Studie van defecten die de performantie van Cu(In, Ga)Se2 dunne-film zonnecellen beperken

Groep: DiSC

Promotor: Prof. Henk Vrielinck

Begeleiding: Lisanne Van Puyvelde en  Johan Lauwaert

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

Trefwoorden:

CIGS zonnecellen, éénkristallen, smeltgroei , spectroscopie

Probleemstelling:

De markt van de zonnecellen wordt nog steeds overheerst door siliciumzonnecellen. Toch is de kostprijs van dit type cel vrij hoog om te kunnen concurreren met andere energiebronnen, omdat die prijs voor ongeveer 50% bepaald wordt door de dikke (>200µm) siliciumlaag. Dunne-filmzonnecellen, zoals Cu2(In,Ga)Se2 (CIGS) cellen, vormen een goedkoper alternatief. Ze kunnen reeds geproduceerd worden met een recordefficiëntie van ongeveer 20% wat vergelijkbaar is met de bekende multikristallijne siliciumcellen. Ze hebben bovendien het voordeel dat ze op een flexibele drager kunnen worden afgezet (staaltape, kopertape, polymeren). Een belangrijk nadeel van deze cellen is het gebruik van In, een schaars element dat bovendien ook in beeldschermtechnologie zeer gegeerd is. Daarom is onderzoek en ontwikkeling van verwante zonnecellen die geen zeldzame elementen bevatten (bijvoorbeeld Cu2ZnSnS4) de laatste jaren sterk in opmars, al is hun efficiëntie is nog laag.

Om de efficiëntie te verbeteren of de kostprijs nog te laten dalen is inzicht in de elektronische werking van dergelijke zonnecellen en in de defectstructuren erin aanwezig noodzakelijk. Een goede elektrische karakterisering van de defecten in de zonnecel maakt het mogelijk om specifieke productiestappen doelgericht te optimaliseren en af te wijken van een ‘trial and error’ methode om de efficiëntie te verbeteren. Daarom tracht men te bepalen welke onzuiverheden of intrinsieke puntdefecten een sterke invloed hebben op de zonnecelwerking. Vaak zullen elektrisch actieve defecten in de absorberlaag van de zonnecel de levensduur van de gegenereerde ladingsdragers beperken, hetgeen vermeden moet worden. Capaciteitsspectroscopie (admittantiespectroscopie en deep-level transient spectroscopy (DLTS)) is uitermate geschikt voor de studie van defectniveaus in halfgeleiders. In dunne-filmstructuren worden echter vaak contacteigenschappen in plaats van defecteigenschappen gemeten. Onze onderzoeksgroep hanteert een dubbele strategie om met dit probleem om te gaan. Enerzijds worden de eigenschappen van contactsignalen van dunne-film zonnecellen bestudeerd, om die goed van signalen van elektrisch actieve defecten te kunnen onderscheiden. Anderzijds worden defecten in éénkristalmodelsystemen voor de CIGS absorberlaag van de zonnecellen bestudeerd, die bovendien op gecontroleerde wijze kunnen worden gedoteerd

Doelstelling :

Het doel van de masterproef bestaat er in de energieniveaus die intrinsieke defecten en onzuiverheden in de verboden zone van de CIGS absorberlaag introduceren te karakteriseren, via een studie op éénkristalmodelsystemen. De kristallen zullen via de Bridgmanmethode uit de smelt worden gesynthetiseerd. Dotering met courante onzuiverheden in de grondstoffen (zoals Fe in In), met onzuiverheden die de kristalgroei bevorderen (Na) of waarvan men verwacht dat ze de vrij-ladingsdragerconcentratie sterk beïnvloeden (Sb, Cd, Zn), kan gebeuren tijdens de smeltgroei, of achteraf via indiffusie. De structuur en stoichiometrie van de kristallen zal worden gemonitord met behulp van X-stralen technieken, terwijl de ladingsdragerconcentratie en het type van halfgeleiders via Hall-van der Pauw metingen zullen worden bepaald. Voor de karakterisering van diepe defectniveaus zal er voornamelijk op DLTS worden gesteund. Hiermee kunnen de concentratie, de niveaus in de verboden zone en vangstparameters voor vrije ladingsdragers van elektrisch actieve defecten bepaald worden. Dit onderzoek zal worden aangevuld met optische spectroscopie (absorptie en luminescentie), geschikt voor de studie van zeer ondiepe defectniveaus, en elektronen paramagnetische resonantie spectroscopie, die in principe toelaat defecten chemisch te identificeren.
Afhankelijk van de voortgang en van de concrete interesses van de student kan het onderzoek zich ook richten op een gedetailleerde vergelijking met spectra van echte dunne-filmzonnecellen, simulaties van de mogelijke invloed van de onderzochte defecten op zonnecellen (in samenwerking met de onderzoeksgroep zonnecellen van de vakgroep EA06 - ELIS) of een theoretische analyse van het effect van defecten en contacten op DLTS spectra.

2013DISC2_1.png

Elektronenmicroscoopopname van een dunne-filmzonnecel met Cu(In,Ga)Se2 absorber

2013DISC2_2.jpg

Resultaat van CuInS2 éénkristalgroei uit de smelt (Bridgman methode)