THIN FILM SOLAR CELLS BASED ON COPPER-INDIUMGALIUM SELENIDE (CIGS) MATERIALS DEPOSITED BY ELECTROCHEMICAL TECHNIQUES

Abstract

The improvement of low cost, efficient photovoltaic devices is a leading technological challenge in the recent decade. There is a need to develop scalable and high-throughput manufacturing techniques that could reduce costs and improve manufacturing of chalcogenide solar cells. Copper, indium, gallium, and selenium (CIGS) Thin films polycrystalline heterojunction solar cells appear to be most appropriate with to cost and ease of manufacture. Currently Cu (In,Ga) (Se, S)2 materials hold the highest record cell efficiency of 22.3% in laboratory scale for thin films solar cells and the efficiency still be boosted by improving the different layers of the photovoltaic devices. CIGS chalcogenide absorber layers has been a leading candidate material in photovoltaic devices for thin films solar cells and space applications due to its unique optical-electronic properties as well as its radiation resistance. In the present work, thin films of Cu (In, Ga) (Se, S)2 were deposited at room temperature on glass substrates coated with ITO and Mo by electrodeposition techniques. The obtained polycrystalline thin films were characterized by UV-Vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis. Thin films of Cu (In, Ga) (Se, S)2 grown by electrodeposition were subsequently processed into several sets of conditions including vacuum heat treatment, heat treatment in the presence of selenium or sulfur, heat treatment in nitrous gas atmosphere (N2H2) at different temperature and processing times. To improve the composition and the crystalline structure of the thin layers and to optimize the electro-optical properties a heat treatment of the thin films was developed in two stages after the electrodeposition. It was observed that the first annealing step (heating treatment at 450 °C in a selenium atmosphere 40 minutes) produced an appreciable improvement in the crystalline structure in the thin layer composition. In a second stage a sulfurization of the CuGaSe2 films was performed at 400 °C for 10 min in the presence of molecular sulfur and under the forming gas atmosphere. The effect of sulfurization was the complete conversion of selenium to sulfur and, therefore, the transformation of CuGaSe2 into CuGaS2. The formation of CuGaS2 thin films was evidenced by the by the displacement of the diffraction peaks of the CuGaSe2 towards higher angles to which makes the X-Ray diffraction 18 pattern which makes it coincide with the diffraction pattern of the CuGaSe2 films, and by the shift towards the blue (higher energies) of the optical gap. The optical gap found for the CuGaSe2 layer was 1.66 eV, while the optical gap for the CuGaS2 was raised up to 2.2 eV. CdS thin films have been widely used as buffer layer in CIGS solar cells. However, when alloyed with Zn, ZnCdS can still improve its performance as buffer layer. ZnCdS can be used as buffer and as window material in photoconductive devices and in heterojunction thin film solar cells due the possibility to tune the bandgap with the content of Zn. The band spacing of this ternary material can be from 2.42 to 3.50 eV, depending on the Cd/Zn ratio.

La obtención de dispositivos fotovoltaicos más eficientes y de bajo coste es uno de los desafíos tecnológicos más importantes de las últimas décadas. Existe la necesidad de desarrollar técnicas de fabricación escalables y de alto rendimiento que puedan reducir los costos y mejorar la fabricación de células solares de capa fina. Las células solares de heterounión de capas finas de seleniuro (o sulfuro) de cobre, indio y galio (CIGS) parecen estar bien adaptadas lograr este reto debido a su bajo costo, facilidad de fabricación y elevado rendimiento de los dispositivos. En la actualidad, Cu(In, Ga)Se2 ostenta el record de eficiencia de células solares con 22,3% a escala de laboratorio y esta eficiencia todavía puede ser acrecentada si se mejoran las diferentes capas de los dispositivos fotovoltaicos. Además, las capas absorbedoras de calcogenuros CIGS son un material candidato importante en dispositivos fotovoltaicos para capas delgadas celdas solares para aplicaciones espaciales debido a sus propiedades electrónicas, así como a su resistencia a la radiación. En el presente trabajo, las películas delgadas de Cu(In, Ga)(Se, S)2 se depositaron a temperatura ambiente sobre sustratos de vidrio recubiertos con ITO y Mo mediante técnicas electroquímicas. Las películas finas policristalinas obtenidas se caracterizaron por espectroscopia óptica UV-Vis, difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de transmisión (TEM) y espectroscopia de energía dispersiva (EDS). Las películas finas de Cu(In, Ga)(Se, S)2 crecidas por electrodeposición se procesaron posteriormente en varios conjuntos de condiciones que incluían tratamiento térmico en vacío, tratamiento térmico en presencia de selenio o de azufre, tratamiento térmico en atmósfera gas nidrón (N2H2) a diferentes temperaturas y tiempos de procesado. Para mejorar la composición y la estructura cristalina de las capas finas y para optimizar las propiedades electro-ópticas se desarrolló un tratamiento térmico de las películas finas en dos etapas posterior a la electrodeposición. Se observó que la primera etapa de recocido (tratamiento térmico a 450 ºC en una atmósfera de selenio durante 40 minutos) producía una mejora apreciable en la estructura cristalina y en la composición de la capa fina. 20 En una segunda etapa se realizó una sulfuración de las películas de CuGaSe2 se realizó a 400 °C durante 10 min en presencia de azufre molecular y bajo la atmósfera reductora de gas nidrón. El efecto de la sulfuración fue la completa conversión del selenio en azufre y, por tanto, la transformación de CuGaSe2 en CuGaS2. La formación de películas delgadas de CuGaS2 se evidenció por el desplazamiento de los picos de difracción de las capas de CuGaSe2 hacia ángulos más altos hasta lo que hace que el patrón de difracción de rayos X lo que hace que coincida con el patrón de difracción del CuGaS2 y por el desplazamiento hacia el azul (energías más altas) del gap óptico. El gap óptico encontrado para las capas de CuGaSe2 era de 1,66 eV, mientras que el gap óptico para las capas de CuGaS2 se elevó hasta 2,2 eV. Las películas delgadas de CdS se han utilizado ampliamente como capa tampón en células solares CIGS. Sin embargo, cuando se alea con Zn, para formar el ternario ZnCdS, todavía puede mejorar su rendimiento como capa buffer. ZnCdS puede utilizarse como tampón y como ventana óptica en dispositivos fotoconductores y en células solares de capa fina de heterounión debido a la posibilidad de ajustar el bandgap con el contenido de Zn.

