Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4599
Main Title: Preparation of ultra-thin CuIn 1-x Ga x Se 2 solar cells and their light absorption enhancement
Translated Title: Präparation von ultradünnen CuIn1-xGaxSe2 Solarzellen und deren verbesserter Lichtabsorption
Author(s): Yin, Guanchao
Advisor(s): Schmid, Martina
Reimers, Walter
Referee(s): Banhart, John
Reimers, Walter
Schmid, Martina
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: CuIn1-xGaxSe2 (CIGSe)-Solarzellen stammen aus dem Bereich der Dünnschichttechnologie und sind eine vielversprechende Alternative zu den herkömmlichen kristallinen Si Solarzellen. Einer der größten Bedenken bezüglich der Massenproduktion von CIGSe-Solarzellen ist die Verwendung des seltenen Elements Indium und der daraus resultierenden hohen Herstellungskosten. Um diese Kosten zu senken verfolgt man den Ansatz, die Dicke der CIGSe-Absorber von 2-3 um auf unter 500 nm zu reduzieren, jedoch haben diese ultra dünnen CIGSe-Solarzellen eine viel geringere Effizienz. Es wird angenommen, dass Rekombination und unvollständige Absorption die geringere Effizienz zu verantworten haben. Daher, konzentriert sich diese Arbeit im Wesentlichen darauf diese zwei Effekte zu minimieren. Eine Reduktion der Rekombination wird durch einen höheren Ga/[Ga+In] ([Ga]/[III]) Gradient an der Rückseite der Solarzelle erreicht. Um diesen [Ga]/[III]-Gradienten herzustellen, wird eine niedrige Substrattemperatur (440°C) anstatt einer sonst höheren Temperatur (über 500°C) für die CIGSe-Absorber Abscheidung verwendet. Es wurde herausgefunden, dass eine niedrigere Substrattemperatur die Interdiffusion von Ga-In reduziert und dies erzeugt ein höheren [Ga]/[III]-Gradienten verglichen mit einer hohen Substrattemperatur (610 °C). Außerdem wurde bewiesen, dass dieser hohe [Ga]/[III]-Gradient bei einen 460 nm dicken CIGSe Absorber sowohl elektrisch als auch optisch zu einer Verbesserung der Effizienz (um 17.8%) beiträgt verglichen mit einem geringeren [Ga]/[III]-Gradienten bei 610°C. Um die unvollständige Absorption, die durch die reduzierte CIGSe-Schichtdicke entsteht, zu überwinden, wird der Einbau von Strukturen, die das Licht einfangen, unentbehrlich. Die Effektivität dieser Strukturen wurde vor dem Einbau simuliert, um den experimentellen Aufwand zu reduzieren. Hierzu werden zunächst die optischen Konstanten von jeder Schicht benötigt. Um genaue optische Konstanten (n, k) oder den komplexen Brechungsindex n+ik zu erhalten, wurde die Transfer-Matrix Methode benutzt. Die Transfer-Matrix Methode berechnet die optischen Konstanten von jeder einzelnen Schicht mit einem Fokus auf CIGSe-Schichten, da diese weitgehend die optoelektronischen Eigenschaften der Solarzelle bestimmen. Insbesondere der Einfluss der Oberflächenrauheit und der Substrattemperatur wurden untersucht. In dieser Arbeit wird die TM-Methode modifiziert, um die skalare Streutheorie, welche die Streuung der Oberflächenrauhigkeit berücksichtigt, miteinzubeziehen. Es wird gezeigt, dass diese modifizierte Transfer-Matrix Methode die Genauigkeit der berechneten n Werte im Bereich kurzer Wellenlängen verbessert. Bezüglich der Wirkung der Substrattemperatur auf die optischen Konstanten, wird gezeigt, dass die Temperatur nur einen geringen Einfluss auf