Pulsed laser deposition as a single deposition method for the fabrication of Cu(In,Ga)Se2-based solar cells: growth and characterization of the constituent layers

Abstract

Η ανάγκη για φιλικές προς το περιβάλλον πηγές ενέργειας είναι επιτακτική καθώς η περιορισμένη διαθεσιμότητα ορυκτών καυσίμων και οι επιβλαβείς επιπτώσεις των αερίων του θερμοκηπίου στο περιβάλλον είναι πλέον εμφανείς. Η άμεση μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική με τη χρήση φωτοβολταϊκής (PV) τεχνολογίας αναδεικνύεται ως η κύρια υποψήφιος για την παραγωγή πράσινης ενέργειας. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, έχει γίνει σημαντική προσπάθεια για την προώθηση της φωτοβολταïκής τεχνολογίας λεπτών ημενίων (thin film photovoltaics) «δεύτερης γενιάς», η οποία δεν απαιτεί τη χρήση χοντρών, άκαμπτων και ακριβών κρυσταλλικών υποστρωμάτων πυριτίου (Si). Τα ηλιακά κύτταρα λεπτών υμενίων έχουν προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον λόγω των υψηλών δυνατοτήτων στην απόδοση, της υψηλής αντοχής στην ακτινοβολία, της μείωσης βάρους και της εξοικονόμησης χώρου. Συγκεκριμένα, τα ηλιακά κύτταρα λεπτών υμενίων που βασίζονται στη χημική ένωση χαλκοπυρίτη Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) έχουν παρουσιάσει αυξημένες αποδόσεις, ειδικότερα μετά το 2014. Αποδόσεις ρεκόρ που φτάνουν έως και το 23,35% έχουν αναφερθεί από τη Solar Frontier το 2019 [1]. Το ηλιακό κύτταρο CIGS αποτελείται από πολλά στρώματα διαφορετικών υλικών και η απόδοση του κυττάρου επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από το κάθε στρώμα, καθώς και την αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Ένα τυπικό ηλιακό κύτταρο CIGS με εργαστηριακή απόδοση πάνω από 20% έχει την ακόλουθη διαμόρφωση: γυαλί ανθρακικού ασβεστίου (soda-lime glass) ως υπόστρωμα, υμένιο μολυβδενίου (Mo) ως πίσω μεταλλική επαφή εναποτιθέμενο με ιοντοβολή, φωτοαπορροφητικό στρώμα CIGS τύπου p εναποτιθέμενο με θερμική εξάχνωση πολλαπλών σταδίων, ενδιάμεσο στρώμα CdS τύπου n εναποτιθέμενο με χημικό λουτρό, διαφανές αγώγιμο παράθυρο τύπου n από ενδογενές ZnO και ντοπαρισμένο ZnO με αλουμίνιο (i-ZnO/ZnO:Al) εναποτιθέμενα με ιοντοβολή, μεταλλικό πλέγμα νικελίου/αλουμινίου (Ni/Al) και αντιανακλαστική επίστρωση MgF2 εναποτιθέμενα με θερμική εξάχνωση [2]. Επί του παρόντος, οι πολλαπλές τεχνικές εναπόθεσης (θερμική εξάχνωση, ιοντοβολή, χημικό λουτρό, σεληνισμός) και υψηλές θερμοκρασίες επεξεργασίας (πάνω από 500°C για τα υμένια CIGS υψηλής απόδοσης) που χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των διαφορετικών στρωμάτων του ηλιακού κυττάρου καθιστούν τη διαδικασία κατασκευής χρονοβόρα και ακριβή. Ως εκ τούτου, ο εντοπισμός μιας ενιαίας μεθόδου εναπόθεσης για την κατασκευή του λειτουργικού τμήματος του ηλιακού κυττάρου CIGS, που θα μειώσει τον χρόνο και το κόστος κατασκευής, είναι ιδιαίτερα επιθυμητός. Αυτή η διδακτορική διατριβή καταδεικνύει τη χρήση της μεθόδου εναπόθεσης με παλμικό λέιζερ (pulsed laser deposition, PLD) σε μια νέα διαδοχική διαδικασία για την κατασκευή της πολυστρωματικής δομής που περιεγράφηκε παραπάνω. Σε αυτή την εργασία, η προετοιμασία του λειτουργικού μέρους του ηλιακού κυττάρου CIGS (CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al) πραγματοποιήθηκε με χρήση PLD σε μία συνεχόμενη ακολουθία ανάπτυξης και σε θερμοκρασίες που δεν ξεπερνούν τους 300 °C. Ηλιακά κύτταρα CIGS με ψηλές αποδόσεις στην περιοχή 14-22% έχουν αναπτυχθεί με την χρήση πολλών διαφορετικών τεχνικών εναπόθεσης για το κάθε στρώμα, και μέχρι σήμερα δεν υπάρχει δημοσιευμένη αναφορά για την κατασκευή του ηλιακού κυττάρου CIGS στο σύνολό του με PLD. Έτσι, αυτή η διπλωματική εργασία αποτελεί μια καινοτόμο εφαρμογή του PLD στην κατασκευή ηλιακών κυττάρων CIGS λεπτών υμενίων. Σε αυτή τη διδακτορική εργασία, έχει πραγματοποιηθεί μια συστηματική διερεύνηση των επιμέρους στρωμάτων και των διεπαφών μεταξύ τους για τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων της πολυστρωματικής δομής. Κάθε κεφάλαιο είναι αφιερωμένο στη βελτιστοποίηση ενός στρώματος, ξεκινώντας από την εναπόθεση του στρώματος σε υποστρώματα SLG για την κατανόηση της επίδρασης των παραμέτρων εναπόθεσης PLD στις ιδιότητες του στρώματος. Στη συνέχεια, η βελτιστοποίηση του στρώματος με τα παρακείμενά στρώματα πραγματοποιείται μέσω μιας παραμετρικής διερεύνησης της θερμοκρασίας εναπόθεσης του αντίστοιχου στρώματος στην πολυστρωματική δομή που πραγματεύεται το κάθε κεφάλαιο. Οι ιδιότητες των επιμέρους στρωμάτων και οι διεπαφές τους εξετάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν χρησιμοποιώντας μια ευρεία τεχνικών για να εξασφαλιστεί η ολοκληρωμένη αξιολόγηση του κάθε στρώματος. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζεται μια επισκόπηση της τεχνολογίας ηλιακών κυττάρων CIGS, μαζί με τα κίνητρα και τους στόχους αυτής της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η θεωρία του φωτοβολταïκού φαινομένου. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφονται οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και χαρακτηρισμό των στρωμάτων και των ηλιακών κυττάρων. Το Κεφάλαιο 4 ασχολείται με τη βελτιστοποίηση του στρώματος CIGS και της πολυστρωματικής δομής CIGS/Mo/SLG. Τα κύρια ευρήματα του Κεφαλαίου 4 έχουν δημοσιευθεί σε επιστημονικό άρθρο [3]. Το Κεφάλαιο 5 είναι αφιερωμένο στη βελτιστοποίηση του στρώματος CdS και της δομής CdS/CIGS/Mo/SLG. Τα κύρια αποτελέσματα του Κεφαλαίου 5 έχουν δημοσιευθεί σε επιστημονικό άρθρο [4]. Το Κεφάλαιο 6 περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση των στρωμάτων ZnO και ZnO:Al και των πολυστρωματικών δομών ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG και ZnO:Al/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG. Οι βέλτιστες παράμετροι εναπόθεσης, που έχουν προκύψει από κάθε κεφάλαιο, έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή των ηλιακών κυττάρων CIGS με PLD σε μια συνεχόμενη και διαδοχική εναπόθεση των CIGS, CdS, ZnO και ZnO:Al σε υποστρώματα SLG επικαλυμμένα με Mo. Το Κεφάλαιο 7 ασχολείται με την κατασκευή και τη βελτιστοποίηση αυτών των ηλιακών κυττάρων CIGS με PLD. Στο Κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται μια σύνοψή των κύριων αποτελεσμάτων του κάθε κεφαλαίου και τέλος, το Κεφάλαιο 9 αναφέρει τις μελλοντικές δράσεις για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης των ηλιακών κυττάρων CIGS.

