New MAterials for Tandem Solar cells

De solcellene de fleste av oss kjenner til, er laget av materialet silisium. Disse solcellene er veldig gode til å utnytte den delen av sollyset som har litt lavere energi, som rødt lys. For blått lys derimot, vil mye av energien gå tapt for oss - bare deler av energien i lyset vil kunne omdannes til elektrisitet, og resten av energien vil danne varme i solcellen. MATS-prosjektet har studert et nytt, lovende, materiale – sinkoksynitrid – med mål om å lage en solcelle som bedre omdanner blått lys til elektrisitet, men som samtidig er gjennomsiktig for det røde lyset. En vil dermed kunne legge den nye solcellen oppå den gamle silisium-solcellen, slik at begge kan omdanne sollyset til elektrisitet mest effektivt. Teoretisk sett vil vi dermed kunne øke effektiviteten fra ca. 30% (kun silisium) til over 40% (begge solcellene). De materialene som ansees som «state of the art» i dag, har alle store utfordringer, enten på pris, stabilitet og/eller giftighet. Metodene som benyttes i MATS er enkle å skalere opp og materialene er billige, miljøvennlige og bærekraftige materialer. Da disse er ment å brukes sammen med Si-solceller, trengs det heller ikke en revolusjon i solcelleproduksjonen for å benyttes, men kun en utvidelse av eksisterende produksjon. Det vil dermed raskere kunne bli implementert i fremtidig energibruk, og vil ha potensiale til å akselerere overgangen fra fossil til fornybar energi. For å lage en mest mulig kostnadseffektiv struktur, må den nye topp-solcellen seriekobles med bunn-solcellen, slik at den samme strømmen vil gå gjennom begge solcellene. Dette gir mindre kostnader til eksterne komponenter, men setter større krav til materialet som benyttes i solcellen. Det skal kun ta opp lys med gitte bølgelengder og slippe resten gjennom, slik at det dannes like mengder ladningsbærere i begge solcellene. Dette er i stor grad bestemt av båndgapet, som ideelt sett skal være på 1.7 eV i dette tilfellet. I tillegg skal det tilfredstille de vanlige kravene til et solcelle-materiale; høy absorbsjon over båndgapet, høy transmittans under båndgapet, høy levetid, høy mobilitet, og en må kunne lage basiskomponenten i en solcelle, en likerettende pn-overgang. Da bør vi ha et absorber- materiale med en ladningsbærerkonsentrasjon under 10^18 cm-3, og et passende p-type materiale som får lav rekombinasjon i overgangen. I MATS-prosjektet brukte vi magnetronsputring for å lage filmer av sink-oksynitrid, som er et materialsystem der båndgapet kan endres ved å endre oksygen til nitrogenforholdet, slik at vi kan få det ideelle båndgapet på 1.7 eV. Vi har sett på effekten av deponeringstrykk, temperatur og kraft for filmer deponert med RF-sputring, DC-sputring og høy-energi pulset DC-sputring. I alle tilfeller har vi undersøkt effekten av endring i oksygen/nitrogen-innholdet. Vi kan da produsere filmer med drastisk ulike egenskaper; elektron-mobiliteter fra under 1 til 150 cm2/Vs, ladningsbærerkonsentrasjon fra 10^15 - 10^20 /cm3, båndgap fra 1.1 eV til 3.4 eV, og nær amorfe filmer til svært krystallinske filmer. Fra de mest lovende prøvene produserte vi en rektifiserende diode ved å deponere på lav-dopet p-type Si. I denne konfigurasjonen er deplesjonssjiktet for det meste i Si, men vi fikk også tydelig observert elektrisk aktive defekter som stammer fra ZnON. Vi kunne ikke undersøke solcellekarakteristikker av disse da mesteparten av deplesjonssjiktet var i Si – slik at en ville hovedsakelig målt en Si-solcelle, ikke en ZnON-solcelle. De dominante defektene vi observerte i disse diodene var sterkt påvirket av O/N-ratio. Ved romtemperatur kan disse tilstandene være både en kilde for og et hinder for transport av elektroner. Halleffektmålinger indikerer at det er to slike tilstander i de mer oksygenrike prøvene. Vi observerte at energien for å frigjøre elektroner fra disse tilstandene økte fra 20 og 90 meV til 110 og 200 meV. Stabiliteten til ZnON ble også undersøkt for å se hva slags prosesseringssteg materialet tåler. Varmebehandling i vakuum var svært stabil for strukturelle og optiske egenskaper opp til 500 °C, men ladningsbærerkonsentrasjonen økte med to størrelsesordener mellom 300 og 400 °C. I luft ser man en tydelig overgang til en ZnO-struktur ved 400 °C, og store endringer i ladningsbærerkonsentrasjon allerede mellom 100 og 200 °C. For å kunne bedre optimalisere strukturen til solcellen, vurdere potensialet og egnetheten til materialet samt enklere finne kompatible materialer, har vi laget en modell for tandemstrukturen i programmet SILVACO. I modellen er det benyttet eksperimentelle data så langt det er mulig, og data fra litteratur der vi ikke har eksperimentelle data tilgjengelig. Modellen viser at systemet er lovende, men utfordringer gjenstår, spesielt relatert til hvilket p-type materiale som kan benyttes i solcellen, som er en essensiell del for å få til en fungerende solcelle.

