Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Advanced rear contact design for CIGS solar cells
KTH, School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The current trend concerning the thinning of solar cell devices is mainly motivated by economic aspects, such as the cost of the used rare-earth elements, and by the requirements of emergent technologies. The introduction of ultra-thin absorber layers results in a reduction of used materials and thus contributes to a more cost-effective and time-efficient production process.However, the use of absorber layers with thicknesses below 500nm gives rise to multiple apprehensions, including concerns regarding light management and the absorber’s quality.Therefore, this experimental work presents a novel solar cell architecture that aims to tackle the issues of optical and electrical losses associated with ultra-thin absorber layers. To that end, a Hafnium Oxide (H f O2) rear side passivation layer was introduced in-between the copper indium gallium (di)selenide Cu(In, Ga)Se2, CIGS-based absorber layer and the Molybdenum (Mo) back contact. Then, the proposed Potassium Fluoride (KF) alkali treatment successfully established point contacts on the ALD-deposited oxide layer, resulting in a passivation effect with minimum current blockage.The established cell architecture showed significant improvements regarding both open circuit voltage (Open-Circuit Voltage (Voc)) and efficiency when compared to unpassivated reference devices. The used solar cell simulator (SCAPS) attributes the observed improvements to a reduced minority carrier recombination velocity at the rear side of the device. Moreover, the provided photoluminescence (PL) results report a higher peak intensity and lifetime for passivated devices.Furthermore, the overlay of the given external quantum efficiency (EQE) spectra with the performed simulations show that the HfO2 passivation layer improves the optical reflection from the rear contact over a wavelength interval ranging from 500 to 1100 nm, resulting in a short circuit current (Jsc) improvement. An increased quantum efficiency observed throughout almost the entire measurement range, confirms that the enhance in Jsc is also due to electronic effects.Here, a produced solar cell device including a 3nm-thick HfO2 rear passivation layer and a 500nm-thick 3-stage CIGS absorber, achieved a conversion efficiency of 9.8%.Further, the approach of combining an innovative rear surface passivation layer with a fluoride-based alkali treatment resulted in the development and successful characterisation of a 1-stage, 8.6% efficient solar cell. Such result, mainly due to a short circuit current (Jsc) enhancement, supports the introduction of more straightforward production steps, which allows a more cost-effective and time-efficient production process. The produced device consisted of a 500nm-thick CIGS absorber, rear passivated with an ultra-thin (2nm) HfO2 layer combined with a 0.6M KF treatment.

Abstract [sv]

Den nuvarande trenden när det gäller solcellsanordningar huvudsakligen motiveras av ekonomiska aspekter, såsom kostnaden för att använda sällsynta jordartsmetaller, och av kraven i ny teknik. Införandet av ultratunna absorptionsskikt resulterar i en minskning av använda material och bidrar därmed till en mer kostnadseffektiv och tidseffektiv produktionsprocess.Användningen av absorptionsskikt med tjocklekar under 500 nm ger emellertid upphov till flera bekymmer, beträffande ljushantering och absorptorkvalitet.Därför presenterar detta experimentella arbete en ny solcellarkitektur som syftar till att ta itu med frågorna om optiska och elektriska förluster förknippade med ultratunna absorberlager. För detta ändamål infördes ett Hafnium Oxide (H f O2) bakre sidopassiveringsskikt mellan kopparindiumgallium (di) selenid Cu(In, Ga)Se2, CIGSbaserat absorberande skikt och Molybdenum (Mo) kontakt. Sedan upprättade den föreslagna kaliumfluorid (KF) alkali-behandlingen framgångsrikt punktkontakter på det ALD-avsatta oxidskiktet, vilket resulterade i en passiveringseffekt med minimal strömblockering.Den etablerade cellarkitektur visade signifikanta förbättringar avseende både öppna kretsspänningen (Voc) och effektivitet i jämförelse med opassiverad referensanordningar. Den använda solcellsimulatorn (SCAPS) tillskriver de observerade förbättringarna till en minskad minoritetsbärares rekombinationshastighet på enhetens baksida. Dessutom de tillhandahålls fotoluminescens (PL) resultat rapporterar en högre toppintensitet och livslängd för passive enheter.Dessutom visar överläggningen av det givna externa kvantitetseffektivitetsspektrumet (EQE) med de utförda simuleringarna att passiveringsskiktet HfO2 förbättrar den optiska reflektionen från den bakre kontakten över ett våglängdsintervall från 500 till 1100 nm, vilket resulterar i i en kortslutningsström (Jsc) förbättring. En ökad kvantverkningsgrad observerats i nästan hela mätområdet, bekräftar att öka i Jsc är också på grund av elektroniska effekter.Här, en producerad solcellsanordning innefattande en 3 nm-tjock HfO2 bakre passiveringsskikt och ett 500 nm-tjock 3-stegs CIGS absorber, uppnått en omvandlingseffektivitet på 9.8%.Vidare resulterade tillvägagångssättet att kombinera ett innovativt bakre ytpassiveringsskikt med en fluoridbaserad alkalibehandling i utvecklingen och framgångsrik karaktärisering av en 1-stegs, 8.6% effektivitet solcell. Ett sådant resultat, främst på grund av en kortslutningsström (Jsc) förbättring, stöder införandet av mer enkla produktionssteg, vilket möjliggör en mer kostnadseffektiv och tidseffektiv produktionsprocess. Den framställda anordningen bestod av ett 500 nm-tjock CIGS absorber, bakre passiverad med en ultra-tunn (2 nm) HfO2-skikt kombineras med en 0.6M KF behandling.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 131
Series
TRITA-EECS-EX ; 2019:533
Keywords [en]
CIGS, HfO2, surface passivation, alkali treatment, point contact openings, SCAPS
National Category
Computer and Information Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-257846OAI: oai:DiVA.org:kth-257846DiVA, id: diva2:1348692
External cooperation
IMEC; Solliance
Examiners
Available from: 2019-09-05 Created: 2019-09-05 Last updated: 2019-09-05Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(32814 kB)30 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 32814 kBChecksum SHA-512
824faf92a066aec928f2bc1e511555e3b724a5fbb0ca1813f70b77f6fbe4fc668641824c162d9611cfed354bdd7a3d1de12b809838f8bfe81b9ca3fe77aec726
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Electrical Engineering and Computer Science (EECS)
Computer and Information Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 30 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 92 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf