Development of Kesterite solar cell : improvement of absorber layer and cell architecture

Abstract

Células solares baseadas em Kesterites, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), estão a ser investigadas como um alternativa de mais baixo custo às células solares de elevada eficiência baseadas em CIGS. Em compostos de kesterite, elementos abundandes na natureza como Zn and Sn são usados em vez de elementos raros como In e Ga na calcopirite CIGS. Mesmo tendo propriedades optoelectrónicas promissoras, como elevada absorcão e bandgap próximo do ideal, o desempenho das células solares de kesterites ainda fica aquém do requerido para a sua exploração em larga escala. Nesta tese, são apresentadas três abordagens seguidas para melhorar o desempenho das células solares de CZTSe: modificacão de (1) camada absorvente de CZTSe, (2) da interface Mo/CZTSe e (3) da junção CZTSe/CdS. O fabrico da camada absorvente de CZTSe é conseguido por meio de um processo em 2-passos, onde se inclui a evaporacão por feixe de electrões (e-beam) das camadas Sn/Zn/Cu precursoras seguida de um tratamento térmico rápido usando o gás de H2Se (passo de selenização). São apresentados resultados do estudo de optimização da espessura, da ordem das camadas percursoras, e do caudal de H2Se. O efeito da espessura das camadas percusoras nas propriedades químicas e morfológicas do filme de CZTSe foi estudado. As propriedades optoelectrónicas foram investigadas por meio de medições da fotoluminescência resolvidas no tempo (TR-PL), curvas currente-tensão (J-V) e capacidade-tensão (C-V). A interface posterior de Mo/CZTSe foi alterado através da introdução por meios químicos de uma película de MoO3 na interface. A medição das curvas de currente-tensão das células solares com e sem MoO3 foram efectuadas a diferentes temperaturas. O efeito da modificação da interface posterior nas propriedades optoelectrónicas de dois tipos de células com diferentes espessuras da camada absorvente foi estudado. A junção CZTSe/CdS foi modificada pela introdução de uma camada ultra-fina de TiO2. O efeito desta alteração nas propriedades optoelectrónicas da célula photovoltaica foi estudado. Uma compreensão mais profunda da junção CZTSe/TiO2/CdS foi alcançada por meio da realização de microscopia electrónica de transmissão e da análise do perfil de composição química.. Neste estudo foi possivel obter uma eficiência maxima de 7.8% para células solares com a estrutura: SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO. Finalmente são apresentadas algumas sugestões para desenvolvimentos futuros, visto ser necessário mais optimização das condições de deposição dos precursores e da sua selenização para melhorar ainda mais a qualidade da camada absorvente e desempenho das células solares.

Kesterite Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) solar cells are being investigated as a cost effective alternative for high efficiency CIGS solar cells. In kesterite, earth abundant Zn and Sn elements replace rare In and Ga in chalcopyrite CIGS. Despite promising optoelectronic properties of kesterite like high absorption coefficient and near to ideal band gap, the performance of kesterite solar cells is still lower than the required for large scale exploitation. This thesis includes 3 main approaches to improve the performance of CZTSe solar cells: modification of (1) CZTSe absorber layer (2) Mo/CZTSe interface and (3) CZTSe/CdS junction. We fabricated CZTSe absorber layer by a two-step approach including e-beam evaporation of Sn/Zn/Cu stacked precursors followed by an annealing step using H2Se gas (selenization step) in a rapid thermal processing system. Several parameters of the fabrication process were studied and suitable conditions of precursor thickness, precursor order, and H2Se flow rate were presented. The effect of thickness of precursors on chemical and morphological properties of CZTSe films was studied. The optoelectronic properties of the solar cells were investigated using time-resolved photoluminescence (TR-PL), PL, current density-voltage (J-V) and capacitance-voltage measurements. Mo/CZTSe rear interface was modified by introducing a solution processed MoO3 interfacial layer. Current-voltage curves of solar cells with and without MoO3 layer were measured at different temperatures. The effect of the modification of rear surface on optoelectronic properties of two types of solar cells with thin and thick absorber layers was studied. CZTSe/CdS junction was modified by introducing an ultra-thin TiO2 layer. The effect of this modification on optoelectronic properties of solar cells was studied. Transmission electron microscopy and compositional profile analysis were performed to gain a deeper understanding of the CZTSe/TiO2/CdS junction. The best efficiency of a SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO solar cell in this study was 7.8 %. Some suggestions for future work are presented. It is suggested that further optimization of the precursors and selenization conditions are required to improve the quality of absorber layer and the performance of solar cells.