CGSe hat. Für CIGSe (x = 0.4) bleibt der Brechungsindex n für die Probe bei geringer Temperatur (440°C) relative unverändert, obwohl die Korngröße verringert wird, während das [Ga]/[III] Profil im Vergleich zu dem Profil bei hohen Temperaturen (610°C) verändert wurde. Im Gegensatz dazu zeigt der Extinktionskoeffizient bei 440°C eine höhere Absorption bei langen Wellenlängen wegen einer geringeren Bandlücke Eg,min , die aufgrund der reduzierten Interdiffusion von Ga-In entsteht. Unter Benutzung der Transfer-Matrix Methode wurde eine Datenbank mit optischen Konstanten von CIGSe und anderen Schichten in der Solarzelle, die in den Versuchen benutzt wurden, eingerichtet. Diese ist wird für optische Simulationen verwendet. Um die Absorption der ultradünnen CIGSe-Solarzellen zu verbessern, werden Ag-Nanopartikel unter einem Sn:In2O3 (ITO) Rückkontakt, dichtgepackte SiO2-Kugel-Arrays auf der Oberfläche und SiO2-Nanostrukturen an der Schnittstelle Mo/CIGSe verwendet. Bei der Untersuchung des Licht-Einfangs der Strukturen wurde herausgefunden, dass die ITO–Schicht die Diffusion der Ag-Partikel während der CIGSe-Abscheidung auch bei geringen Temperaturen (440 °C) nicht verhindert. Eine 50 nm dicke Al2O3 Schicht, die mit Atomlagenabscheidung (engl. atomic layer deposition (ALD)) hergestellt wurde, wurde verwendet, um die thermische Diffusion von Ag-Nanopartikeln zu verhindern. Theoretische optische Simulationen beweisen das Konzept, dass die Ag-Nanopartikel dazu in der Lage sind die effektive Absorption in der Solarzelle zu verbessern. Hinsichtlich der dichtgepackten SiO2-Arrays auf der Oberfläche, hat sich gezeigt, dass große Kugeln die Lichtabsorption bezüglich der Flüstermodi (engl. wispering gallery modes) dominieren und kleine Kugeln eine Antireflektionsschicht bilden. Da die Antireflektionswirkung breitbandiger als die Flüstermodi sind, wird die maximale Absorptionsverstärkung für kleine Kugeln bei einem Durchmesser von 110 nm erreicht. Experimentell ließ sich nachweisen, dass in einer Solarzelle mit einem 460 nm dicken Absorber die Photostromdichte um 2.17 mA/cm² steigt, bei Beschichtung mit 120 nm Durchmesser SiO2-kugeln. Dies stimmt sehr gut mit optischen Simulationen überein. SiO2-Nanostrukturen (205 nm Radius, 210 nm Höhe und 513 nm Abstand) an der Grenzfläche CIGSe/Mo sind in der Lage das nicht absorbierte Licht über Mie Resonanzen zurück in die CIGSe Schicht zu streuen. Simulationen bestätigen, dass dies zu einer signifikanten Verbesserung der Absorption in der CIGSe-Schicht führt. Die parasitäre Absorption der Mo-Schicht, die Hauptquelle für parasitäre Absorption in ultradünnen CIGSe Absorbern, wird erheblich reduziert. Experimentell konnt in Übereinstimmung mit den Simulationen die Effizienz von 11% auf 12.4% erhöht werden. Dies ist hauptsächlich auf die Photostromverbesserung von 28.6 mA/cm² auf 30.6 mA/cm² nach dem Einbringen der SiO2-Nanostrukturen in die 470 nm dicke CIGSe-Schicht zurück zu führen. Durch das weitere Aufbringen von SiO2-Kugeln auf der Oberfläche wird die Reflexion R Verringert und die Photostromdichte wird weiter auf 31.6 mA/cm² und die Effizienz auf 13.1% verbessert. Somit wird zum ersten Mal berichtet, dass die Photostromdichte 30 mA/cm² für ultradünne CIGSe Solarzellen überschritten wurde.