L'obtenció de dispositius fotovoltaics més eficients i més barats és un dels reptes tecnològics més importants de les últimes dècades. Hi ha la necessitat de desenvolupar tècniques de fabricació que siguen escalables i d'alt rendiment i que permeten reduir els costos de fabricació i millorar el rendiment de les cèl·lules solars de capa fina. Les cèl·lules solars de heterounió de capes fines de seleniur (o sulfur) de coure, indi i gal·li (CIGS) semblen estar ben adaptades per assolir aquest repte degut a del seu baix cost, facilitat de fabricació i elevat rendiment dels dispositius. En l'actualitat, el Cu(In, Ga)Se2 ostenta el rècord d'eficiència de cèl·lules solars amb 22,3% a escala de laboratori i aquesta eficiència encara pot ser augmentada si es milloren les característiques de les diferents capes dels dispositius fotovoltaics. Les capes absorbidores de calcogenurs CIGS són un candidat important per dispositius fotovoltaics per a pel·lícules primes en cel·les solars i aplicacions espacialles degut a les seues propietats electròniques així com a la seua resistència a la radiació. En el present treball, les pel·lícules primes de Cu(In, Ga)(Se, S)2 es van dipositar a temperatura ambient sobre substrats de vidre recoberts amb ITO i Mo mitjançant tècniques electroquímiques. Les pel·lícules fines policristal·lines obtingudes es van caracteritzar per espectroscòpia òptica UV-Vis, difracció de raigs X (XRD), microscòpia electrònica de rastreig (SEM), microscòpia de força atòmica (AFM), microscòpia electrònica de transmissió (TEM) i espectroscòpia d'energia dispersiva (EDS). Les pel·lícules fines de Cu(In, Ga)(Se, S)2 crescudes per electrodeposició es van processar posteriorment en diversos conjunts de condicions que incloïen tractament tèrmic en buit, tractament tèrmic en presència de seleni o de sofre, tractament tèrmic en atmosfera reductora de gas nidró (N2H2) a diferents temperatures i temps de processat. Per millorar la composició i l'estructura cristal·lina de les capes fines i per optimitzar les propietats electro-òptiques es va desenvolupar un tractament tèrmic de les pel·lícules fines en dues etapes posterior a la electrodeposició. Es va observar que la primera etapa de recuit (tractament tèrmic a 450 º C en una atmosfera de seleni durant 40 minuts) produïa una millora apreciable en l'estructura cristal·lina i en la composició de la capa fina. 24 En una segona etapa es va dur a terme una sulfuració de les pel·lícules de CuGaSe2 que es va realitzar a 400 °C durant 10 min en presència de sofre molecular i sota l'atmosfera reductora de gas nidró. L'efecte de la sulfuració va ser la completa conversió seleni en sofre i, per tant, la transformació de CuGaSe2 a CuGaS2. La formació de pel·lícules primes de CuGaS2 es va evidenciar pel desplaçament dels pics de difracció de les capes de CuGaSe2 cap angles més alts fins el que fa que el patró de difracció de raigs X el que fa que coincideixi amb el patró de difracció del CuGaS2 i pel desplaçament cap al blau (energies més altes) del gap òptic. El gap òptic trobat per a les capes de CuGaSe2 era de 1,66 eV, mentre que el gap òptic per a les capes de CuGaS2 es va elevar fins a 2,2 eV. Les pel·lícules primes de CdS s'han utilitzat àmpliament com a capa amortidora en cèl·lules solars de CIGS. No obstant això, quan s'alea amb Zn per formar ZnCdS encara pot millorar el seu rendiment com a capa d'amortiment. ZnCdS pot utilitzar-se com capa tampó i com a finestra òptica en dispositius fotoconductors i en cèl·lules solars de pel·lícula fina d'heterounió degut a la possibilitat d'ajustar el seu bandgap que depoen del contingut de Zn.