Sodium doping, back interface modification and light trapping in bifacial semi-transparent ultrathin Cu(In,Ga)Se2 solar cells
Compared to the standard Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) solar cells with a 2-3 μm thick absorber, ultrathin CIGSe SCs with less than 500 nm absorber thickness have the advantages of highvolume efficiency and less raw materials consumption. However, the reduced thickness of CIGSe causes insufficient light absorption and hinders the achievement of high efficiency for the ultrathin solar cells. Light trapping nanoparticles (NPs) can increase light absorption in solar cells. In addition, if the opaque Mo back contact was replaced with a transparent conductive material, the NPs can trap the light incident from the front and rear side simultaneously, which results in a bifacial semi-transparent ultrathin (BSTUT) CIGSe solar cell. In2O3: Sn (ITO) has good conductivity and relative high transparency, which fits the requirements of the back contact for BSTUT CIGSe solar cells. This thesis optimizes the front and rear photovoltaic (PV) performance of the ITO-based BSTUT CIGSe solar cells under three aspects, namely Na doping, back contact interface modification and light management. Firstly, four different Na doping methods are compared to decide about the optimal strategy for ultrathin CIGSe on ITO substrates. The four methods are Na diffusion from soda-lime glass (SLG), a NaF precursor, NaF post-deposition treatment (PDT), and a NaF precursor combined with PDT. When comparing the PV performance of the samples with different Na incorporation methods, the solar cells with NaF PDT doping exhibit the maximum enhancement compared to the reference (Na-free solar cell). In addition, the NaF PDT dose is optimized in detail and the resulting samples are characterized with multiple methods to explore the working mechanism of NaF PDT and the potential efficiency of BSTUT CIGSe solar cells. The NaF PDT mainly increases the doping density NA in the CIGSe absorber and enlarges the contact potential difference VD at the CIGSe/CdS interface. The NaF PDT can also increase the recombination velocity Sb and reduce the effective back barrier ECIGSe/ITO at the CIGSe/ITO interface. Combining those two effects, the NaF PDT levels up the open circuit voltage Voc of the solar cells, even though the short circuit current density jsc is slightly decreased. We also verify this working mechanism of NaF PDT via SCAPS simulation. The average optimal efficiency Eff of the solar cells is 12.1% with 622 mV Voc, 29.6 mA/cm2 jsc, and 65.6% fill factor FF. Secondly, SiO2 point contacts are integrated at the CIGSe/ITO interface to modify the Sb at the back interface. For comparison, we use Mo back contacts as references for the SiO2 passivation effects. Consistent with our previous work, the point contacts increase the PV performance of the Mo-based solar cells. However, SiO2 passivation deteriorates the Voc of our ITO-based ultrathin CIGSe solar cells. SCAPS simulations suggest that the barrier height Eh at the CIGSe/ITO interface decides about the effect of passivation (decreasing Sb) of SiO2 for the ultrathin CIGSe SCs. According to the simulations, a decreasing Sb increases the effective barrier height Eh,e when Eh > 0.17 eV (Schottky-like contact), which means passivation is detrimental for the Voc of the ultrathin CIGSe solar cells. The CIGSe/ITO interface is a Schottkylike contact, so the SiO2 point contacts decrease the performance of the ITO-based BSTUT CIGSe solar cells. On the contrary, a decreasing Sb increases the collection efficiency of photogenerated carriers when Eh < 0.17 eV (quasi-Ohmic contact), so