Interface passivation in Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

Abstract

In this dissertation, we have investigated different passivation strategies in thin and ultrathin Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) photovoltaic cells. The research work was focused on thin film solar cells, on the interface between the absorber layer and the buffer layer, the two semiconductors that form the p-n junction; for ultrathin semiconductors, the rear contact was the main object of investigation.In the case of CIGS thin films, two strategies were adopted in order to neutralize the active defects and/or reduce the number of defects present at the front CIGS interface. The first strategy consisted of the deposition of a dielectric layer between the two semiconductors that compose the p-n junction. This being a novel approach, a fundamental study was performed to evaluate the impact of the passivation layer on the CIGS absorber, in terms of morphological, structural and optoelectronic properties. The viability of this strategy was assessed by estimating the defect density between the passivation layer and the CIGS absorber, as well as the interface charge density on the surface interface, which required the development of metal-insulator-semiconductor (MIS) structures and performing admittance spectroscopy studies on these devices. Another innovative approach consisted in the use of muon spin spectroscopy with slow muons (LE-µSR) in order to understand the CIGS front interface, which allowed to demonstrate that LE-µSR is sensitive to charge carrier separation and bulk recombination in complex semiconductors, such as CIGS. The selected passivation layer Al2O3 reveals a low density of defects present at the interface, and it is harmless to the CIGS. Nevertheless, it does not resist the chemical bath deposition of the CdS layer.The second passivation strategy adopted in thin-film CIGS consisted of a post-deposition treatment (PDT), where a layer of alkali fluoride was deposited on the absorber layer after the growth, followed by an annealing treatment. The innovative character of this post-deposition treatment consisted in the addition of silver (Ag) to the CIGS, thus originating another absorber layer (Ag.Cu)(In,Ga)Se2 (ACIGS), as well as the higher Ga concentration in the investigated samples, resulting in the increase of the bandgap of the semiconductor. High bandgap ACIGS is becoming topical due to its possible application as a top absorber layer in tandem devices. X-ray photoelectron Spectroscopy (XPS) and Scanning Electron Microscopy (SEM) measurements were performed after the PDT, to provide morphological and structural characterization. In complete solar cell devices, transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the devices. Morphological and structural analysis demonstrates that optimization of the adopted quantity of alkali fluoride and of the selected growth CIGS conditions are necessary. Optoelectronic measurements revealed that the samples show a deviation of the diode ideal behaviour, as observed by the current-voltage measurements (J-V), as well as a low lifetime decay, as obtained through time-resolved photoluminescence (TRPL) measurements. The studies of ultrathin CIGS solar cells were focused on the rear contact, where a patterned passivation layer was introduced through lithography processes. The effect of the selected temperature growth conditions of CIGS on the morphological, structural and optoelectronic properties of CIGS was investigated; the durability of the selected patterned passivation layer in the harsh growth conditions of the CIGS layer was also addressed. In a second study, we investigated the combination of two passivation strategies: a passivation layer in the rear contact together with a PDT. Electrical measurements revealed that the J-V curve deviates from the ideal one-diode model curve, which may be due to the elemental distribution in CIGS, which was investigated by XPS. The XPS reveals that the origin of the deviation of the ideal diode behaviour comes from the presence of an ultrathin layer of K-In-Se (KIS) between the CIGS and CdS. In a complementary investigation, we have tried to encapsulate gold (Au) nanoparticles in the rear contact through a passivation layer. Finally, we have introduced a rear passivation layer in an ultrathin ACIGS device, which was found to have a positive impact on the open circuit voltage (VOC). The increase of the Voc is the highest increase published until now due to this strategy.

