[PDF] Optimization of ultra-thin Cu(InGa)Se2 based solar cells with

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Thèse de Doctorat de l"Université Pierre et Marie Curie École Doctorale 397 - Physique et Chimie des Matériaux

Optimization of ultra-thin Cu(In,Ga)Se

2 based solar cells with alternative back-contacts

Présentée parFabien MOLLICA

Soutenue publiquement le 21 Decembre 2016 devant un jury composé de :

Rapporteurs

M. SIMON Jean-Jacques

M. ABOU-RAS Daniel

Examinateurs

Mme EDOFF Marika

Mme SIEBENTRITT Susanne

M. BARREAU Nicolas

Mme LABERTY-ROBERT Christel

Encadrante de thèseMme JUBAULT Marie

Directrice de thèseMme NAGHAVI Negar

Contents

Abstract1

Acknowledgments3

Liste des symboles5

General introduction8

1. Overview of the photovoltaic market and motivation of this study9

1.1. Introduction to the current PV market. . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.1. The need in PV system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.2. Commercial PV technologies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.2. Description of the CIGS solar cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.2. CIGS solar cell architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.2.3. Physics of the CIGS solar cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.2.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.3. Toward ultra-thin CIGS solar cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.3.1. Interest of making thinner CIGS layer. . . . . . . . . . . . . 30

1.3.2. State of the art on the ultra-thin CIGS cells issues. . . . . . . 32

1.3.3. State of the art on the ultra-thin CIGS cells performances. . 33

1.4. Conclusion of the chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2. Ultra-thin CIGS on Mo back-contact41

2.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2. Materials and methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.1. CIGS deposition by coevaporation. . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2.2. Deposition method for the contacts and the buffer layer. . . 44

2.2.3. Characterization techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.2.4. Introduction to the CIGS modeling. . . . . . . . . . . . . . . 46

2.3. Impact of the CIGS thickness on the materials and solar cells properties49

2.3.1. Simulated impact of the CIGS thickness on the cell performances49

2.3.2. Experimental results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.3.3. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.4. Impact of the CIGS band-gap on the materials and solar cells prop-

erties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

2.4.1. Materials analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

i ContentsContents2.4.2. Electrical analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.4.3. Cells with a Ga gradient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.4.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

2.5. Impact of the deposition parameters on ultra-thin CIGS properties. 78

2.5.1. Description of the design of experiment. . . . . . . . . . . . . 78

2.5.2. Material analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

2.5.3. Cell performances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2.5.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.6. Conclusion of the chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3. Photocurrent enhancement in ultra-thin CIGS solar cells91

3.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.2. Replacing the Mo back-contact by a transparent conducting oxide. . 92

3.2.1. Choice of the back-contact. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.2.2. State of the art. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.2.3. Photocurrent calculation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.2.4. Impact of the TCO resistivity on the cell performance. . . . . 100

3.2.5. TCO/CIGS band-alignment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.2.6. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.3. Characterization of the TCOs as back-contact. . . . . . . . . . . . . 106

3.3.1. Experimental details. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.3.2. Electrical characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.3.3. Optical characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.3.4. Chemical stability of the TCO at high temperature under se-

lenium flux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

3.3.5. Impact of the TCO on the Na diffusion from glass substrate. 112

3.3.6. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.4. Optimization of the CIGS deposition on transparent conductive oxides114

3.4.1. Experimental details. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

3.4.2. Materials analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.4.3. Opto-electrical analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.4.4. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.5. Addition of a reflector at the rear side of the glass substrate. . . . . 137

3.5.1. Methods and back-contact reflection. . . . . . . . . . . . . . 137

3.5.2. Impact of the reflector on the cell performances. . . . . . . . 138

3.6. Conclusion of the chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4. Back-contact passivation in ultra-thin CIGS solar cells147

4.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4.2. Recombination management at the back-contact. . . . . . . . . . . . 148

4.2.1. State of the art on the passivation of the CIGS layer.. . . . . 148

4.2.2. Choice of the passivation oxide. . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.3. Materials, Methods and materials characterizations. . . . . . . . . . 152

4.3.1. Substrate preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

ii

Contents

4.3.2. Materials characterization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

4.3.3. Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.4. Cell performances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.4.1. Mo/TiO

2substrate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.4.2. Mo/Al

2O3substrate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

4.4.3. Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

4.5. Study of the passivation effect by photoluminescence. . . . . . . . . 169

4.6. Conclusion of the chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

5. Ultra-thin CIGS solar cells on reflective and passivating back-contact175

5.1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

5.2. Passivated bifacial CIGS solar cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.2.1. Samples preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

5.2.2. Performance of the passivated bifacial solar cells. . . . . . . . 177

5.2.3. In-depth back-contact recombination characterization. . . . . 179

5.3. Encapsulated mirror. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.3.1. Samples preparation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.3.2. Cell performance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

5.4. Conclusion of the chapter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

General conclusion and perspectives194

A.VOCanalysis based on the 2-diode fit of the dark I(V) curves197

B. CIGS analysis by ellispometry spectroscopy201

C. Ray Transfer Matrix method205

D. SCAPS model for a CIGS cell211

E. Optimization of NaF PDT on different substrate213

F. Refractive indices223

Résumé en français233

Bibliography253

iii

Abstract

In the past three years, record efficiency of Cu(In,Ga)Se

2(CIGS) based solar cells has improved

from 20% up to 22.6%. These results show that CIGS absorber is ideal for thin-film solar cells, even if lower manufacture cost can improve its competitiveness. The fabrication of devices with thinner CIGS absorbers is a way to increase the throughput of a factory and to reduce material consumption. The present PhD thesis aims to develop cells with a CIGS thickness below 500 nm instead of the conventional 2.0-2.5µm. However, previous studies have reported reduced cell performance of ultra-thin CIGS. We carefully analyzed this effect by the comparison between

simulations and sample characterizations: it is attributed, on one hand, to a lack of light absorption

in the CIGS layer and, on the other hand, to an increased impact of the back-contact (high recombination and low reflectivity). To resolve these problems, we demonstrated theoretically and experimentally that the use of an alternative back-contact, other than molybdenum, such as a transparent conducting oxide coupled with a metallic light reflector, improves the cell efficiency. To achieve these results, an optimization of the CIGS deposition on ZnO:Al and SnO

2:F back-

contact was necessary. Moreover, we proved that a porous insulating oxide layer inserted between the CIGS and the back-contact has a passivating effect and removes some parasitic resistances. Finally, we achieved an efficiency of 10.7% for a 480-nm-thick CIGS solar cell with a SnO

2:F back-

contact passivated with a porous Al

2O3layer and 9.2% for a 260-nm-thick CIGS solar cell with a

SnO

2:F back-contact.

Résumé

En quelques années, l"efficacité des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se

2(CIGS) est passée de

20% à 22,6%. La rapidité de ce développement montre que le CIGS est un matériau idéal pour

les technologies solaires en couches minces. Pourtant, le coût de production cette technologie doit

encore être abaissé pour une meilleure compétitivité de la filiaire. Industriellement, un module avec

une couche de CIGS plus fine augmenterait le taux de production et réduirait sa consommation

en métaux. Ce travail de thèse vise à réduire l"épaisseur du CIGS d"un standard de 2.0-2.5µm

à une épaisseur inférieure à 500 nm sans altérer les performances électriques. Cependant, comme

rapporté dans la littérature, nous avons observé une diminution des rendements de conversion,

ce que nous avons analysé en détail en comparant simulations et caractérisations d"échantillons.

Celle-ci est causée à la fois par une faible absorption de la lumière dans la couche de CIGS et

par un impact important du contact arrière (fortes recombinaisons et faible réflectivité). Pour

dépasser ces limites, nous démontrons à la fois théoriquement et expérimentalement que le contact

arrière en molybdène peut être remplacé par un oxyde transparent conducteur couplé à un miroir

métallique. De meilleurs rendements sont obtenues avec une telle architecture. Pour atteindre ce résultat, nous avons optimisé le dépôt de CIGS sur SnO

2:F et ZnO :Al. De plus, nous prouvons

qu"une couche d"oxyde perforée, insérée entre le CIGS et le contact arrière, a un effet passivant et

réduit l"influence des courants parallèles. Au final, nous avons fabriqué un dispositif avec un CIGS

de 480 nm, passivé par une couche perforée d"alumine, sur contact arrière en SnO

2:F, atteignant

un rendement de 10.7%, ainsi qu"un dispositif avec un CIGS de 260 nm sur contact arrière en SnO

2:F atteignant un rendement de 9.2%.

