Longer lifetime and higher efficiency of CZTS thin-film solar cells

Fremdriften av miljøvennlige solcelleteknologier er en av de viktigste forskningsprioriteringer rundt om i verden. For å nå målet om å være en bærekraftig teknologi skal solcellematerialer være rimelig, rikelig i naturen, og giftfri; her, den totale kostnaden inkluderer materiale, fabrikasjon, håndtering, og levetid, resirkulering, etc. Dagens solceller genererer omtrent 1% av totalt energiforbruk, og for å øke solcellekapasitet til 10-20% før 2050. For å redusere materialkostnader og over-bruk av naturressurser, tynnfilm solceller er av vesentlig interesse; tykkelsen er ca 150 mikrometer for krystallinsk Si mens ca 2 mikrometer for tynn-film PV. Tynnere filmer trenger imidlertid mer effektiv fotonabsorberende materiale, og høyere kravet mot nedbrytning av materialet. Øke celleeffektivitet og solcellens levetid tid, redusere materialkostnader, og hindrer nedbrytning må gå hånd i hånd når du utvikler solcellemoduler. I dette prosjektet undersøker vi materialene CZTSSe =Cu2ZnSn(S,Se)4 and CZTYS =Cu2Zn(Sn,Ge/Si)S4 legeringer. Forskningsmålene i dette prosjektet er å forstå den langsiktige stabiliteten og effektiviteten av solcellene. Videre, Se-S-legeringer og Si/Ge-Sn-legeringer kan benyttes til å skape materialstrukturer med optimert egenskaper for solcellene, spesiellt når man vil lage bångapsgraderte solceller. Tilgjengelighet av Na kan også fremme fordelaktige kornvekst og øke effektiviteten på solcellene. I tillegg gjør vi teoretisk analyser på komplementære miljøvennlige Cu-X-(S,Se) materialer. Tynnfilmer av CZTS er laget med reaktiv sputtering, etterfulgt av en seleniseringsprosess. Sekundær ionemassespektrometri (SIMS) er brukt for å studere Se innhold (og Na-innhold). En ikke-uniform romlig fordeling av Se og Na i filmene er detektert med SIMS dybdeprofil, som korrelerer godt med resultatene fra energi- spredende røntgenspektroskopi. Dette bekrefter at SIMS er en metode som kan brukes for å få mer informasjon om den romlige sammensetning i CZTSSe. Vi har funnet at store korn av CZTSSe ikke vesentlig stanse diffusjonen av selen gjennom tykkelsen av filmene. Selen-kornene synes å vokse på bekostning av sulfid-kornene, i stedet for prosess med langsom diffusjon av selen i eksisterende sulfid-kornene. Da Na er meget viktig for den totale effektiviteten til solcellene, har Na diffusjon blitt studert under krystallsering og påfølgende varmebehandlinger, hvor vi har vist at Na diffusnderer lett og er mobilt allerede ved 100 grader C. Solceller har blitt fabrikkert, og deretter karakterisert med målinger av strøm-spenning og eksterne kvanteffektivitet. Da finner vi at ufullstendig selenisering vises en dårligere absorpsjon og innsamling av ladningsbærer. Derfor har en gradienter i prekursor blitt deponert på filmene. Siden det imidlertid er behov for høyt chalkogen partialtrykk i annealingstrinnet, gikk disse gradienterene tapt, og S/Se-forholdet i den endelige filmen ble hovedsakelig bestemt av annealingsbetingelsene. Likevel ble det oppnådd relativt høy enhetseffektivitet på opptil 9.3% (uten antireflekterende belegg). Første eksperimenter med Sn-Ge-utveksling er utført ved å legge til et tynt Ge-lag på toppen av CZTS-prekursor. En meget lovende effektivitet på 9.7% ble oppnådd allerede i et av de første forsøkene. Våre første-prinsippberegninger viser at CZTYS-legeringer har lignende bandet struktur som CZTS, men større båndgapsenergier og det er fordel for å framstille gradert materialestrukturer med Cu2Zn(Sn,Ge/Si)S4-legeringer. Beregninger på Cu2ZnSn(1-x)Si(x)S4 og Cu2ZnSn(1-x)Ge(x)S4 indikerer at Ge-baserte legeringer vil bli mer stabil enn den tilsvarende Si-baserte legeringer, til tross for at Si, Ge, Sn og tilhører den samme kolonne i periodiske system. Interessant er at tilsetting av Ge eller Si inn i CZTS har ganske forskjellig innvirkning på materialet. De Ge- og Sn-lignende elektrontilstandene er mye mer hybridiserte enn de tilsvarende Si- og Sn-lignende tilstandene, og Ge synes å være en mer passende substituerende element for Sn. Dette kan begrense muligheten til å utvikle Si-rike legeringer, men det kan også benyttes for optimalisering av de optiske egenskapene. Dertil, modellering av Cu2XSnS4 (med X = Zn, Ni, Mn, Ca, Mg, Fe, og Be) avslører at disse CZTS-lignende materialer har høy konsentrasjon av dobbel-defekten (X-på-Cu)+(Cu-på-X). For CZTS er denne defekt ansvarlig for forstyrrelse av materialet, noe som kan skape uønskede variasjoner i materialet. Som alternative materialer viser vi at Cu(Sb/Bi)(S,Se,Te)2-legeringer og Cu2SnS3 har egenskaper for utvikling av ultratynne (< 50 nm) PV-komponenter med tilstrekkelig høye effektivitet. I prosjektet har vi forskningssamarbeid med Techn Univ of Denmark, Univ of Luxembourg, Humboldt Univ Berlin, Barcelona Univ, NIMS Japan, Arizona State Univ, og Nanyang Techn Univ in Singapore.

-

Thin-film solar cells based on Cu2ZnSn(S,Se)4 and Cu2Zn(Sn,Ge,Si)S4 are developed for affordable sunlight harvesting with sufficiently high efficiency, long lifetime, and low exploitation of material resources. We optimize the solar cell efficiency with the profile of S/Se, Sn/Ge and Sn/Si gradients in depth, and we investigate the degradation processes, as well as the positive or detrimental impacts on the device performance due to structural disordering and local defect formations. Four scientifically intertwined work packages comprise the project objectives that combine synthesis and device prototyping with structural, electrical and optical characterization together with supporting calculations/simulations. This involves temperature dependent IV coupled to device modeling, with characterization of films by transmittance, reflectance, ellipsometry, and PL. Compositional and impurity profiling obtained by RBS and SIMS, phase analysis by XRD and Raman scattering, and analysis of open volume defects by positron annihilation spectroscopy. Defect calculations and diffusion modeling are performed by means of density functional and molecular dynamics. The project outcome will be a fundamental understanding of material/defects physics, degradation mechanisms, and stability of solar cell performance. The project is carried out in two research groups at the Dept of Physics, Univ of Oslo, linked to the Centre for Materials Science and Nanotechnology, and also at the Ångström Solar Center, Uppsala Univ. We utilize clean room facilities at MiNaLab and Ångström Lab, as well as national high-performance computing centers through NOTUR. The project trains one PhD, one guest-PhD, and two postdoctors in the field. Strong international collaboration serves for networking, exchange of knowledge, and scientific visibility. Long-term international research visits by the PhD student and postdoctors strengthen these contacts.