The need for environmentally friendly energy sources seems to be imperative as the limited availability of fossil fuels and the detrimental effects of greenhouse gases on the environment are becoming apparent. Harvesting solar energy by direct conversion of sunlight to electricity using the photovoltaic (PV) technology is emerging as a leading contender for next-generation green power production. Over the past two decades, there has been considerable effort in advancing thin film, “second-generation” technologies that do not require the use of thick, rigid, and expensive crystalline Si wafer substrates. Thin-film solar cells have attracted considerable interest due to high potential conversion efficiencies, high radiation resistance, weight reduction, and space savings. In particular, thin-film solar cells based on the chalcopyrite compound Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) have shown increased efficiencies, with a steeper increase since 2014. Record efficiencies reaching up to 23.35% have been reported by Solar Frontier in 2019 [1]. The CIGS cell consists of several layers of different materials and the cell efficiency is highly affected by each layer, as well as the interaction between them. A typical CIGS solar cell with laboratory efficiency over 20% has the following configuration: soda-lime glass as substrate, sputtered Mo as back contact, multi-stage co-evaporated CIGS as p-type absorber, chemical-bath-deposited CdS as n-type buffer layer, sputtered i-ZnO/ZnO:Al bilayer as transparent window, evaporated Ni/Al grid, and evaporated antireflective MgF2 coating [2]. Currently, multiple deposition techniques (thermal evaporation, sputtering, chemical bath deposition, selenization) and high processing temperatures (higher than 500°C for the highest efficiency CIGS films) are being used to grow the different layers in the stack, which makes the fabrication process time consuming and expensive. Therefore, identifying a single growth method for the fabrication of the functional part of the CIGS cell, which will reduce the fabrication time and cost, is highly desirable. This PhD thesis demonstrates the utilization of pulsed laser deposition in a novel sequential process for the fabrication of the multi-layer structure described above. In this work, the preparation of the functional part of the CIGS solar cell (CIGS/CdS/i-ZnO/ZnO:Al) was carried out by using PLD in one growth sequence and at temperatures lower than 300 °C. While several different growth procedures have been exploited for each constituent layer in developing CIGS solar cells with efficiencies in the range of 14-22%, up to now, no published report exists of using PLD for fabricating a CIGS cell in its entirety. Thus, this work constitutes an innovative application of PLD to the fabrication of thin-film CIGS solar cells. In this work, a systematic investigation of the individual layers and the interfaces between the dissimilar materials has been carried out to optimize the properties of the multi-layer structure. Each of the chapters 4,5 and 6 is dedicated to the optimization of each layer of the stack, starting from depositing each layer on bare SLG substrates to understand the impact of the PLD deposition parameters on the properties of the layer. The optimization of each layer with its adjacent layers is then performed through a parametric investigation of the deposition temperature of the corresponding layer on the multi-layer structure that each chapter deals with. The properties of the individual layers and their interfaces were examined in detail using a variety of techniques to ensure the comprehensive assessment of each layer. An overview of CIGS solar cell technology is presented in Chapter 1, along with the motivation and objectives of this PhD thesis. Chapter 2 presents the theory of the photovoltaic effect. Chapter 3 describes the techniques used to grow and characterize the layers and solar cells. Chapter 4 deals with the optimization of the CIGS layer and the CIGS/Mo/SLG multi-layer structure. The main findings of Chapter 4 are reported in a scientific publication [3]. Chapter 5 is dedicated to the optimization of the CdS layer and the CdS/CIGS/Mo/SLG stack. The results of Chapter 5 are reported in a scientific publication [4]. Chapter 6 involves the optimization of the ZnO and ZnO:Al layers and the ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG and ZnO:Al/ZnO/CdS/CIGS/Mo/SLG multi-layer structures. The optimum deposition parameters, which have been derived from the work reported in each chapter, have been used to fabricate the PLD-grown CIGS solar cells in a sequential deposition of CIGS, CdS, ZnO and ZnO:Al on Mo-coated SLG substrates. Chapter 7 deals with the fabrication and optimization of the PLD-grown CIGS solar cells. In Chapter 8, a summary of the main results of each chapter is presented and finally, Chapter 9 refers to the future actions for the optimization of the performance of CIGS solar cells.