Nesta dissertação investigámos diferentes estratégias de passivação em células fotovoltaicas de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) finas e ultrafinas. O trabalho de investigação centrou-se, no caso das células solares de filmes finos, na interface entre os dois semicondutores que formam a junção p-n; e no caso das células solares ultrafinas, a investigação centrou-se no contacto traseiro.No caso de células solares de filmes finos de CIGS, foram adotadas duas estratégias para neutralizar os defeitos activos e/ou reduzir o número de defeitos presentes na interface frontal do CIGS. A primeira estratégia consistiu na deposição de uma camada dieléctrica entre os dois semicondutores que compõem a junção p-n. Sendo esta uma abordagem inovadora, foi realizado um estudo fundamental para avaliar o impacto da camada de passivação na camada absorvente, CIGS, em termos de propriedades morfológicas, estruturais e optoelectrónicas. A viabilidade desta estratégia foi avaliada através da estimativa da densidade de defeitos entre a camada de passivação e a camada absorvente de CIGS, bem como através da densidade de carga na interface superficial. Para acedet a estudas duas propriedades, foi necessário o desenvolvimento de estruturas metal-isolador-semicondutor (MIS) e realizado estudos de espetroscopia de admitância.Outra abordagem inovadora consistiu na utilização da espetroscopia de spin de muões com muões lentos (LE-µSR) para compreender a interface frontal de CIGS, o que permitiu demonstrar que a LE- µSR é sensível à separação de portadores de carga e a mecanismos de recombinação presentes no interior de semicondutor complexos, como o caso do CIGS. A camada de passivação selecionada, que foi o Al2O3, revelou uma baixa densidade de defeitos presentes na interface entre o isolador e o semiconductor, e nao alterar as propriedades optoelectronicas e estruturais do CIGS, revelando desta forma o impacto positivo desta estratégia. No entanto, o Al2O3 nao resiste a deposição por banho quimico do CdS. A segunda estratégia de passivação adoptada em filmes finos de CIGS consistiu num tratamento pós-deposição (PDT), em que uma camada de fluoreto alcalino foi depositada na camada absorvedora após o crescimento, seguida de um tratamento de recozimento. O carácter inovador deste estudo foi a combinação do PDT com a adição de prata (Ag) na liga CIGS, originando assim a outra camada absorvedora (Ag.Cu)(In,Ga)Se2, ACIGS: bem como a maior concentração de Ga nas amostras investigadas, resultando no aumento do hiato do semicondutor. O ACIGS de hiato elevado está atualmente sujeito a investigação intensa devido à sua possível aplicação como camada absorvedora superior em dispositivos multi-junção. A espetroscopia de fotoelectrões de raios X (XPS) e a microscopia eletrónica de varrimento (SEM) foram realizadas após a PDT, para fornecer uma caraterização morfológica e estrutural. Nos dispositivos completos de células solares, foi utilizada a microscopia eletrónica de transmissão (TEM) para caraterizar os dispositivos. A análise morfológica e estrutural demonstra que é necessária a otimização da quantidade adotada de fluoreto alcalino e das condições de crescimento selecionadas. As medições optoelectrónicas revelaram que as amostras apresentam um desvio do comportamento de díodo ideal, tal como revelado pelas medições de corrente-tensão (J-V), bem como um baixo decaimento do tempo de vida, obtido através de medições de fotoluminescência resolvida no tempo (TRPL).Os estudos das células solares CIGS ultrafinas os estudos centraram-se no contacto posterior, onde foi introduzida uma camada de passivação padronizada através de processos litográficos. No primiero estudo foi investigado o efeito das condições de crescimento de CIGS, à temperatura selecionada, sobre as propriedades morfológicas, estruturais e optoelectrónicas; foi também abordada a durabilidade da camada de passivação padronizada selecionada, atendendo às difíceis condições de crescimento da camada de CIGS. Num segundo momento, investigámos a combinação de duas estratégias de passivação: uma camada de passivação no contacto traseiro juntamente com um tratamento pós-deposição. As medições elétricas revelaram que a curva J-V se desvia da curva do díodo ideal, o que pode dever-se à distribuição elementar do CIGS, que foi investigada por XPS. Neste estudo, foi concluido que a origem do desvio do comporamento ideal do diodo foi devido a formacao de uma camda muito fina de K-In-Se (KIS), entre o CIGS e o Cd. Numa investigação complementar, tentámos encapsular nanopartículas de ouro (Au) no contacto posterior através de uma camada de passivação. Finalmente, introduzimos uma camada de passivação traseira num dispositivo ACIGS ultrafino, que se verificou ter um impacto positivo na tensão de circuito aberto (Voc). O aumento de Voc e o aumento mais alto registado na literatura ate agora, devido a introducao de uma camada de passivacao no contacto traseiro da celula.