Novel TCO contacts for fabrication of CIGS bifacial solar cells

Abstract

Object of this thesis is the development of viable technological processes for the fabrication of efficient bifacial solar cells. To this extent, a great effort was first made in order to prepare transparent conductive electrodes based on different oxide compounds and, secondly, to deposit the absorber and form the cell junction on such transparent back contacts. The new technological procedures were coupled to extensive simulation and characterization of both individual materials and working devices, which provided the necessary feedback for technology optimization. The bifacial solar cells (BFSC) considered in this thesis are all based on the compound Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGS), which is a very efficient light absorber. A major task of this work consisted in replacing the standard molybdenum back contact with a suitable transparent conductive oxide (TCO), and then tuning the physical properties of both TCO and absorber in order to maximize the transport of the photo-generated carriers across their interface. For all studied devices, both the absorber and the back TCO were grown via low-temperature pulsed electron deposition (LTPED). LTPED is a non-equilibrium deposition technique that relies on the ablation of a ceramic target by short and high-energy electron pulses. At IMEM-CNR in Parma, CIGS is deposited via LTPED at T=250°C. As it will be shown in the thesis, thanks to this low T (compared to alternative growth methods), high-quality CIGS may be obtained without post-deposition selenization on alternative and novel substrates, including TCOs. Conventional and new TCOs deposited by LTPED on glass were investigated in order to correlate their optical, electrical, morphological, compositional and structural properties with deposition parameters. All materials exhibited excellent optical transmittance when deposited at a substrate temperature of 100°C, but differed considerably from the point of view of electrical parameters. Only n-type TCOs provided the needed electrical conductivity, therefore a detailed study of the p-type CIGS/n-type TCO interface was carried out to identify in which conditions this junction exhibits an ohmic-like behavior (thanks to pronounced tunneling). CIGS-based BFSCs were then fabricated using the best TCOs as back contacts. Among all important results, a most remarkable achievement of this study was that aluminum zinc oxide (AZO) can be used as efficient back electrode. Actually, the existing literature states that at the deposition temperature of standard methods (550°C) a thin insulating Ga2O3 layer forms between CIGS and AZO, which impedes an efficient current flow. In this work, it is demonstrated that LTPED allows the deposition of CIGS on AZO without formation of the detrimental Ga2O3 interlayer, thus opening new routes towards building integrated photovoltaic applications, considering that AZO is a low-cost and non-toxic material. The positive results presented above were achieved in small-area cells, so that they need to be implemented also in large-area devices. A novel approach to large-area BFSCs was hence investigated in the course of the PhD work, namely the deposition of selected TCO on a glass substrate with a pre-deposited metallic grid. This was seen to ensure a more efficient collection of the photo-generated carriers and to reduce power loss at the back contact. As a matter of fact, a prototype with this architecture and four-times larger area exhibited the same efficiency of a small cell with no metallic grid. This is very encouraging in view of the practical application of TCOs to bifacial technology.

Oggetto di questa tesi è lo sviluppo di processi tecnologici per la fabbricazione di efficienti celle solari bifacciali. A tal fine, è stato fatto un grande sforzo iniziale per preparare elettrodi conduttivi trasparenti a base di ossidi vari e, in secondo luogo, depositare l'assorbitore e formare la giunzione su tali contatti inferiori trasparenti. Le nuove procedure tecnologiche sono state affiancate da simulazioni e caratterizzazione sia dei materiali che dei dispositivi, i quali hanno fornito le informazioni necessarie per ottimizzare la tecnologia. Le cellule solari bifacciali (BFSC) considerate in questa tesi sono tutte basate sul composto Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGS), un ottimo assorbitore di luce. Un obiettivo importante di questo lavoro consiste nella sostituzione del contatto inferiore di molibdeno con un ossido trasparente conduttore (TCO) e quindi di ottimizzare le proprietà fisiche sia del TCO che dell’assorbitore per massimizzare il trasporto dei portatori fotogenerati all'interfaccia. Per tutti i dispositivi studiati, sia l'assorbitore che il TCO posteriore sono stati cresciuti mediante low temperature pulsed electron deposition (LTPED). LTPED è una tecnica di deposizione fuori equilibrio che si basa sull'ablazione di un target ceramico da impulsi di elettroni brevi e ad alta energia. All’IMEM-CNR a Parma il CIGS viene depositato tramite LTPED a T=250°C. Come verrà mostrato nella tesi, grazie a questa bassa T (rispetto ai metodi di crescita tradizionali), CIGS di alta qualità può essere ottenuto senza selenizzazione su substrati alternativi e innovativi, inclusi i TCO. TCO depositati con LTPED su vetro sono stati studiati per correlare le loro proprietà ottiche, elettriche, morfologiche, composizionali e strutturali con i parametri di deposizione. Tutti i materiali presentano eccellente transmittanza ottica quando sono depositati ad una temperatura 100°C, ma differiscono considerevolmente dal punto di vista dei parametri elettrici. Solo i TCO di tipo N hanno la necessaria conduttività elettrica, pertanto è stato condotto uno studio dettagliato sull'interfaccia n-type TCO/p-type CIGS per identificare in quali condizioni questa giunzione presenti un comportamento ohmico (grazie ad un tunneling pronunciato). BFSC a base CIGS sono state quindi fabbricate utilizzando i migliori TCO come contatti inferiori. Un risultato molto importante di questo studio è che l'ossido di alluminio drogato zinco (AZO) può essere utilizzato come un efficiente elettrodo posteriore. Infatti, la letteratura esistente afferma che alla temperatura di deposizione dei metodi tradizionali (550°C) si forma un sottile strato isolante di Ga2O3 tra CIGS e AZO, che impedisce un efficace passaggio di corrente. In questo lavoro è stato dimostrato che la LTPED consente la deposizione di CIGS su AZO senza la formazione dello strato dannoso di Ga2O3, aprendo così nuovi strade verso possibili applicazioni nel fotovoltaico integrato agli edifici, considerando che l'AZO è un materiale a basso costo e non tossico. I risultati positivi sopra riportati sono stati raggiunti su celle di piccole aree, in modo da poter essere implementate anche nei dispositivi di grandi dimensioni. Un approccio nuovo per BFSC di grandi dimensioni è stato indagato nel corso del dottorato, ossia la deposizione dei TCO selezionati su un substrato di vetro con una griglia metallica pre-depositata. Ciò è stato visto garantire una raccolta più efficiente dei portatori fotogenerati e ridurre le perdite di potenza nel contatto inferiore. Infatti, un prototipo con questa architettura e con un'area di quattro volte più grande presentava la stessa efficienza di una piccola cella senza griglia metallica. Ciò è molto incoraggiante in considerazione dell'applicazione pratica dei TCO alla tecnologia bifacciale.