Development of Cu(2)ZnSn(S,Se)(4) based solar cells

Abstract

Thin film solar cell technologies are rapidly developing, and chalcopyrite (Cu(In,Ga)Se2) based devices have demonstrated the highest power conversion efficiencies on the laboratory scale. However, in spite of this promise, there are concerns about the mid- to long-term viability of the material because it contains the relatively scarce elements of indium and gallium. This has led to the development of kesterite (Cu2ZnSn(S,Se)4) based photovoltaic technologies, which is particularly promising because of its similarities with the chalcopyrite material. In this material system indium and gallium are replaced by the more earth abundant elements of zinc and tin. Device efficiencies are still lower than Cu(In,Ga)Se2, but further research and development has led to significant increases in performance in the past few years. To date the device structure and processing parameters for kesterite based devices has been mostly copied from chalcopyrite based technologies.

The objective of this thesis is to further develop these kesterite based technologies, and it covers some of the basic challenges related to it, including secondary phase formation and identification, and optimization of the front and back contact areas. Particular emphasis is placed on the deposition and thermal processing of this compound, and how these affect secondary phase formation and device properties. It is based on several articles which explore these in depth. This includes detailed characterization by Raman scattering spectroscopy, x-ray diffraction, scanning electron microscopy, and other techniques. Highlights of the thesis work include: development of a selective chemical etch to remove ZnS, a common secondary phase in this system, which leads to significant improvements in device performance; elaboration of a sulfo-selenization method to form Cu2ZnSn(S,Se)4 from metallic precursors; and understanding the influence of thermal processing parameters on phase formation and distribution

En los últimos años ha habido un rápido desarrollo en las tecnologías de celdas solares basadas en capa delgada, siendo hasta el momento los dispositivos basados en calcopiritas (Cu(In,Ga)Se2) los que han mostrado una mayor eficiencia de conversión fotovoltaica a escala de laboratorio. Sin embargo, y a pesar de tan prometedores resultados, existe una preocupación sobre la viabilidad a medio y largo término de estos materiales debido a la presencia en su composición de elementos relativamente escasos en la corteza terrestre, como son el In y el Ga. Esto ha llevado al desarrollo de tecnologías fotovoltaicas basadas en kesterita (Cu2ZnSn(S,Se)4), que es especialmente prometedora dada su gran similitud con la calcopirita. En este compuesto, el indio y el galio son reemplazados por elementos más abundantes como son el cinc y el estaño. Los valores de eficiencia de los dispositivos aún están por debajo de los del Cu(In,Ga)Se2, pero nuevas investigaciones y técnicas de desarrollo han llevado a importantes avances en los últimos años. A día de hoy, tanto los parámetros de fabricación como la estructura de los dispositivos basados en kesterita han seguido un camino prácticamente idéntico al de las tecnologías basadas en calcopiritas.

El objetivo de esta tesis es el de profundizar en el desarrollo de las tecnologías basadas en kesterita, lo que cubre algunos de los retos básicos relacionados con ellas, como son la formación e identificación de fases secundarias o la optimización de las áreas de contacto frontal y posterior. Se ha puesto especial énfasis en la deposición y los procesos térmicos implicados en el crecimiento de este compuesto, y en ver cómo afectan a la posible formación de las fases secundarias y las propiedades del dispositivo. La tesis en sí está estructurada a partir de los diversos estudios publicados en revistas científicas. Dichos estudios incluyen una caracterización detallada por espectroscopia de dispersión Raman, difracción de rayos X, microscopia electrónica de barrido, y otras técnicas. Los puntos principales de este trabajo son: el desarrollo de un ataque químico selectivo para la eliminación del ZnS (una fase secundaria comúnmente presente en este sistema), con la consecuente mejora de las características del dispositivo; la elaboración de un método de sulfo-selenización para la formación de Cu2ZnSn(S,Se)4 a partir de precursores metálicos; y la resolución de cómo influyen los parámetros de los diferentes procesos térmicos en la formación y distribución de las fases.