1

Remerciements

Je remercie chaleureusement ma directrice de thèse Negar Naghavi et mon en- cadrante de thèse Marie Jubault. Negar, également responsable du projet ANR

UltraCIS

M, a su orienter au mieux le projet, grâce à son écoute et parfois son in-

flexibilité. Cela me forçait à étayer mes arguments et à réfléchir aux implications

de mes propositions. Marie apportait aussi de nombreuses idées, rendant les réu- nions très constructives. Je les remercie également pour toutes les relectures d"ar- ticles/abstracts, leurs écoutes attentives de mes présentations interminables et les encouragements quotidiens. Je voudrais remercier Negar et EDF m"avoir fait confiance en me choisissant pour ce projet. L"IRDEP, qui m"a accueilli pendant cette thèse, est un cadre exceptionnel pour effectuer de la recherche de haute qualité. Je remercie donc Daniel Lincot et Matthieu Versavel, qui font vivre cette structure. De plus, les discussions avec Daniel et Matthieu ont toujours été très enrichissantes. Je remercie particulièrement les rapporteurs, Daniel Abou-Ras et Jean-Jacques Si- mon, pour avoir examiné attentivement la thèse. Enfin je remercie l"exceptionnel jury de soutenance pour avoir lu en détail le manuscrit : Marika Edoff, Susanne Siebentritt, Nicolas Barreau et la présidente de jury Christel Laberty-Robert. Les

questions, très précises, posées lors de la soutenance ont montrés un intérêt certain

pour le travail effectué. Je remercie également Marie Jubault et Frédérique Donsanti pour m"avoir formé aux réacteurs de dépôts sous vide. Je ne crois pas avoir cassé quelque chose (à par moi-même)! Mais je n"aurais jamais été à la hauteur concernant le remontage des cellules d"effusions... Merci à tous ceux qui s"occupent des différentes étapes de fabrication des cellules solaires avec la tâche difficile de les standardiser et les optimiser : Samuel R., Laurent M., Thibaud H., Jessica L., Kim N., Nicolas L., Benoît R. Et je remercie fortement Enrique L. pour les nombreuses caractérisations

électriques et pour l"attention particulière qu"il portait à mes échantillons spéciaux.

Je remercie aussi le pôle Bâtiment F pour les caractérisations avancées : Laurent L., Daniel O. et Gilbert H. En particulier, Laurent L. pour toutes les discussions que l"on a pu avoir sur l"interprétation des résultats et Daniel O. pour l"analyse statistique des plans d"expériences. Je remercie tous les partenaires du projet UltraCISM. J"ai eu la chance de collaborer avec le C2N : Julie Goffard pour les nombreux deals d"échantillons sur la thématique nanostructure, sa bonne humeur et sa motivation, ainsi Stéphane Collin et Andréa Cattoni pour les nombreuses discussions très constructives. J"ai pu travailler avec l"ILV sur les caractérisations avancées des matériaux, Anaïs Loubat, Murielle Bout- temy et Arnaud Etcheberry, avec qui il était très agréable de travailler (et qui sont très patients quand je suis en retard!). Les caractérisations étaient toujours très minutieuses. Mes échantillons ont également été suivis attentivement par Patrick Chapon et Céline Eypert de la société Horiba Jobin-Yvon. 3 Merci également à tous ceux qui m"ont aidé, de près ou de loin, ont pris le temps de répondre à mes questions ou qui m"ont débloqué sur un problème : Corentin B. (process de lift-off), Romain B. (question sur la DRX), Elisabeth C. (dissolu- tions en tout genre), Aurélien D. (four de recuits), Pierre-Philippe G. (plans après- thèses), Thibaud H. (blind test Madonna), Jessica L. (images MEB), Laurent M. (aide GD-OES), Stephan B. (images MEB), Laurent L. (pour le temps passé sur mes échantillons un peu spéciaux), Nicolas L. (référent paillasse en folie), Javier M (discussions sur le TiO2), Dac-Trunc N. (aide PL), Daniel O. (plans d"expériences), Jorge P. (expert Lyx et râleur pro), Jean R. (substrat de SnO2 :F), Nathanaëlle S. (ALD), Frédérique D. (expert en chef coévaporation et ALD), Bertrand T. (jonc- tion Schottky), Myriam P. (pour ta patience infinie pour mes trèèès nombreuses questions variées, pour la litho et les solutions de gravures), Cathy B. (travail sur le contact arrière), Loraine D. (travail sur le contact arrière), Torben K. (trucs et astuces coévaporation). Un gros merci à Sophie G. à qui j"ai dû donner des petites sueurs froides, Mireille O. par ta patience avec moi, et Claire V. pour les séances de gym! Enfin, je voudrais remercier les anciens/nouveaux co-thésard Julien, Charlène, Thomas, Valentin, Jean, Amélie, Sébastien, Harold, Ombline, Jorge, Mishael, Solange, Linda, Thibaud, Torben, Cathy, Loraine, Serena, Tarik pour les foots, les footings, les bières au Patio, les bouteilles de vins sur le canal de la Villette, le maintien en vie de mes plantes, les recherches de mes lunettes perdues au labo,.... Et je remercie tout le labo pour les bons moments informels au café ou ailleurs! Je remercie du fond du coeur mes parents, mes frères et toute ma famille pour leur soutien inconditionnel! Je pense aussi à tous mes amis qui m"ont aidé en toutes circonstances. Enfin, je remercie la RATP pour les 1575h de moments de grâces passés dans les transports... 4

Liste des symboles

FFFill Factor

J

SCShort-circuit current density

V

OCOpen-circuit voltage

ALD Atomic-Layer Deposition

BCBack-Contact

CBD Chemical Bath Deposition

CGI [Cu]/([Ga]+[In]) as atomic ratio

CIGS Copper Indium Galium Didelenide - Cu(In,Ga)Se 2

EDS Energy Dispersive Spectroscopy

EQE External Quantum Efficiency

GD-OES Glow-Discharge Optical Emission Spectroscopy

GGI [Ga]/([Ga]+[In]) ratio

I(V) Current-Voltage

IQE Internal Quantum Efficiency

IRInfrared

ITO Tin-doped indium oxide

LCOE Levelized Cost of Electricity

nano-AES nano-Auger Electron Spectroscopy

OVC Ordered Vacancy Compound

PDT Post Deposition Treatment

PLPhotoluminescence

5

PVPhotovoltaic

QNR Quasi Neutral Region

RTM Ray Transfer Matrix

SCR Space Charge Region

SEM Scanning Electron Microscopy

SQL Shockley-Queisser Limit

TCO Transparent Conducting Oxide

TRPL Time-Resolved Photoluminescence

XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy

XRD X-Ray Diffraction

XRF X-Ray Fluorescence

6

General introduction

Renewable energies are essential to meet the Paris Agreement 2015 that aimed at responding to the threat of climate change [ 1 ]. Photovoltaic (PV) technologies are a key component of decarbonized electricity that exploits the sun power and becomes competitive against other source of energy. Photovoltaics today are dominated by crystalline silicon technology. Among the alternatives, Cu(In,Ga)Se

2(CIGS) thin-film solar cells are most advanced and most

efficient [ 2 ]. They are already well developed with current record conversion efficien- cies for 0.5 cm ²large cells of 22.6% [3] and for production size modules of 16.5%. To be more competitive, the CIGS module cost, calculated by the levelized cost of electricity, has to be further reduced by a decrease in the module fabrication cost, an up-scaling of the production, an improvement of the module efficiency while maintaining similar module price and lower degradation rate [ 4 The present PhD thesis aims to reduce the module fabrication cost and increase the module efficiency by reducing the CIGS absorber thickness. This strategy would (1)quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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