passivation benefits the solar cells. The decreased Sb increases the Eh,e slightly, but the overall Eh is small for the solar cells with a quasi-Ohmic contact. The improved collection efficiency of the photogenerated carriers dominates the passivation effects and benefits the Eff of the solar cells. The CIGSe/Mo interface reveals a quasi-Ohmic back contact, so the passivation increases the Eff of Mo-based ultrathin CIGSe SCs. Thirdly, the front and rear efficiency of BSTUT CIGSe solar cells are optimized using different substrates (SLG and alkali-free pgo glass), ITO thicknesses (100-400 nm) and various NaF PDT doses (0-8 mg). SLG-based solar cells show better front PV performance due to the extra incorporation of Na in the CIGSe co-evaporation process. However, solar cells on pgo glass show higher efficiency under rear illumination because alkali-free glass has a higher transparency than SLG, especially in the long wavelength range. The thicker ITO increases both the front and rear Voc of the solar cells due to the Burstein-Moss shift in the ITO layer, which decreases the valence band offset ∆Ev at the CIGSe/ITO interface. However, the rear Eff is evened for solar cells on different thicknesses of ITO because thicker ITO also induces more sever parasitic absorption and leads to a lower rear jsc. For BSTUT CIGSe solar cells with different NaF PDT doses, the rear PV performance trend is similar to the one under front illumination. The solar cell with the optimal conditions (300 nm ITO, 4 mg NaF PDT) achieves 11.8% front Eff and 6.4% rear Eff. Fourthly, SiO2 nanoparticles (NPs) are inserted at the CIGSe/ITO interface to enhance the overall light absorption of BSTUT CIGSe solar cells. The NPs induce waveguide modes and enhance front and rear absorption in the ultrathin CIGSe layer. The NPs also induce jet-like forward scattering, which further increases the collection efficiency of photogenerated carriers under the rear illumination. Compared to the references, the front jsc increases by 4.1-4.4 mA/cm2 and the rear jsc by 6.4-7.4 mA/cm2 for the BSTUT CIGSe solar cells with SiO2 NPs. The front and rear Voc gain of the solar cells with NPs can be quantitatively estimated by the relation between jsc and Voc, which means the passivation effects of the SiO2 NPs are trivial compared to the dominating light trapping effects. Compared to state-of-the-art Mo-based ultrathin CIGSe solar cells (15%), our BSTUT CIGSe solar cells still have room for performance improvement, especially in Voc. The record Voc is 733 mV for Mo-based and 635 mV for our ITO-based ultrathin CIGSe SCs. For the jsc, however, the record-high jsc is 26.4 mA/cm2 for Mo-based and 31.1 mA/cm2 (front illumination) for our ITO-based SCs with light trapping SiO2 NPs, which shows an advantage of the BSTUT CIGSe solar cells. The bifacial Eff is 15.0% from summing up 100% front and 30% rear Eff of our best solar cell, which is close to the 15.2% record of the Mo-based ultrathin CIGSe solar cells. The findings in this thesis can help exploit solar energy with higher efficiency and lower fabrication cost. A summary and outlook will be presented at the end about how the efficiency of BSTUT CIGSe SCs could be further optimized.
