Development of sputter deposition processes for Zn(O,S) and window layers for Cu(In,Ga)Se2-based solar cells

Resumen

Renewable energies, such as solar energy, are a fundamental step in the energy transi-tion from fossil fuels to a greener and more sustainable future. Nevertheless, in order to extend the use of photovoltaic (PV) technologies, solar cells efficiency must be in-creased while reducing the manufacturing cost. Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin films are a well-established route for reducing material consumption while maintaining high effi-ciency. However, arising phenomena at the interface between the absorber and the buffer layer, such as defects significantly hinder the full development of this technology. In order to tackle this issue different external conditionings are currently being ex-plored, in this work thermal annealing, light soaking and oxidation were used.

The goal of this research is to improve the interface between (CIGS) and zinc oxysul-phide (Zn(O,S)) buffer in solar cells partially produced in SpuTtering for Advanced Research (STAR). This custom-designed system operates under vacuum, and it was used for the buffer and the window layer production. As the ultimate goal is to transfer the STAR concept to a production line, several challenges need to be addressed. One issue is that solar cells containing Zn(O,S) buffer perform lower than those containing the toxic cadmium sulphide (CdS) produced by chemical bath deposition (CBD), a technique that requires vacuum disruption. Thus, undesirable for production lines.

To increase the performance of Zn(O,S) buffered CIGS solar cells, several process con-ditions (layer thickness and deposition power) were optimized. In addition, the i-ZnO layer was replaced by a ZnMgO layer, and other external variables to the deposition that affect the performance of the CIGS-based solar cells. These included the surface oxidation of CIGS (before growing the Zn(O,S) buffer) under dark and illumination, light soaking, aging, and the conditions for optimal thermal annealing were optimized. With this work, the efficiency of laboratory-scale solar cells processed onto commercial CIGS absorbers by means of STAR, for the provision of the buffer and window layers, increased from 10.2 % to 15.2%, validating the dry processing approach of the buffer/window material system. These results contribute to a deeper knowledge of the causes that influence the performance of these CIGS-based solar cells and will help design superior strategies and increase the process control of the cells prepared using STAR.

RESUMEN

Las energías renovables, como la solar, son un paso fundamental para la transición energética y la eliminación de los combustibles fósiles para un futuro más verde y sostenible. Sin embargo, com el fin de extender el uso de tecnología fotovoltaica (PV por sus siglas en inglés), los paneles y células solares necesitan ser más eficientes y reducir su costo de fabricación. Las películas delgadas de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) son una alternativa bien establecida para reducir el consumo de material manteniendo la eficiencia. No obstante, algunos fenomenos como defectos en la interface entre las capas absorbente y buffer (tampón), dificultan significativamente el pleno desarrollo de esta tecnología. Para abordar este problema, diferentes procedimientos externos estan siendo explorados actualmente. En este trabajo se estudió el annealing térmico, los baños de luz y el efecto de la oxidación.

El objetivo de esta investigación es mejorar la interfaz entre el CIGS y el tampón de oxisulfuro de zinc (Zn(O,S)) en células solares producidas parcialmente mediante sputtering utilizando el sistema STAR (SpuTtering for Advanced Research por sus siglas en inglés). Este sistema está diseñado para el procesado completo de células CIGS sin romper el vacío y en este trabajo se usó para producir las capas tampón y la window (ventana), necessarias para el funcionamento de las células solares sobre absorbentes comerciales. Debido a que el objetivo final es transferir la tecnología de STAR a una línea de producción, es necesario superar diversos desafíos. Un reto importante es aumentar el rendimiento de las células de CIGS provistas con las capas buffer de Zn(O,S), al mismo nivel que los obtenidos con células convencionales basadas en CdS. Este último material no es ideal para implementar en una línea de producción, debido a su toxicidad y a la técnica de deposición empleada (chemical bath deposition (CBD), o baño químico), que necesita la interrupción del vacío en un estadio intermedio de la producción.

Con el fin de aumentar el rendimiento de las células solares CIGS con un tampón de Zn(O,S), diferentes condiciones del proceso (grosor de las capas y potencia de deposición) se optimizaron. Además, se reemplazó la capa de i-ZnO por ZnMgO y se mejoraron otras variables externas a la deposición que afectan el rendimiento de las células solares. Tales como la oxidación superficial previa de CIGS (antes de depositar la capa de Zn(O,S)) bajo oscuridad e iluminación; baños de luz, el efecto de envejecimiento en las células solares; y el annealing térmico.

Con este trabajo se consiguió aumentar la eficiencia de las células de CIGS a la escala de laboratorio del 10.2% hasta 15.2% mediante los depósitos de los sistemas buffer/window utilizando STAR. Esto permitió validar el enfoque de procesamiento en seco del sitema de materiales tampón/ventana. Estos resultados contribuyen a tener un conocimiento más profundo de las causas que influyen en el rendimiento de estas células solares basadas en CIGS, lo que ayudará a diseñar estrategias avanzadas y aumentar el control de proceso y el rendimiento de los dispositivos fabricados con STAR.