Ladingsdragerskinetiek in een dunne-film zonnecel: modellering versus experiment

Promotoren: Prof. Henk Vrielinck en Prof. J. Thybaut

Begeleiding: Dr. Johan Lauwaert

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden:
Dunnefilmzonnecel, spectroscopie, equivalent netwerk, modelleren, regressie-analyse

Probleemstelling: De markt van de zonnecellen wordt nog steeds overheerst door mono- en multikirstallijne siliciumzonnecellen. De kostprijs van deze types cellen wordt voor ongeveer 50% bepaald door de dikke (>200µm) siliciumlaag. Dunne-film zonnecellen, die als absorber een laag van slechts enkele µm van een directe halfgeleider gebruiken, vormen een goedkoper alternatief. Cu(In1-xGax)Se2 (CIGS) zonnecellen behalen onder de dunne-film cellen de hoogste efficiëntie met recordwaarden van 20.8%, zelfs hoger dan het record met multikristallijn silicium. Een bijkomend voordeel is dat ze op flexibele dragers kunnen worden afgezet. Elektrisch actieve defecten in de absorberlaag, die energieniveaus diep in diens bandgap genereren, leiden tot een verkorting van de levensduur van de ladingsdragers die door optische absorptie worden gegenereerd, en zo ook tot een lagere zonnecelefficiëntie. Het is dan ook heel belangrijk om de concentratie en de eigenschappen van dergelijke defecten nauwkeurig te kunnen bepalen. Capaciteitsspectroscopie is hier in principe bijzonder goed voor geschikt: vangst en emissie van ladingsdragers door defecten laat zich immers zien in de frequentie-afhankelijkheid van de capaciteit (admittantiespectroscopie) of in een trage transiënt in de capaciteit na een spanningspuls (deep-level transient spectroscopy). Deze spectroscopische technieken bieden een schat aan informatie over defecten in eenvoudige halfgeleidercomponenten zoals p-n of Schottky diodes van mono- of multikristallijne halfgeleiders. Dunne-film zonnecellen hebben echter een veel ingewikkeldere structuur: ze zijn opgebouwd uit meerdere lagen van minder goed bestudeerde halfgeleiders. Niet-ideale contacten tussen de lagen en gehinderd transport in de lagen kunnen eveneens aanleiding geven tot signalen in de capaciteitsspectra, wat de analyse bemoeilijkt.

Doelstelling:
Het doel van de masterproef bestaat er in de capaciteitsspectra als gevolg van de kinetiek van de ladingsdragers in de absorberlaag van CIGS zonnecellen nauwkeurig te modelleren. Verschillende mechanismen zullen worden gemodelleerd: voor elk hiervan kan een stel optimale parameters worden af geschat via niet-lineaire regressieanalyse op experimentele spectra. Vergelijking van deze modellen zal dan toelaten het mechanisme dat de experimenten het best beschrijft te selecteren. Bovendien kan op basis van simulaties worden gezocht naar de experimentele omstandigheden (meetparameters) die verschillen tussen de modellen het best tot uiting laten komen (maximum contrast). Verder kan, om bepaalde hypotheses te testen, de lagenstructuur van de dunne-film zonnecel vereenvoudigd worden, bij voorbeeld door lagen aan het voorcontact weg te etsen en te vervangen door een metaalcontact. Tenslotte kan met behulp van zonnecelsimulatiesprogramma’s het effect van de gedetecteerde defecten, niet-ideale contacten of transportparameters, op de efficiëntie van de zonnecel worden geëvalueerd. Afhankelijk van de concrete interesses van de student, wordt het onderwerp meer op modelleren of op experimenteren gericht.