしたさまざまな「高移動度」TCO材料が調査されてきました[6–13]。 これらはすべて、ガラス上のTCO層として優れた特性を示し、それらのほとんどは高CEでもあります。 しかし、対象となる製造は難しく、これらの材料の多くはコストが高くなります。
回転可能なターゲットからの大規模生産で処理できる新しいTCOが利用可能になり、高い移動度が得られ、高いCEを備えたSHJセルが生産されます。 インジウムを含まない低コストの代替品としてのAZOを高効率のSHJセルに実装できる状況については、後で説明します。 InベースとZnOベースのターゲットのコスト比較も提示されます。
図1.さまざまなタイプの厚さのTCO層の光吸収スペクトル
SHJ太陽電池のTCO
過去に、SHJ太陽電池で使用するためにいくつかのTCO材料が調査されてきました。 この実装の重要な要件は、200°C未満の処理温度での高い導電性と高い透明性（薄膜シリコンパッシベーション層の感度のため）、および隣接する層との良好な接触形成です[14]。
関連するTCOの中には、多結晶SnドープIn2O3（ITO）200°C未満の温度で成長し、約40cmの電子移動度（μe）に達します2/ Vs [3–5]は、SHJ太陽電池で幅広い用途があります。 チタン（Ti）[15,16]、ジルコニウム（Zr）[6,12,13]、モリブデン（Mo）[15,17–19]、タングステン（W）[ 10,11]、80cmを超えるμe値を生成21×1020〜3×1020cmの範囲の電荷キャリア密度（ne）での/ Vs-3.
これらの層は、マグネトロンスパッタリング、パルスレーザー蒸着（PLD）、およびDCアーク放電または反応性プラズマ蒸着（RPD）によるイオンプレーティングを介して蒸着できます。 これらの中で、スパッタリングは大量生産のための最も確立された方法です。 μe& gt; 100cmのさらに高い移動度2/ Vsは、固相結晶化（SPC）水素（H）ドープInで実現できます。2O3（IOH）[6–9]およびセリウム（Ce）ICeO：H [7]フィルム、1×1020<><>-3。 これらの膜は、アモルファスマトリックス内に低温で堆積され、その後150°Cを超える温度でアニールされます。これにより、大きな粒子が形成されるため、μe値が高くなります。
上で紹介したTCOは、その卓越した光電気性能のために魅力的ですが、これまで主にITOとIWO：Hが工業生産に参入しました。 ただし、インジウムの不足は、代替TCOの実装の動機です。 AZOには、より豊富な複合材料があるという利点があります。 高温& gt; 250°Cでスパッタされた数百ナノメートルの厚さのAZO層は、優れた光電子特性[20]と安定性[21]をもたらします。
対照的に、SHJセルに必要な200°C未満の温度で堆積された厚さ100 nm未満の薄層は、結晶構造が不十分であるため、20cm2 / Vs付近の移動度値が低くなり、長期安定性が低下します[22]。 ただし、SHJ太陽電池の安定性の向上は、アモルファス酸化ケイ素（a-SiO）を適用することで実証されています。2）キャッピング[23]。
μで示されるようにe得られた値、および処理条件に応じて、さまざまなTCOが広範囲の電子移動度を示します。 TCOシート抵抗（R▫）範囲は、表1に示すように分類できます。ここでは、キャリア濃度範囲1.5×1020<><>-3これは、低FCA、良好な導電性、隣接層との良好な接触形成、および反射防止特性のための75 nmTCO厚さを達成するための適切な妥協点を表しています。
SHJセル処理の対称性とキャリア寿命が非常に長い（n型）ウェーハの使用により、前面に面する接点（nまたはp）を自由に選択できます。 p接点（接合部）の位置は、高い透明度と低い直列抵抗Rの両方を得るためのフロントTCOの最適化に影響を与えます。sセルの[24–27]。 これを実証するために、図2は、すべてのRsの寄与が示されている、後部接合構成の両面および単面SHJ太陽電池の概略断面図を示しています。 Rs成分とSHJ太陽電池におけるそれらの寄与の詳細な分析は、Basset etal。にあります。 [25]およびWangetal。 [28]。 c-Siウェーハ内の電子の高い導電率、つまり密度と移動度は、n / TCO接点の非常に低い接触抵抗とともに、前面（「背面接合」）にあるn接点の選択に有利に働きます。横方向の電流輸送はウェーハによって大幅にサポートされているためです。 これにより、TCO（シート抵抗）の導電率要件が緩和され、最高の透明度に向けた最適化が可能になります。
