Progress in photovoltaic cells based on Low-Temperature Pulsed-Electron-Deposited Cu(In,Ga)Se2 films

Lo scopo di questa tesi è migliorare l’efficienza di celle solari a film sottile basate su Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) cresciuto con deposizione da fasci elettronici pulsati (PED) a bassa temperatura (250°C) in un singolo processo. Questo obiettivo è stato perseguito ottimizzando sia il contenuto di sodio nello strato assorbitore che il materiale finestra. Zn(O,S) come strato buffer e ossidi trasparenti e conduttivi (TCO) come contatti posteriori sono stati studiati per realizzare celle solari prive di cadmio o dispositivi bifacciali. Per l’ottimizzazione dello strato assorbitore di CIGS, il drogaggio di sodio è stato controllato mediante deposizione di uno strato precursore di NaF molto sottile (4:8nm) e un lungo trattamento termico (fino a 80 minuti). I dispositivi sono stati poi terminati depositando con magnetron sputtering a radio frequenza uno strato resistivo di ossido di zinco intrinseco ed un contatto frontale di ossido di zinco drogato alluminio (AZO). Rispetto alle celle precedenti, in cui non vi era strato resistivo e l’AZO era depositato via PED, il nuovo strato finestra ha portato a celle solari con caratteristiche molto più uniformi. Le ottimizzazioni del contenuto di sodio e dello strato finestra hanno consentito di produrre celle solari con efficienza al 17%. Celle solari bifacciali a base CIGS sono state fabbricate con contatto posteriore costituito da TCO: AZO, ossido di indio-stagno (ITO) o ossido di stagno drogato fluoro (FTO). Sotto illuminazione frontale, i dispositivi con contatto posteriore di FTO si sono rivelati paragonabili al riferimento con contatto di Mo. Misure bifacciali hanno determinato efficienze equivalenti pari al 17%, dovute agli stessi Voc e FF ottenuti con illuminazione frontale e a Jsc pari alla somma delle Jsc frontale e posteriore. Celle solari su ITO sono state limitate da un basso FF dovuto ad una variazione del contenuto di Ga spontanea e pertanto non ottimizzata, mentre quelle su AZO hanno dato efficienze molto scarse. Riducendo lo spessore del CIGS si è incrementata sia la Jsc posteriore che quella bifacciale, ma Voc e FF sono stati limitati da una diminuzione della resistenza di cortocircuito apparentemente correlata alla deposizione di particolato durante il processo PED. Infine, uno strato buffer di Zn(O,S) via Atomic Layer Deposition (ALD) è stato studiato per fabbricare, interamente con metodi da vuoto, celle solari prive di Cd. Inizialmente, lo Zn(O,S) è stato testato su CIGS cresciuto da co-evaporazione termica in funzione di composizione e spessore. La ricetta ALD corrispondente a Zn(O,S) con S/[S+O]=0.38 e uno spessore di 40nm è risultata massimizzare sia il FF che la Voc, consentendo efficienze più elevate del riferimento con CdS grazie a maggiori Jsc. Lo stesso studio è stato poi ripetuto su CIGS ottenuto via PED con GGI=37.5% e GGI=30%. Per GGI=37.5%, lo Zn(O,S) ha dato una perdita di 10 punti in FF rispetto al CdS. Ciò è attribuito ad una nucleazione di Zn(O,S) più ricco in S che porta ad avere un gradino nelle bande di conduzione tra assorbitore e buffer, il quale blocca il passaggio degli elettroni. Con GGI=30%, invece, uno strato buffer di Zn(O,S) spesso 40nm e con S/[S+O]=0.38 ha consentito di ottenere miglior Voc e stesso FF del riferimento di CdS, e quindi un leggero incremento dell’efficienza. In tutte le celle solari realizzate con CIGS via PED e Zn(O,S), la Jsc è stata limita da una notevole riflessione della luce incidente, come evidenziato da misure di efficienza quantica (QE) esterna. Calcolando la QE interna si è determinato che applicando uno strato per ridurre la riflessione si potrebbe aumentare la corrente del 10%. I risultati esposti dimostrano le potenzialità della tecnica PED per la produzione di CIGS per celle solari. Infatti, efficienze del 17% sono state ottenute senza una voluta gradazione del contenuto di Ga, né applicando un trattamento superficiale di KF e in mancanza di un ricoprimento anti-riflessione.