Synthèse de cellules solaires en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2

Parmi les convertisseurs solaires de 2^nde génération, la technologie des cellules solaires en couches minces basée sur un absorbeur de Cu(In,Ga)Se₂ est la plus prometteuse.

Ces cellules ont récemment atteint un rendement de conversion photovoltaïque supérieur à 20% en laboratoire [1]. Elles se composent d'un empilement de cinq couches polycristallines.

Nous synthétisons complètement ces dispositifs à l'IMN. Nous déposons successivement :

1. Le contact arrière

Un substrat de verre sodo-calcique est recouvert d'une couche de molybdène par pulvérisation cathodique. Cette couche métallique de 500 nm d'épaisseur est nécessaire pour extraire les trous photo-générés et semble être un filtre pour le sodium contenu dans le verre. En modifiant les paramètres de dépôt, nous sommes en mesure de régler les propriétés de molybdène et la teneur en sodium dans l'absorbeur. Cette question particulière a été récemment étudiée dans une thèse de doctorat [2]. Figure - DC-sputtering machine

Le semi-conducteur de type p de la jonction est déposé par co-évaporation sous vide. Quatre sources élémentaires contenant du cuivre, de l'indium, du gallium et du sélénium sont chauffées pour amener les atomes simultanément ou successivement sur le substrat. Ce substrat est chauffé pour former une couche cristalline. Une cinquième source contenant du NaF est disponible pour amener du sodium pendant ou après le dépôt. Le sodium est connu pour jouer un rôle actif dans le dopage [3, 4] et la formation d'un gradient de composition bénéfique pour le fonctionnement de la cellule [5]. Figure - Elemental sources in the co-evaporation chamber

La plupart de nos recherches concernent cette couche. En particulier, une thèse de doctorat a été récemment proposé à la communauté pour réduire l'épaisseur de cette couche [6] et un doctorant travaille actuellement sur des absorbeurs basés sur des précurseurs d'(In,Ga)₂Se₃. L'objectif de ces travaux est de réduire les coûts de production, l'un en réduisant la quantité de métal nécessaire, l'autre en utilisant une technique de dépôt à faible coût. Un autre objectif de l'équipe est de corréler la présence de sodium et les procédés de fabrication au comportement électrique final du dispositif (lié à des défauts électroniques).

 

2. La couche tampon

Le rôle de cette couche de CdS fait encore en débat au sein de la communauté scientifique, mais les dispositifs à très haut rendement sont toujours obtenus avec cette fine couche semi-conductrice de type n fortement dopée. Elle pourrait protéger des dommages liés aux pulvérisations dans les dépôts suivants, passiver les défauts à la surface de l'absorbeur [7, 8] ou adapter la largeur de la bande d'énergie interdite entre l'absorbeur (˜ 1,2 eV) et la couche de fenêtre (˜3,3 eV) [10, 11 ]. Elle est déposée par bain chimique (CBD). Figure - Chemical bath for CdS deposition

L'équipe a travaillé à trouver un moyen de remplacer cette couche toxique contenant du cadmium par des couches tampons alternatives. En particulier, une thèse de doctorat sur une couche tampon de Zn(O,S) a été proposée récemment [11].

 

2. La couche fenêtre

Une bi-couche d'oxyde de zinc intrinsèque (i-ZnO) et d'oxide de zinc dopé à l'aluminium (ZnO-Al) de 300 nm d'épaisseur est nécessaire pour aider à l'extraction des électrons photo-générés par la grille. Elle est déposée par pulvérisation magnetron. Figure - RF-sputtering for ZnO deposition

Pour former le contact avant, une grille métallique, constituée d'un empilement de nickel et d'aluminium et couvrant moins de 5% de la surface du dispositif est enfin déposée par canon à électron. Figure - Electron beam PVD

References

[1] Jackson, P., Hariskos, D., Lotter, E., Paetel, S., Wuerz, R., Menner, R. & Powalla, M. (2011). New world record efficiency for Cu (In, Ga) Se2 thin‐film solar cells beyond 20%. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 19(7), 894-897

[2] Tomassini, M. (2013). Synthèse de couches minces de molybdène et application au sein des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2 coévaporé. Phd thesis, university of Nantes.

[3] Nakada, T., Iga, D., Ohbo, H., & Kunioka, A. (1997). Effects of sodium on Cu (In, Ga) Se2-based thin films and solar cells. Japanese journal of applied physics, 36, 732-737.

[4] Wei, S. H., Zhang, S. B., & Zunger, A. (1999). Effects of Na on the electrical and structural properties of CuInSe2. Journal of Applied Physics, 85(10), 7214-7218.

[5] Lundberg, O., Lu, J., Rockett, A., Edoff, M., & Stolt, L. (2003). Diffusion of indium and gallium in Cu (In, Ga) Se2 thin film solar cells. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 64(9), 1499-1504.

[6] Leonard, E. (2013). Cellules solaires à base de couches minces de Cu(In,Ga)Se2 submicrométriques : optimisation des performances par ingénierie optique et électronique. Phd thesis, university of Nantes.

[7] Ramanathan, K., Wiesner, H., Asher, S., Nieles, D., Bhattacharya, R.N., Keane, J., Contreras, M.A., Noufi, R. (1998). Proceeding of the Second World Conference Photovoltaic Sol. Energy Conv., Vienna, p. 477

[8] Nakada, T. (2000). Nano-structural investigations on Cd-doping into Cu (In, Ga) Se< sub> 2 thin films by chemical bath deposition process. Thin Solid Films, 361, 346-352.

[9] Nakada, T., Hongo, M., & Hayashi, E. (2003). Band offset of high efficiency CBD-ZnS/CIGS thin film solar cells. Thin Solid Films, 431, 242-248.

[10] Weinhardt, L., Fuchs, O., Groß, D., Storch, G., Umbach, E., Dhere, N. G., & Heske, C. (2005). Band alignment at the CdS ∕ Cu (In, Ga) S interface in thin-film solar cells. Applied Physics Letters, 86, 062109.

[11] Buffière, M. (2011). Synthèse et caractérisation de couches minces de Zn(O,S) pour application au sein des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2. Phd thesis, university of Nantes.