Optoelectronic study of Thin Film Solar Cells Based on Chalcogenide

Abstract

In this thesis, we studied the role of the defects on the optoelectronic properties of two semiconductors with high potential for photovoltaic application, Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu(In, Ga)Se2 (CIGS). Both materials are highly doped and strongly compensated, and their optoelectronic properties are governed by a highly complex electronic energy levels structure. In order to further understand the impact of these complex structures on the performance of the devices, several studies were carried out using mainly the photoluminescence technique, and complemented with other optical, morphological, structural, and electrical analyses. For CZTS based solar cells, three series of samples that include studies on the impact of: i) the time of maximum temperature of the sulphurization; ii) the sulphurization method; and iii) the postdeposition annealing on the optoelectronic properties of the CZTS layer, were studied. For CIGS based solar cells, three major topics were addressed: i) solar cells with conventional architecture, ii) solar cells that explore new architectures; and iii) theoretical and experimental study of the influence of defects on the devices performance. The influence of fluctuating potential was shown, and fully explain CZTS and CIGS characteristic luminescence. The optical studies carried in CZTS based solar cells, reveal several issues related to nonradiative recombination or recombination involving deep defects that were closely linked to a poor performance of the studied devices. For different series of CIGS based solar cells, an overall correlation of the influence of the fluctuating potentials with the performance of the devices were obtained. The CIGS related optical results revealed two main recombination deexcitation channels compatible with a shallow donors cluster and the VCu acceptor defect. From theoretical and experimental analyses of CIGS based solar cells, we obtained a higher degree of correlation of electrostatic fluctuating potentials with the open circuit voltage losses of the devices, in comparison with bandgap fluctuations. Finally, we demonstrate the influence of fluctuating potentials in CIGS technology at room temperature. In this thesis, we showed that the optoelectronic properties of CZTS and CIGS are consistent with the existence of the fluctuating potentials, being its impact as a limitative factor on the studied solar cells performance significantly different in the two studied technologies. CZTS based solar cells present serious recombination issues that are significantly more critical for the performance of the device, then the existence of fluctuating potentials. For CIGS based solar cells, the influence of the fluctuating potentials and the performance of the devices are remarkably correlated.

Nesta tese, foi estudado o papel dos defeitos nas propriedades optoelectrónicas de dois materiais com grande potencial para aplicações fotovoltaicas, Cu2ZnSnS4 (CZTS) e Cu(In, Ga)Se2 (CIGS). Ambos os materiais são fortemente dopados e compensados, sendo que as suas propriedades optoelectrónicas são governadas pelas suas estruturas de níveis eletrónicos complexas. No sentido de melhor compreender o impacto da estrutura eletrónica no desempenho das células solares, diferentes estudos foram realizados utilizando principalmente a técnica de fotoluminescência, complementada com análise morfológica, estrutural e elétrica. Para as células solares baseadas em CZTS, foram estudadas três séries de amostras para as quais o impacto i) do tempo da temperatura máxima de sulfurização, ii) do método de sulfurização, iii) do tratamento térmico após a deposição, foi avaliado nas propriedades optoelectrónicas da camada CZTS. Para o CIGS, três tópicos principais foram abordados, i) células solares com arquitetura convencional, ii) células solares para as quais se exploram novas arquiteturas, iii) influência dos defeitos no desempenho das células solares a partir da comparação de modelos teóricos com resultados experimentais. A influência das flutuações de potencial foi evidenciada, sendo que a luminescência obtida, tanto envolvendo o CZTS como o CIGS, foi completamente explicada a partir de modelos de recombinação que envolvem a presença destas flutuações. Os estudos óticos desenvolvidos no âmbito das células solares de CZTS revelaram um grande impacto de mecanismos não radiativos e de recombinação envolvendo defeitos profundos que se relacionam com um fraco desempenho dos dispositivos estudados. Para diferentes séries de amostras de células solares baseadas em CIGS foi obtida uma correlação entre a influência das flutuações de potencial e desempenho dos dispositivos estudados. Os resultados óticos obtidos para CIGS revelaram dois mecanismos principais de desexcitação dos canais radiativos envolvendo aglomerados de dadores pouco profundos e o defeito aceitador VCu. A partir das análises teórica e experimental de células solares de CIGS, obtevese uma maior correlação entre a influência das flutuações de potencial electroestáticas com as perdas de tensão de circuito aberto, do que aquela observada para as flutuações de hiato. Finalmente, foi demonstrada a influência das flutuações de potencial na tecnologia CIGS à temperatura ambiente. Nesta tese, foi mostrado que as propriedades optoelectrónicas do CZTS e CIGS são consistentes com a existência de flutuações de potencial, sendo que o seu impacto no desempenho das células solares é significativamente diferente em cada uma das tecnologias. Enquanto no CZTS os mecanismos de recombinação aparecem como um problema com um impacto no desempenho das células solares mais significativo que as flutuações de potencial, no CIGS uma correlação entre a influência das flutuações de potencial e o desempenho das células solares é notória.