セル設計における上記の自由の効果を説明するために、図3は、太陽電池から抽出された実験値とともに、シミュレーションされたRs曲線を、フロントTCOシート抵抗の関数としてのITOプロセス変動とともに示しています。 実験値はモデルの傾向を検証します[27]。 はっきりとわかるように、リアジャンクションの設計は、Siウェーハの電子伝導における横方向のサポートの恩恵を受けることにより、高抵抗TCOに利点をもたらします。 一方、フロントジャンクションの設計は、低抵抗率のTCO層に適しています。 この設計では、正孔よりも移動度が高い電子がウェーハの背面に移動するため、横方向のRsの寄与が低いことを利用しています（光生成は主に前面近くで発生します）。 横方向と横方向のRsの寄与の間のトレードオフにより、利用可能なTCOシート抵抗に応じて、どの太陽電池設計が最も適しているかが決まります。
R▫文献で報告され、表1で定義されているさまざまなTCOの範囲を、対応する色の濃淡とともに図3に示します。 Rが低いTCO▫（赤）はフロントジャンクションデバイスに実装するとより有益ですが、ミッドレンジRのTCOは▫（青）は、Rがsフロントジャンクションデバイスとリアジャンクションデバイスの違いはかなり小さいです。 対照的に、Rが高いTCO▫（灰色）は、リアジャンクション設計で実装すると明らかに有利です。 これは、たとえばAZOにとって有利であり、透明度は高いが導電性は低く、ITOリファレンスセルと同じSHJセル効率& gt; 23％を生成します[23]。 ヘルムホルツツェントラムベルリンでは、ITOベースとAZOベースの両方のフロントTCOを備えたSHJ太陽電池が、23.5％を超える認定CEを達成しています[29]。
いくつかの研究グループ[27,30]およびパイロット生産[31]で実証された、ウェーハ横方向輸送サポートを利用する別のアプローチは、寄生吸収を低減し、太陽電池CEを維持または改善するより薄いTCOを実装することです。 ただし、より薄いTCO層を実装するには、その上に2番目の層（たとえば、SiO）が必要です。2またはSi3N4–反射防止（AR）を最適に維持するため[32–34]。
セルスタックに実装されたときのさまざまなTCOの光学性能を正確に定量化する、つまり短絡電流密度（Jsc）、レイトレーシングソフトウェアツール（GenPro4 [35]）を使用したシミュレーションが実行されました。 Rsの増加とJscの減少の両方によるセルのTCO関連の電力損失を考慮して、図4に示すように、さまざまなTCO材料のベンチマークを行いました。この目的のために、CE=23.3の参照太陽電池JのTCO関連の損失なしで％が考慮されましたscおよびRs（FF）。 低Rの例としてIOH、ITO、AZOを検討した▫、mid-R▫と高R▫それぞれ政権。
標準の75nmの厚さ（「厚い」）と光学的に最適化されたより薄い（「薄い」）TCOの両方の実装が研究されました。 公正な比較のために（つまり、すべての場合に最適なARを維持するために）、すべてのセル（「厚い」および「薄い」TCO）はa-SiOで仕上げられました。2キャッピング層。 TCO / AgおよびTCO / Siインターフェースでの接触抵抗率は、3つのTCOすべてで（低く）等しいと想定されました。これはもちろん単純化です。 これについては後で説明し、Haschke etal。に示されています。 [36]。 最適化された層の厚さとシミュレーション結果の詳細については、Cruz etal。を参照してください。 [27]。