Im Vergleich zu Standard-Cu(In,Ga)Se2-(CIGSe-)Solarzellen mit einer Absorberdicke von 2 bis 3 μm bieten ultradünne CIGSe-Solarzellen mit einer Absorberdicke von weniger als 500 nm die Vorteile einer hohen Volumeneffizienz und eines geringeren Rohstoffverbrauchs. Die geringere Dicke des CIGSe führt jedoch zu einer verminderten Lichtabsorption und verhindert das Erreichen hoher Wirkungsgrade der ultradünnen Solarzellen. Nanopartikel (NP), die das Licht einfangen, können die Lichtabsorption in den Solarzellen erhöhen. Wenn der undurchsichtige Mo-Rückkontakt zusätzlich durch ein transparentes, leitfähiges Material ersetzt wird, können die NP gleichzeitig das von der Vorder- und Rückseite einfallende Licht einfangen. Dadurch entsteht eine bifaciale, halbtransparente, ultradünne (engl. bifacial semi-transparent ultrathin, BSTUT) CIGSe-Solarzelle. In2O3: Sn (ITO) besitzt eine gute Leitfähigkeit und eine relativ hohe Transparenz, was den Anforderungen an den Rückkontakt für BSTUT CIGSe-Solarzellen entspricht. In dieser Arbeit wird die photovoltaische (PV-) Leistung bezogen auf Vorder- und Rückseitenbeleuchtung der ITO-basierten BSTUT CIGSe-Solarzellen unter drei Gesichtspunkten optimiert: Na-Dotierung, Veränderung der Grenzfläche zum Rückkontakt und Lichtmanagement. Zunächst werden vier verschiedene Na-Dotierungsmethoden untersucht, um die optimale Strategie für ultradünnes CIGSe auf ITO-Substraten zu finden. Bei den vier Methoden handelt es sich um NaDiffusion aus Natron-Kalk-Glas (engl. soda-lime glass, SLG), einen NaF-Vorläufer, NaFNachbehandlung (engl. post-deposition treatment, PDT) und eine Kombination aus NaF-Vorläufer plus PDT. Beim Vergleich der PV-Leistung der Proben mit verschiedenen Methoden des Na-Eintrags stellen wir fest, dass die Solarzellen mit NaF-PDT-Dotierung die maximale Verbesserung im Vergleich zur Referenz (Na-freie Solarzelle) aufweisen. Anschließend wird die NaF-PDT-Dosis im Detail optimiert und die Proben mit mehreren Methoden charakterisiert, um den Wirkmechanismus des NaF-PDT und die mögliche Effizienz von BSTUT-CIGSe-Solarzellen zu erforschen. NaF-PDT erhöht hauptsächlich die Dotierkonzentration NA im CIGSe-Absorber und vergrößert die Kontaktpotentialdifferenz VD an der CIGSe/CdS-Grenzfläche. NaF-PDT kann auch die Rekombinationsgeschwindigkeit Sb erhöhen und die effektive Rückbarriere ECIGSe/ITO an der CIGSe/ITO-Grenzfläche verringern. Durch die Kombination dieser beiden Effekte erhöht das NaF-PDT die Leerlaufspannung Voc der Solarzellen, obwohl die Kurzschlussstromdichte jsc leicht abnimmt. Dieser Wirkmechanismus des NaF-PDT wird abschließend auch durch SCAPS-Simulationen verifiziert. Der durchschnittliche optimale Wirkungsgrad Eff der Solarzellen beträgt 12,1% mit 622 mV Voc, 29,6 mA/cm2 jsc und 65,6% Füllfaktor FF. Als Zweites werden SiO2-Punktkontakte an der CIGSe/ITO-Grenzfläche eingefügt, um Sb an der rückseitigen Grenzfläche zu verändern. Zum Vergleich verwenden wir Zellen mit Mo-Rückkontakt als Referenz für die SiO2-Passivierungseffekte. In Übereinstimmung mit unseren früheren Arbeiten erhöhen die Punktkontakte die PV-Leistung der Mo-basierten Solarzellen. Die SiO2-Passivierung verschlechtert jedoch die Leistung unserer ultradünnen CIGSe-Solarzellen auf ITO-Basis. SCAPSSimulationen deuten darauf hin, dass die Barrierehöhe Eh an der CIGSe/ITO-Grenzfläche über die Wirkung der SiO2-Passivierung (abnehmendes Sb) bei den ultradünnen CIGSe-Solarzellen entscheidet. Den Simulationen zufolge erhöht ein abnehmendes Sb die effektive Barrierehöhe Eh,e, wenn Eh > 0,17 eV (Schottky-ähnlicher Kontakt), was bedeutet, dass die Passivierung für den Voc der ultradünnen CIGSe-Solarzellen nachteilig ist. Die CIGSe/ITO-Grenzfläche ist ein Schottky-ähnlicher Kontakt, so dass die SiO2-Punktkontakte die Leistung der ITO-basierten BSTUT-CIGSe-Solarzellen verringern. Im Gegensatz dazu erhöht ein abnehmendes Sb die Sammlungseffizienz von photogenerierten Ladungsträgern, wenn Eh < 0,17 eV (quasi-Ohmscher Kontakt), so dass die Passivierung den Solarzellen zugutekommt. Das verringerte Sb erhöht Eh,e leicht, aber das Gesamt-Eh für Solarzellen mit einem quasi-ohmschen