Development and characterization of chalcopyrite based thin film solar cells for photovoltaic technology applications

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν Ηλιακές Κυψέλες Χαλκοπυριτικών Ημιαγωγών για τη Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία Λεπτών Υμενίων. Συγκεκριμένα, χαλκοπυριτικοί απορροφητές μελετήθηκαν με τεχνικές οπτικού χαρακτηρισμού, για να αποτελέσουν, στη συνέχεια, τον απορροφητή χαλκοπυριτικών ετεροκυψελών, όπου η μεταβατική στρώση ZnSe και το «παράθυρο» ZnO της κυψέλης αναπτύχθηκαν με χαμηλού κόστους, μεγάλης επιφανειακής κάλυψης, ταχύρρυθμες χημικές και ηλεκτροχημικές τεχνικές εναπόθεσης. Η μεταβατική στρώση ZnSe αναπτύχθηκε προς αντικατάσταση της στρώσης CdS, η οποία χρησιμοποιείται συνήθως σε ηλιακές κυψέλες χαλκοπυριτών. Ηλιακές κυψέλες απαλλαγμένες από κάδμιο και φιλικότερες προς το περιβάλλον, με συντελεστές απόδοσης 5%, αξιοσημείωτους για εισαγωγή στην Τεχνολογία των Χαμηλού Κόστους - Βέλτιστης Απόδοσης Φωτοβολταϊκών, αναπτύχθηκαν και χαρακτηρίστηκαν δομικά, οπτικά και ηλεκτρικά. Συγκεκριμένα: Οι δομικές και οπτικές ιδιότητες χαλκοπυριτικών μovoκρυστάλλων και επιταξιακών υμενίων μελετήθηκαν με μεθόδους Οπτικής Διαμόρφωσης. Με τη μέθοδο της Φωτοανακλαστικότητας διερευνήθηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν φαινόμενα ελαστικών τάσεων/παραμορφώσεων καθώς και μεταβολές στη σύσταση τριμερών (CuGaSe₂, CulnSe₂, CuGaS₂, CulnS₂) και τετραμερών (Cu(ln,Ga)Se₂, Cu(ln,Ga)S₂) χαλκοπυριτικών απορροφητών, στη συνήθη και σε χαμηλές θερμοκρασίες (300-20Κ). Μελετήθηκε το ενεργειακό φάσμα τριμερών σελινιδίων, μονοκρυστάλλων και επιταχιακών υμενίων. Έμφαση δόθηκε στην αντικατάσταση της μεταβατικής στρώσης του CdS από το φιλικότερο προς το περιβάλλον ZnSe. Η Ανάπτυξη της μεταβατικής στρώσης πραγματοποιήθηκε με τη Μέθοδο της Εναπόθεσης από Χημικό Λουτρό (CBD). Αρχικά, υμένια ZnSe αναπτύχθηκαν σε υποστρώματα από άμορφο γυαλί, ενώ στη συνέχεια σε υποστρώματα επιταξιακών και πολύ κρυσταλλικών χαλκοπυριτικών. Προκειμένου να επιτευχθεί ολοκληρωμένη ηλιακή κυψέλη, υμένιο ZnO το οποίο αποτελεί την εμπρόσθια Ωμική επαφή και συγχρόνως το διαπερατό «παράθυρο» της κυψέλης αναπτύχθηκε σε ετεροδομές τύπου: ZnSe/Chalcopyrite/Mo-glass. Λεπτά υμένια ZnO με ενδογενή αγωγιμότητα (i-ZnO) και ZnO με πρόσμιξη In (ln:ZnO) αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της εναπόθεσης με παλμικό laser. Μεταλλική επαφή AI/Au εναποτέθηκε στην επιφάνεια του ZnO για τη συλλογή των φορέων. Χαρακτηριστικές καμπύλες I-V καταγράφηκαν υπό σκότος, ενδεικτικές της λειτουργίας της ετεροδομής και της επίτευξης ένωσης p-n. Προκειμένου να επιτευχθεί η ολοκλήρωση ηλιακής κυψέλης με χαμηλού κόστους, μεγάλης επιφανειακής κάλυψης, ταχύρρυθμων χημικών και ηλεκτροχημικών μεθόδων, λεπτό παράθυρο ZnO με ενδογενή αγωγιμότητα αναπτύχθηκε ηλεκτροχημικά σε ετεροδομή ZnSe/Chalcopyrite/Mo-glass. Επιτυχώς καταγράφηκαν χαρακτηριστικές καμπύλες I-V α) υπό σκότος και β) σε συνθήκες ακτινοβόλησης, ενδεικτικές της λειτουργίας των ετεροδομών ως ηλιακών κυψελών με συντελεστή πλήρωσης 52.5% και απόδοση 5%. Αντιανακλαστικές επιστρώσεις νανοδομών ZnO μελετήθηκαν με XRD, SEM και AFM. Οι οπτικές ιδιότητες διερευνήθηκαν με Φασματοσκοπία Διαπερατότητας και Τεχνικές Οπτικής Διαμόρφωσης. Το ενεργειακό χάσμα των νανοδομών μετρήθηκε με μεγάλη ακρίβεια με Φασματοσκοπία Φωτοανακλαστικότητας. Με τη χρήση των νανοδομών στη θέση του παραθύρου της ηλιακής κυψέλης, επιτεύχθηκε σημαντική μείωση των απωλειών λόγω ανάκλασης σε ηλιακές κυψέλες CIGS. Μετρήσεις ηλεκτρικής διαμόρφωσης σε εξάρτηση από τη θερμοκρασία πραγματοποιήθηκαν σε ηλιακή κυψέλη ZnO/CdS/Cu(ln,Ga)S₂/Mo-glass. Οι οπτικές ιδιότητες των επιμέρους στρώσεων της ηλιακής κυψέλης μελετήθηκαν σε μεγάλος εύρος θερμοκρασιών από 300Κ έως 10Κ. Οι ελαστικές τάσεις/παραμορφώσεις ποσοτικοποιήθηκαν σε εξάρτηση από τη θερμοκρασία.