図4のグラフは、Jscの減少とRの増加によるTCO関連の電力損失を示しています。s、リアジャンクション（図4（a））およびフロントジャンクション（図4（b））デバイス用。 明らかに、IOHは、どちらの場合もその卓越した光電子特性のために、他の2つのTCOよりも優れています。 厚いITOとAZOを示す図4（a）では、導電率が低いAZOはITOよりも寄生吸収が低いため、材料はCE損失を補償します。 これをより薄いバージョンのTCOと比較すると、TCOの寄生吸収が減少した結果、CE損失がわずかに減少することがわかります。 ITOは、寄生吸収が比較的高いため、この間引きの恩恵を明らかに受けており、最終的にはAZOよりもわずかに優れたCEになります。 これは、改善された光学系を備えたより薄いTCOをリアジャンクション構成で実装でき、CEの観点から有益であることを示しています。
対照的に、図4（b）のフロントジャンクションの設計を見ると、高導電率IOHは、ウェーハによる横方向の輸送の寄与が低いことによる影響を受けないことがわかります。 ただし、導電率の低いITOとAZOは、抵抗損失を増加させます。 ITOの厚さを薄くしてもCEの利点はありませんが、AZOの場合は明らかに不利です。 高導電率TCO（ここでは例ではIOH）は、CE損失に大きな違いがなく、リアジャンクションとフロントジャンクションの両方の太陽電池構成に実装できると結論付けることができます。 ITOやAZOなどの導電率の低いTCOは、フロントジャンクション構成に存在する横方向のRが高くなるという問題があります。 リアジャンクション太陽電池のTCOを薄くすると、導電率の低いTCO（ここでは例ではAZO）であっても、TCOが特定の吸収しきい値を超える場合に有利です。 フロントジャンクションの設計では、薄くすることによるメリットはわずかであるか、AZOなどの導電率の低いTCOには不利になることさえあります。
産業用高機動性TCOの性能
大規模な大量生産で行われるように、チューブターゲットからのDCスパッタリングによって高速でスパッタされた高移動度TCOをテストするために、両面リアジャンクションSHJ太陽電池のフロントTCOにさまざまな材料が使用されました。 2種類の高移動度TCO、すなわちチタンドープ酸化インジウム（ITiO）と非公開ドーピングタイプ（「Y」）の酸化インジウムがテストされました。 さらに、さまざまなドーピング濃度のITOがテストされました。つまり、ターゲット（'97 / 3 '）に97％の酸化インジウムと3％の酸化スズが含まれ、ITO99 / 1が含まれています。 参考資料として、全セル裏面にITO97 / 3を実装しました。 前面と背面の両方にITO95 / 5を備えたセルのグループも含まれていました。
ガラス上の対応するテスト層は、周囲条件下で200°Cで30分間堆積およびアニーリングした後、36〜136Ωの範囲のTCOシート抵抗を示しました。これは、スクリーン印刷後に実行される硬化に匹敵します。 これは、前述のように、リアジャンクションSHJ太陽電池のフロントコンタクトとしての実装に適した範囲です（図3を参照）。 ただし、ガラス上に堆積されたTCO層は、太陽電池に必要なように、シリコン上に堆積された場合とは異なる特性（キャリア移動度）を示す可能性があることを考慮に入れる必要があります。 これは、2つの効果[29]に起因しています。（1）異なる結晶核形成、したがって粒子構造。 （2）シリコン層からTCOに拡散する異なる水素含有量。
ITiO層とY層は、最大90cm2 / Vsの高い移動度を示しますが、電荷キャリア密度が異なります。つまり、2×10です。20CM-3および〜0.8×1020CM-3それぞれ。 ITO97 / 3およびITO99 / 1フィルムの場合、移動度の値は低く、約60および70cmです。22.7×1020cmの電荷キャリア密度での/ Vs-3および1.8×1020CM-3それぞれ、測定されました。 電荷キャリア密度が非常に低いため、Yフィルムは近赤外領域で最も低い寄生吸収を示し（図1を参照）、この材料は最高のJscを達成するために最も有望であり、おそらく太陽電池で最高のCE。
