New MAterials for Tandem Solar cells

De solcellene de fleste av oss kjenner til, er laget av materialet silisium. Disse solcellene er veldig bra 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. MATS-prosjektet studerer et nytt, lovende, materiale for 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, 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 på under 10^18 cm-3, og et passende p-type materiale som får lav rekombinasjon i overgangen. I MATS-prosjektet bruker 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. Magnetronsputring er en teknikk med høy industriell relevans, og som har mange parametre som kan endres for å optimalisere filmkvaliteten. 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. For de materialene som er identifisert med mest lovende egenskaper er en likerettende diode produsert, for å studere defektene i materialet. Stabiliteten av disse defektene ble undersøkt i filmer med ulikt oksygeninnhold over tid, og også som funksjon av eksponert filmområde. Overflaten til filmene er svært sensitive til både hydrogen- og oksygen-eksponering, til en grad der egenskapene på overflaten målt ved UPS (Ultrafiolett fotoelektronspektroskopi) endres på to dager, sannsynligvis kortere tid, selv når prøvene er i vakuum, og ikke eksponert til atmosfære. UPS gir informasjon om båndstrukturen i materialet, som er essensielt å kunne kontrollere for å få overgangene i en solcelle til å fungere optimalt. 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 der vi har, 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.

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.