Impact of Cesium Carbonate Doping and Heat-Light Soaking on Cu(In,Ga)Se2 Thin Film Solar Cell Performance

Abstract

The present work thoroughly analyzes and characterizes Cu(In,Ga)Se2 solar cells with CdS buffer layer, that were fabricated using a novel spin-coating CsCO3 solution PDT process. The solar cells were fabricated by Ishwor Khatri. In this work, the cells were treated by LS (Light Soaking), HS (Heat Soaking and HLS (Heat-Light Soaking) and characterized before and after these treatments. The characterization was performed using J-V and External Quantum Efficiency measurements. The Cs-solution process improved the basic parameters of CIGS solar cells, leading to an increase in VOC by ~100 mV and efficiency by ~3.1% in the twice spin-coated sample. EQE measurements showed improved absorption of photons and collection of carriers between 500nm and 1100nm, indicating reduced recombination losses in the absorber and possibly at the CIGS/CdS interface. Possible causes for these improvements include modification of the CIGS surface and reduction of deep-gap states in grain-boundaries.The light-soaking (LS) treatment performed for 1 hour did not result in any noticeable changes in the twice spin-coated samples. It is believed that this balance of detrimental and beneficial effects, including the increase of electrostatic fluctuations due to the redistribution of Cesium atoms and the increase of the diffusion length of the charge carriers, may have contributed to this outcome. To potentially achieve noticeable effects, it is suggested that the cells be left in the dark for a longer period to allow for a better redistribution of charges. The heat-soaking (HS) treatment done for 30 minutes at 75ºC in the twice spin-coated sample showed no significant changes. It is suggested that higher temperatures or longer exposure time be considered in future treatments to allow for passivation of defects, ionic substitution of lighter alkali atoms and activation of the conversion of the VSe-VCu defect complex.The effect of cumulative HLS from 75ºC to 145ºC on the non-treated and on the once Cs spin-coated CIGS samples was studied. Both samples showed a decrease of the VOC, an increase of the JSC with increasing temperature and no significant changes in the FF and Efficiency due to the large errors of these parameters. The observed trade-off contradicts previous literature and suggests an increase in the space-charge region and a decrease in the net hole concentration. Nevertheless, this hypothesis is opened to discussion, since a J-V distortion observed for some cells in both samples after HLS at 145ºC may be resultant of the accumulation of excess holes in the CIGS layer. The Cs-treated sample showed an increase in short wavelength EQE with increasing temperature, indicating a better absorption of photons in the CdS and CdS/CIGS interface and corresponding collection of carriers, while the non-treated sample showed a decrease. The J-V distortion is less pronounced for the Cs solution-treated solar cell, which is suggested to be due to the better absorption of blue light by this sample.

O presente trabalho analisa e carateriza extensivamente células solares de filme fino de Cu(In,Ga)Se2 com uma buffer layer de CdS, que foram fabricadas usando um processo inovativo de dopagem baseado na técnica de spin-coating de uma solução aquosa de carbonato de césio (CsCO3). As células solares foram fabricadas por Ishwor Khatri. Neste trabalho, as amostras foram sujeitas aos tratamentos de exposição à luz (LS), ao calor (HS) e exposição conjunta de luz e calor (HLS) e caraterizadas antes e depois destes tratamentos. A caraterização das mesmas foi realizada usando medidas de J-V e Eficiência Quântica Externa (EQE).O tratamento de pós-deposição com a solução de Césio melhorou os parâmetros básicos das células solares, levando a um aumento de aproximadamente 100mV e 3.1% na tensão em circuito aberto (VOC) e Eficiência, respetivamente, na amostra que foi sujeita a este tratamento duas vezes. As medidas de EQE também evidenciaram uma melhoria na absorção de fotões e colecção dos respetivos portadores de carga entre os 500nm e os 1100nm, indicando a redução de perdas por recombinação no absorsor e possivelmente na interface CIGS/CdS. A modificação da superfície da camada de CIGS e a eliminação de níveis profundos intra-banda foram sugeridos como possíveis razões para estas melhorias.Nenhum efeito foi verificado numa amostra tratada duas vezes com spin-coating após ter sido realizado o LS, com duração de 1 hora. O equilíbrio entre efeitos prejudiciais e benéficos é discutido como sendo uma possível razão para tal comportamento: o aumento de flutuações eletrostáticas devido à redistribuição dos átomos de Cs após o LS e o aumento do comprimento de difusão dos portadores de carga. Para potencialmente atingir efeitos visíveis, é sugerido que as células permaneçam no escuro por mais tempo após este tratamento, para permitir uma melhor redistribuição de cargas.Uma amostra tratada duas vezes com spin-coating foi exposta durante 30 minutos a uma temperatura de 75ºC e não foram observadas alterações relevantes. É sugerida uma exposição mais prolongada e a temperaturas mais elevadas em futuros tratamentos para, possivelmente, permitir passivação de defeitos, substituição iónica de elementos alcalinos mais leves e a ativação da conversão do defeito complexo VSe-VCu.O tratamento de HLS foi efetuado cumulativamente dos 75ºC aos 145ºC a uma amostra tratada uma vez com spin-coating e a uma amostra de referência (sem qualquer tratamento de pós-deposição). Um impacto semelhante foi constatado em ambas as amostras: o decréscimo na tensão em circuito aberto e o aumento da densidade de corrente de curto-circuito (JSC) com o aumento de temperatura. Não foram verificadas mudanças significativas no fator de preenchimento (FF) e na eficiência devido às suas incertezas elevadas. O trade-off observado contradiz o descrito na literatura, sugerindo um aumento da zona de depleção e uma diminuição da concentração efetiva de lacunas na camada de CIGS. Contudo esta hipótese está aberta a discussão, uma vez que a distorção observada na curva J-V em algumas células depois do HLS a 145ºC pode ser resultado da acumulação de lacunas na camada de CIGS. As medidas de EQE revelaram um aumento nos comprimentos de onda curtos com o aumento da temperatura para a célula tratada com Césio, indicando uma melhor absorção de fotões e coleção dos respetivos portadores gerados na camada de CdS e na interface CdS/CIGS, em contraste com o que sucedeu para a amostra de referência, onde uma diminuição de EQE se deu. A distorção na curva J-V é menos pronunciada para a amostra tratada com Césio, o que é atribuído, hipoteticamente, à melhor absorção de luz azul nesta amostra.