ザ・I–V各テストグループのパラメータを図5に示します。すべてのセルは同等の開回路電圧（Voc）、中央値は737〜738mVの狭い範囲です。 これは、異なるスパッタ損傷のためにパッシベーションが劣化しなかったことを確認します。 予想通り、高い移動度のTCOを備えた太陽電池は最高のJをもたらしましたsc値、中央値39.0 mA / cm2および39.2mA / cm2それぞれITioとYの場合。 これは最大0.5mA / cmです2リファレンスITO97 / 3で達成されたものよりも高い。
高いにもかかわらずJscそして、良いですVocただし、値はYフロントコンタクトのセルでは最高の効率が得られませんでした。 22.9％の最高中央値CEはITO99 / 1で実際に得られましたが、23.3％の最高値のCEはITioを備えたセルで測定されました。 Yサンプルの場合のCEの低下は、FFの中央値が約77％と低いことに起因します。これは、Rsの値がかなり高いためです。 実際、Yフロントコンタクトを備えたセルは、1.3〜1.6Ωcmの最高中央値Rs値を生成します。2。 対照的に、Rs値の中央値は0.9Ωcmです。2ITO99 / 1セルの場合、中央値が大幅に高くなりますFF79.5％の。
表1.さまざまなTCOの電気的特性の比較。
図2.リアジャンクションシリコンヘテロ接合（SHJ）太陽電池の概略断面図：（a）両面セル設計。 （b）単面セルの設計。直列抵抗（Rs）コンポーネントが示されています。
図3.フロントジャンクションとリアジャンクションのSHJ太陽電池の直列抵抗とフロントTCOシート抵抗の関係。 曲線はシミュレーション結果を表し、ボックスはITO変動のある測定セルの結果を示しています。
低接触抵抗の重要性
（低いキャリア密度と）高い移動度のTCOを備えたセルの高い直列抵抗は、実際に取り組む必要のある側面です。 より正確には、Rの2つの主要コンポーネントsこれは、文献[37–40]で詳細に調査されているnおよびpドープシリコン接触層とのTCOの接触抵抗です。 nドープc-Siベースの太陽電池の場合、TCOとnドープSi層の接触抵抗は、Cox and Strack [41]や伝送などのさまざまな比較的単純な手法で特徴付けることができます。 -行[42]メソッド。 対照的に、PドープSi層とのTCOの接触抵抗（TCO / p）は、接合が形成されるため、アクセスがより困難です。 バセットらによって示されているように。 [21]およびWangetal。 [24]たとえば、Rの値を抽出するための簡単な方法sコンポーネントは、Rのすべてのアクセス可能なコンポーネントを導出することですs、そして残りの値はTCO / p接触抵抗であると結論付けられます。
接触抵抗率ρc詳細なバンドアライメントとバンドベンディング、および界面欠陥状態に依存します。 したがって、いくつかのパラメータ、特にドープされたSi層の活性化エネルギーと電荷キャリア密度だけでなく、両方の材料間の仕事関数の違いも重要です。 Procel etal。 [38]はそのρを示したcアモルファス層の代わりにナノ結晶シリコン層で得られるような、ドープされた層が低い活性化エネルギー値を示す場合、は最小になります。
さらに、TCOの電荷キャリア密度は1×10をはるかに超える必要があります20CM-3; これは、接点での正孔と電子の効率的な再結合が不可欠であるTCO / p接点にとって特に重要です。 TCO層の選択と最適化に関しては、neに最適なものを見つける必要があります。これは、十分に低いρを達成するために十分に高くなければなりません。cただし、同時に、寄生吸収（FCA）を制限するために、値をできるだけ低くする必要があります。
最近の実験では、キャリア密度の高いY層が選択されました。 図8は、プロセスを調整することで得られる特性を示しています。 実際、適応されたTCOの場合、セルFFは回復しましたが、Jがわずかに減少しました。sc追加のFCAのため。 全体として、CEは、図5の最良のグループで見られるレベルと同様のレベルまで増加しました。これは、レイヤーとインターフェイスのプロパティを注意深く調整することの重要性を示しています。