- Opparbeidet kunnskap i nye metoder innen deponering, som gir større mulighet for å optimalisere egenskapene til materialene. Vi fikk tilpasset deponeringsparametre slik at en fikk filmer med ønskede karakteristikker. - Opparbeidet mer kunnskap om designkriteriene for nye solcellematerialer. - Har utviklet en modell i programmet SILVACO som kan benyttes for å evaluere potensialet til nye materialer for bruk i en 2T tandem solcelle. - Metoder for å kunne lage solcellestrukturer har blitt utarbeidet, som også kan benyttes for andre materialer. - Konseptet har blitt videreutviklet, og så langt benytter tre andre prosjekter seg av kunnskapen lært i dette prosjektet. - Fem masterstudenter har skrevet oppgaver på materialet ZnON, der en vant pris for beste masteroppgave inne bærekraft på Universitetet i Oslo. To av disse har fortsatt på doktorgrad. - Har vært et stort bidrag til utvikling av en ung forsker som har fått erfaring og kunnskap om prosjekt- og forskningsledelse. - Har hatt flere oppslag i massemedia (artikler, podcast, radio) om prosjektet og potensialet for tandem solceller, og også som ekspert på solceller - Fremgangsmåtene som er optimalisert , og lærdommene fra dette prosjektet vil bli tatt videre i arbeidet fremover, som vil fortsette på andre materialer.

The MATS (New MAterials for Tandem Solar cells) project will establish a new solar cell based on zinc oxynitride. The semiconducting material, which has a tunable band gap with nitrogen content, will be optimized towards an absorber in a top cell in a tandem structure, where the bottom cell utilizes silicon. The optimization will initially aim for a band gap of ~1.7 eV, high mobility, and a carrier concentration low enough to establish rectifying pn-junction with the depletion region within the absorber layer. Zinc oxynitride is a cheap, abundant and non-toxic material, and the deposition method magnetron sputtering is easy to scale up, making incorporation into the existing silicon solar cell industry feasible. While the final goal is to demonstrate a functioning solar cell, the focus of the project will be on developing the material and characterizing the fundamental properties of the optimized zinc oxynitride. Both thin films and pn-junction devices will be fabricated, allowing a wide array of characterization methods into the materials optical, electrical, compositional, structural and morphological properties. The defect concentrations and their energy positions will also be thoroughly investigated. The knowledge gained from these investigations will be used to improve the efficiency of the resulting solar cell. We will also use modelling to elucidate the effect of the material properties on the solar cell efficiency. Thus, MATS is an application motivated basic research project, but where a zinc oxynitride based solar cells will ultimately be demonstrated.