CuIn1-xGaxSe2 (CIGSe) solar cells are the promising thin-film candidates to compete with the dominant crystalline Si solar cells in the photovoltaic market. One of the major concerns in mass production is the consumption of the rare element Indium and the resultant high manufacturing cost. To achieve the goal of reduced consumption of Indium, one approach is to reduce the thickness of CIGSe absorbers from typical 2-3 μm to below 500 nm. However, the ultra-thin (CIGSe thickness less than 500 nm thick) CIGSe solar cells have failed to maintain their high performance compared to their thick counterparts. Back recombination and incomplete absorption are assumed to be the main reasons for this reduced performance. Therefore, the work in this thesis centers on improving the performance of the ultra-thin CIGSe solar cells by restraining back recombination and improving light absorption. A reduction in back recombination is achieved using a high back Ga/[Ga+In] ([Ga]/[III]) grading. To create a high back [Ga]/[III] grading, a low substrate temperature (440 °C) is employed for the CIGSe absorber deposition instead of the typical high temperatures above 500 °C. It is discovered that the low substrate temperature 440 °C can reduce the inter-diffusion of Ga-In and thus create a higher back [Ga]/[III] grading compared to the high substrate temperature of 610 °C. This higher back [Ga]/[III] grading is evidenced to both electrically and optically contribute to the efficiency enhancement (an increase of 17.8%) in contrast to the lower back [Ga]/[III] grading at 610 °C for the solar cells with a 460-nm-thick CIGSe layer. To overcome the incomplete absorption arising from the CIGSe thickness reduction, the implementation of light-trapping structures is indispensable. The effectiveness of these structures is simulated prior to the implementation in order to reduce the experiment effort. Towards this, optical constants of the layers in the solar cells are firstly required. For obtaining accurate optical constants (n, k) or complex refractive index , Transfer-Matrix (TM) method is applied to calculate the optical constants of the individual layer with a focus on CIGSe layers since they determine the optoelectronic properties of solar cells to a great extent. The influence of surface roughness and substrate temperature are particularly investigated. In this work, the TM method is modified to include scalar scattering theory for considering the scattering arising from surface roughness. It is shown that the modified Transfer-Matrix method improves the accuracy of n values in the short wavelength range. Regarding the effect of substrate temperature on the optical constants, it is shown that the temperature has little influence in CGSe. For CIGSe (x = 0.4), the refractive index n for the sample at low temperature (440 °C) stayed relatively unchanged, although the grain size was reduced and the [Ga]/[III] profile was altered compared to that at high temperature (610 °C). In contrast, the extinction coefficient (k) values at 440 °C show higher absorption at long wavelengths due to a lower minimum bandgap (Eg,min) originating from the reduced inter-diffusion of Ga-In. Finally, using TM method, a database of optical constants of CIGSe and other layers in the solar cells in the experiments is established and ready for the optical simulations. To enhance the absorption of ultra-thin CIGSe solar cells, metallic Ag nanoparticles under Sn:In2O3 (ITO) back contact, closely-packed SiO2 sphere arrays on the surface and SiO2 nanostructures at the interface of Mo/CIGSe, are investigated as the light-trapping structures. It is found that the ITO layer failed to block the diffusion of Ag during CIGSe deposition even at the low substrate temperature (440 °C). A 50-nm-thick Atomic layer deposited (ALD) prepared Al2O3 film is used to passivate the thermal diffusion of Ag nanoparticles. Theoretical optical simulations prove the concept that the Ag nanoparticles are able to greatly enhance the effective absorption in the solar cells. Regarding the closely-packed SiO2 sphere arrays on the surface, it is theoretically demonstrated that large spheres dominate the light absorption in terms of whispering gallery modes and small spheres by forming an effective anti-reflection layer. Due to the anti-reflection effect being more broadband than whispering gallery modes, the maximum absorption enhancement is achieved for the small sphere at a diameter size of 110 nm. Experimentally, the solar cells with a 460-nm-thick absorber gain a photocurrent density enhancement of 2.17 mA/cm2 after coating a 120-nm-diameter SiO2 sphere array, which agrees quite well with the theoretical simulations. SiO2 nanostructures (205 nm in radius, 210 nm in height and 513 nm in pitch) at the interface of CIGSe/Mo are able to scatter the unabsorbed light back into the CIGSe layer via Mie resonances. Simulations confirm that this leads to a significant absorption improvement in the CIGSe layer by reducing the parasitic absorption in Mo, which is considered to be the main parasitic absorption source in ultra-thin CIGSe solar cells. Experiments are in accordance with the simulations, the efficiency increase from 11.0% to 12.4% is mainly due to the photocurrent enhancement from 28.6 mA/cm2 to 30.6 mA/cm2 after incorporating SiO2 nanostructures for the solar cells with a CIGSe thickness of 470 nm. Further with the 120-nm-diameter SiO2 sphere array on the surface, R is restraint and the photocurrent density is further improved to 31.6 mA/cm2 and efficiency to 13.1%. This is the first time that the photocurrent current density is reported to exceed 30 mA/cm2 for ultra-thin CIGSe solar cells.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-69914
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4896
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4599
Exam Date: 23-Mar-2015
Issue Date: 10-Aug-2015
Date Available: 10-Aug-2015
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Ultra dünne CIGSe-Solarzellen
niedrige Substrattemperatur
Licht-Einfang der Strukturen
Ultra-thin CIGSe solar cells
low substrate temperature
light trapping structures
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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