Kontakt ist gering. Die verbesserte Sammlungseffizienz der photogenerierten Ladungsträgern dominiert die Passivierungseffekte und wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Solarzellen aus. Die CIGSe/Mo-Grenzfläche offenbart einen quasi-Ohmschen Rückkontakt, so dass die Passivierung die Effizienz der ultradünnen CIGSe-Solarzellen auf Mo-Rückkontakt erhöht. Als Drittes wird der vorder- und rückseitige Wirkungsgrad von BSTUT-CIGSe-Solarzellen unter Verwendung verschiedener Substrate (SLG und alkalifreies pgo-Glas), ITO-Dicken (100-400 nm) und NaF-PDT-Dosen (0-8 mg) optimiert. Solarzellen auf SLG-Basis zeigen aufgrund der zusätzlichen Integration von Na in den CIGSe-Co-Verdampfungsprozess eine bessere PV-Leistung bei Beleuchtung von der Vorderseite. Solarzellen auf alkalifreiem (pgo) Glas hingegen zeigen eine höhere Effizienz bei rückseitiger Beleuchtung, da dieses Glas insbesondere im langenwelligen Bereich eine höhere Transparenz als SLG aufweist. Das dickere ITO erhöht sowohl den vorder- als auch den rückseitigen Voc der Solarzellen aufgrund der Burstein-Moss-Verschiebung in der ITO-Schicht, die den Valenzbandversatz ∆Ev an der CIGSe/ITO-Grenzfläche verringert. Allerdings ist die rückseitige Eff bei Solarzellen mit unterschiedlich dicken ITO-Schichten ausgeglichen, da dickeres ITO auch eine stärkere parasitäre Absorption bewirkt und zu einem niedrigeren rückseitigen jsc führt. Bei BSTUT-CIGSeSolarzellen mit unterschiedlichen NaF-PDT-Dosen ist der Trend der rückseitigen PV-Leistung ähnlich wie bei der Vorderseitenbeleuchtung. Die Solarzelle mit den optimalen Bedingungen (300 nm ITO, 4 mg NaF PDT) erreicht eine vorderseitige Effizienz von 11,8 % und eine rückseitige von 6,4 %. Zuletzt werden zur Verbesserung der Gesamtlichtabsorption von BSTUT-CIGSe-Solarzellen SiO2- Nanopartikel (NP) an der CIGSe/ITO-Grenzfläche eingefügt. Die NP induzieren Wellenleitermoden und verstärken vorder- und rückseitige Absorption in der ultradünnen CIGSe-Schicht. Die NP induzieren auch eine Jet-artige Vorwärtsstreuung, die weiterhin die Sammlungseffizienz der photogenerierten Ladungsträger bei rückseitiger Beleuchtung erhöht. Im Vergleich zu den Referenzen erhöht sich für die BSTUT-CIGSe-Solarzrellen mit SiO2-NP der vorderseitige jsc um 4,1-4,4 mA/cm2 und der rückseitige jsc um 6,4-7,4 mA/cm2 . Die vorder- und rückseitige Voc-Verstärkung der Solarzellen mit NP kann quantitativ abgeschätzt werden durch Voc = (nkT/q)*ln(jsc/j0+1), was bedeutet, dass die Passivierungseffekte der SiO2-NP im Vergleich zu den dominierenden Effekten des Lichteinfangs trivial sind. Im Vergleich zu den aktuellen ultradünnen CIGSe-Solarzellen auf Mo-Basis (15 %) sind unsere BSTUTCIGSe-Solarzellen noch verbesserungswürdig in der Leistungsfähigkeit, insbesondere was Voc betrifft. Der Rekord-Voc beträgt 733 mV für Mo-basierte und 635 mV für unsere ITO-basierten ultradünnen CIGSe-Solarzellen. Der jsc-Rekord liegt jedoch bei 26,4 mA/cm2 für Mo-basierte und 31,1 mA/cm2 (Vorderseitenbeleuchtung) für unsere ITO-basierte Solarzellen mit lichteinfangenden SiO2-NP, was einen Vorteil der BSTUT-CIGSe-Solarzellen zeigt. Der bifaciale Wirkungsgrad beträgt 15,0 %, wenn wir 100 % Vorderseiten- und 30 % Rückseiten-Effizienz unserer besten Solarzelle aufaddieren, was nahe bei den 15,2 % Rekordeffizienz der ultradünnen CIGSe-Solarzellen auf Mo-Basis liegt. Die Ergebnisse dieser Arbeit können dazu beitragen, die Solarenergie mit höherem Wirkungsgrad und niedrigeren Herstellungskosten zu nutzen. Am Ende werden eine Zusammenfassung und einen Ausblick auf weitere Optimierungsmöglichkeiten von BSTUT-CIGSe-Solarzellen gegeben.
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