Chalcogenide thin films for solar cells: growth and properties

Abstract

Thin film solar cells have in recent years gained market quota against traditional silicon photovoltaic panels. These developments were in a large part due to CdTe solar panels on whose development started earlier than their competitors. Panels based on Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), despite being more efficient in a laboratory and industrial scale than the CdTe ones, still need a growth technology cheaper and easier to apply in industry. Although usually presented as a good candidate to make cheap panels, CIGS uses rare and expensive materials as In and Ga. The price evolution of these materials might jeopardize CIGS future. This thesis presents three different studies. The first is the study of different processes for the incorporation of Ga in a hybrid CIGS growth system. This system is based on sputtering and thermal evaporation. This technology is, in principle, easier to be applied in the industry and solar cells with efficiencies around to 7% were fully made in Aveiro. In the second part of this thesis, a new material to replace CIGS in thin film solar cells is studied. The growth conditions and fundamental properties of Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) were studied in depth. Suitable conditions of temperature and pressure for the growth of this material are reported. Its band gap energy was estimated at 1.05 eV and the Raman scattering peaks were identified. Solar cells made with this material showed efficiencies lower than 0.1%. Finally, preliminary work regarding the incorporation of selenium in Cu2ZnSnS4 (CZTS) thin films was carried out. The structural and morphological properties of thin films of Cu2ZnSn(S,Se)4 have been studied and the results show that the incorporation of selenium is higher in films with precursors rather with already formed Cu2SnS3 or Cu2ZnSnS4 thin films. A solar cell with 0.9 % of efficiency was prepared.

As células solares de filmes finos têm nos últimos anos ganho cota de mercado aos tradicionais painéis fotovoltaicos de Silício. Estes desenvolvimentos devem-se em grande parte ao painéis baseados em CdTe cujo desenvolvimento começou mais cedo que os seus competidores. Os painéis baseados em Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), apesar de serem mais eficientes tanto numa escala industrial como em laboratório, necessitam de uma tecnologia de crescimento que seja barata e de fácil aplicação na indústria. Apesar de se apresentarem como um bom candidato para painéis baratos o CIGS usa materiais caros e raros na crosta terrestre como o In e o Ga. A evolução do preço destes materiais podem comprometer o seu futuro. Nesta tese são apresentados três estudos diferentes. O primeiro é o estudo de diferentes processos de incorporação de Ga em CIGS crescido por um sistema híbrido de pulverização catódica e evaporação térmica. Esta tecnologia é, em princípio, mais fácil de ser aplicada a nível industrial e células solares feitas em Aveiro com eficiências próximas dos 7% foram produzidas. Numa segunda parte, outro material cujas propriedades o aponta como possível substituto ao CIGS é estudado. As condições de crescimento e propriedades fundamentais do Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) foram estudados. São apresentadas condições de temperatura e de pressão para o crescimento reprodutível deste material. O seu hiato energético foi estimado em 1.05 eV e descobriu-se que podem existir flutuações de bandas de potencial que influenciam as suas propriedades ópticas. As células preparadas com CZTSe mostraram eficiências baixas, inferiores a 0.1% Finalmente uma abordagem inicial à incorporação de Selénio em filmes finos de Cu2ZnSnS4 é feita. As propriedades estruturais e morfológicas de filmes finos de Cu2ZnSn(S,Se)4 foram estudadas e os resultados mostram que a incorporação de Selénio é maior em filmes precursores do que directamente em filmes finos de Cu2SnS3 ou Cu2ZnSnS4. Uma célula solar com eficiência de conversão de 0.9 % foi preparada.