図4.（a）リアジャンクションおよび（b）フロントジャンクションSHJセルの電流密度関連の電力損失（Ploss J）および直列抵抗関連の電力損失（Ploss R）。 変換効率（CE）の損失値は、破線で示されています。 これらの損失は、（0,0）の紫色のひし形で表される23.3％CEの参照太陽電池に関連しています。 塗りつぶされた記号は75nmの厚さのTCO（標準）を表しますが、上部に反射防止コーティング（ARC）があり、白抜きの記号は、同じくARCを備えた薄い（最適化された）TCO層を表します。
産業面：目標コスト
結晶シリコンPV業界で使用されるTCOターゲットの一般的なタイプは、回転可能なターゲットです。これは、金属製のバッキングチューブに結合されたTCO材料の円筒形シェルです。 チューブが長いほど、チューブターゲットに使用するシェルを増やす必要があります。 業界がTCOのスパッタリングにこのタイプのターゲットを好む理由は、平面タイプのTCOターゲットよりもTCOターゲット材料の利用率がはるかに高いためです。 回転可能なターゲットで達成可能なターゲット材料の利用率は、通常80％以上です。 これは、インジウムベースのTCOなどのTCO材料が高価な場合に特に重要です。 結晶シリコンPV業界のTCOに関しては、インジウムベースのTCOが、その優れた層特性のために支配的です（前述のとおり）。 それにもかかわらず、一部の市場プレーヤーは、同じ目的で亜鉛ベースのTCOも提供しています。 実際、亜鉛ベースのTCOを使用することには長所と短所があります。 1つの利点は、インジウムベースのターゲットと同じ寸法の亜鉛ベースのチューブターゲットのコストが低いことです。一方、亜鉛の導電率が低いと、前述のように太陽電池の設計にいくつかの制約があり、図3で視覚化されます。
図6にcmあたりの具体的な目標コストを示します3亜鉛ベースのTCOおよびインジウムベースのTCOのチューブターゲットの数。 バッキングチューブのコストは目標コストから除外されていることに注意してください。 データポイントは、世界中のターゲットサプライヤーから収集されました。 亜鉛ベースのTCOのデータポイントの数が少ないのは、これまでの結晶シリコンPV業界で示されたその材料への関心の欠如に起因する可能性があります。
亜鉛グループ内とインジウムグループ内の材料が異なるため、またはサプライヤーが異なるため、目標コストにある程度のばらつきがあります。 両方のグループでより高い目標コストを示すデータポイントは、あまり一般的でない構成および/またはコストのかかる製造プロセスおよび/または高いマージンによって説明することができます。 両方のグループで観察された低コストのデータポイントは、年間数百のチューブターゲット需要がある太陽電池生産者の代表的なコスト値であるはずです。
両方のグループの最低値を比較すると、ZnベースのTCO（目標コストは約$ 0.6 / cm）であることがわかります。3）インベースのTCOの約4分の1の価格になる可能性があります（目標コスト〜$ 2.6 / cm3）。 ただし、これらのデータポイントは現状のスナップショットであり、原材料、特にインジウムに関する株式市場の変動性によっては、間もなく廃止される可能性があることを指摘しておく必要があります。
図5.さまざまな前面TCOと背面にITO97 / 3を備えた4cm2サイズの両面SHJ太陽電池のI–Vパラメーター。 HZBのチューブターゲットからDCスパッタされたITO95 / 5がリファレンスとして含まれています。
産業的側面：大量生産
運用費（OPEX）の向上を目的としてインジウムフリーのTCOを実装したいという願望に加えて、高品質のTCOコーティングを低コストで製造できる大量生産のスパッタリングツールを用意することが最も重要です。 図7は、VONARDENNEの生産性の高いXEA|nova Lスパッタリングシステムを示しています。これは、基本バージョンでは1時間あたり8,000 M6ウェーハのスループットで、アップグレードパッケージを使用することでさらに高いスループットでTCO層を堆積できます。 2019年に、XEA|nova機器は、ここで調査したものと同様のTCOフィルムを使用して、24％を超える最高のセル効率に達する工業製造ラインの一部になりました。
