Improvements in CdTe- and CIGS-based thin-film solar cells and investigation on new materials for photovoltaic applications.

Abstract

Currently, thin-film solar cells are one of the most promising technologies for low-cost renewable energy production. CdTe- and CuInGaSe2-based cells, which achieved record efficiencies of 22.1% and 22.6% respectively, are the most attractive among thin-film solar cells. These high efficiencies have had a huge influence in making them highly competitive in the photovoltaic market, with an estimated final cost per module lower than US $ 0.50 per peak-watt. At the Thin Film Laboratory of the University of Parma, a fully scalable process to produce high-efficiency CdTe- and CIGS-based solar cells has been developed. The only deposition techniques the production process requires are: close-spaced sublimation and sputtering for CdTe and sputtering and selenisation for CIGS. Our choice of sputtering as a core deposition technique is justified by its great flexibility: it can be used to deposit a wide variety of materials, such as insulators, semiconductors, conductors, alloys and composites. At the same time, we have chosen close-spaced sublimation for making CdTe films because it is one of the simplest approaches to physical vapour deposition and it offers high deposition rates. In the wider context of implementing these technologies, my PhD research project has privileged three main aspects: 1. Implementation of high-performance CdTe-based devices fabricated by using close-spaced sublimation and sputtering in an attempt to improve both grain boundary passivation and back-contact ohmicity. 2. Implementation of high-efficiency (> 16%) CIGS-based devices with the aim of exporting the fabrication process developed for soda-lime glass and ceramic substrates to flexible substrates, such as thin metal foils. 3. Investigation of sputter-deposited copper-based delafossites as novel transparent conducting oxides for photovoltaic and electronic applications. At the end of my PhD project, I have been able to achieve several of my initial goals, which will be described in detail in my PhD thesis. In regard to CdTe-based solar cells, I will illustrate the development of an innovative process, which reduces the thickness of the CdTe absorber layer and incorporates a barrier-free back contact, suitable for the production of high-efficiency solar cells. With respect to CIGS-based solar cells, I will report on the identification of the main process requirements that are needed for preparing high-efficiency CIGS devices, making use of scalable techniques such as sputtering and selenisation. These results have been used to extend this process, which is an established one for soda-lime glass and ceramic substrates, to flexible thin metal foil substrates. I will also address the new technological challenges introduced by this type of substrate. These include the problem of film adhesion and the necessity of a barrier layer between the metallic substrates and the active layer to prevent the diffusion of impurities and to provide electrical insulation between the metal substrate and the monolithically interconnected solar cells. Finally, I will show the successful sputtering-based preparation of CuGaO2 and CuBO2 delafossite thin films suitable to use as transparent back contacts in bifacial CIGS- and CdTe-based solar cells.

Attualmente, la tecnologia delle celle solari di film sottile è una delle più promettenti per la produzione di energia rinnovabile a basso costo. In particolare, le celle a base di CdTe e di CuInGaSe2 sono le più interessanti tra le celle solari a film sottile, poiché hanno raggiunto valori record di efficienza a livello di laboratorio (pari al 22,1% e al 22,6% rispettivamente) confrontabili con le comuni celle solari al silicio policristallino. Presso il Thin Film Laboratory dell'Università di Parma è stato sviluppato un processo completamente scalabile per produrre entrambe queste celle solari ad alta efficienza. Le uniche tecniche utilizzate per produrre questi dispositivi sono: la tecnica di close-spaced sublimation e di sputtering per celle a base CdTe e di sputtering e susseguente selenizzazione per le celle a base di CIGS. Si è scelto di utilizzare la tecnica dello sputtering per depositare la maggior parte degli strati di cui sono costituite le celle poiché questa è una tecnica estremamente flessibile. Infatti, può essere utilizzata per depositare un'ampia varietà di materiali, come ad esempio materiali isolanti, semiconduttori, conduttori, leghe e composti. Allo stesso tempo, abbiamo scelto di utilizzare la tecnica di close-spaced sublimation per depositare i film di CdTe, perché è uno dei più semplici approcci alla deposizione di tipo fisico che offre elevate velocità di deposizione. Per migliorare queste due tipologie di celle solari, il mio progetto di ricerca di dottorato ha privilegiato tre aspetti principali: 1. L’implementazione del processo di produzione dei dispositivi a base CdTe per migliorare sia la passivazione dei bordi di grano sia l’ohmicità del contatto posteriore. 2. Il miglioramento dei dispositivi basati su CIGS ad alta efficienza (> 16%) con l'obiettivo di esportare il processo di produzione sviluppato per i substrati di vetro soda-lime e ceramici, ai supporti flessibili, come ad esempio fogli di metallo sottile. 3. L'analisi delle delafossiti a base di rame depositate mediante sputtering per nuove applicazioni nel campo del fotovoltaico e dell’elettronica trasparente. Alla fine del mio progetto di dottorato, molti degli obiettivi iniziali sono stati raggiunti, come descritto e dettagliatamente discusso nella mia tesi. In particolare, verrà mostrato lo sviluppo di un processo innovativo per la produzione di celle a base CdTe che da un lato consente di ridurre lo spessore dello strato di materiale assorbitore e allo stesso tempo di passivare i bordi di grano. Verrà mostrato anche lo studio di nuovi contatti posteriori idonei alla produzione di celle solari ad alta efficienza particolarmente stabili nel tempo. Si identificheranno i principali requisiti necessari per la preparazione di celle solari a base CIGS ad alta efficienza facendo uso solo di tecniche facilmente scalabili a livello industriale, quali lo sputtering e la selenizzazione. Questi risultati sono stati utilizzati per estendere questo processo, standard per vetro soda-lime e substrati ceramici, ai substrati metallici flessibili. Verranno quindi evidenziate le nuove sfide tecnologiche introdotte dall’utilizzo di substrati flessibili, quali ad esempio: il problema dell'adesione dei film, la necessità di uno strato di barriera tra i substrati metallici e il materiale assorbitore al fine di prevenire la diffusione di impurità e di fornire isolamento elettrico tra il substrato metallico e le celle solari monoliticamente collegate in serie. Infine, mostrerò i risultati ottenuti nella realizzazione mediante sputtering di film di CuGaO2 e CuBO2 (ossidi trasparenti conduttori di tipo p) adatti per essere utilizzati come contatti posteriori trasparenti nelle celle solari bifacciali a base di CIGS e a base di CdTe.