高スループットを達成するためには、TCO層の堆積速度を高くする必要があります。これは、チューブターゲットに高いDC電力を印加することで実現できます。 ただし、TCOをより高い電力密度で準備する場合は、TCOの特性を維持する必要があります。 図8は、TCOタイプ「Y」のセラミックチューブターゲットから4kWおよび8kWでスパッタリングされたTCOフィルムの電子移動度と電荷キャリア密度を示しています。 約80cmの高い可動性2/ Vsは、堆積後4kWの電力レベルで達成できます。 スパッタリングパワーを8kWに上げると、最大移動度が最大10％低下します。 移動度を100cmまでさらに上げることができるのは興味深いことです2/ Vs、図8に示すように、200°Cで30分間フィルムをアニーリングします。
図6.インジウムベースおよび亜鉛ベースのTCOのターゲット材料のcm3あたりの特定のターゲットコスト。
結論
SHJ太陽電池技術は、大規模生産でのシェアを拡大する上で重要な役割を果たしていることが実証されています。 これは、達成された非常に高い変換効率と無駄のない生産プロセスによるものです。
TCOの役割に関しては、SHJテクノロジーが太陽電池業界にさらに参入する可能性を高めるために、3つの側面に取り組む必要があります。
1.セルのパフォーマンスをさらに向上させます。これは、大量生産に適した高移動度のTCOを実装することで実現できます。 高移動度のTCOは高スループットでスパッタリングできることが示され、これらのTCOはSHJ太陽電池でテストされました。 このようなSHJセルのCEは高いですが、吸収が低く移動度が高いにもかかわらず、ITOフロントTCOが最高のリファレンスセルのCEよりも遅れています。これは、n-および/またはpドープシリコン接点。 これらのインターフェースでの抵抗損失をさらに低減し、それによって優れたTCO特性の利点を最大限に活用するには、TCOの微調整、接触層の実装、および/またはインターフェースの最適化に取り組む必要があります。
2.希少な（そして高価な）材料、特にインジウムの使用を減らします。材料費の節約を実現するための魅力的なオプションは、TCOの厚さを減らすことです。 これは、コストのかかる高導電性（高移動度）TCOでさらに魅力的です。 ただし、反射損失を減らすために、TCOの上に2番目の反射防止（キャッピング）層（ARC）を堆積するための別のプロセスステップが必要です。 あるいは、この論文に示されているように、低導電率TCO（与えられた例ではAZO）は、CEに妥協することなく後接合太陽電池に実装することができます。 これは、コストが関係する場合に関連性を獲得します。提示された分析では、ZnOベースのターゲットは0.6ドル/ cmでより低いコストを示しています3ターゲット材料の場合、2.6ドル/ cmと比較3インベースのターゲットの場合。 AZOの制限された安定性は、たとえば、誘電体層（a-SiO）でキャップすることによって対処できます。2またはa-SiNx).
3.PVD機器のコストを削減します。TCO生産ラインのスケーリングとスループットの向上は、DCスパッタリングが、高性能TCOの高スループット生産に対応できるようにするための方法です。
謝辞
＃0324293の下でのDynastoプロジェクトの枠組み内でのドイツ連邦経済エネルギー省（BMWi）による資金提供に感謝します。
図8.TCOタイプ「Y」のセラミックチューブターゲットから4kWおよび8kWでスパッタされた、堆積したままの状態で、周囲条件で200°Cで30分間アニーリングした後のTCO層の電気的特性。
謝辞
＃0324293の下でのDynastoプロジェクトの枠組み内でのドイツ連邦経済エネルギー省（BMWi）による資金提供に感謝します。
参考文献
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