What enables GaOx as hole transport layer for a 16 percent 1.0 eV CuInSe2 Bottom Cells with VOC above 550 mV?

Sintesi Tecnica: GaOₓ come Strato di Trasporto di Lacune per Celle Inferiori di CuInSe₂ da 1,0 eV

Definizione del Problema
Le celle solari a calcopirite offrono un bandgap sintonizzabile fino a 1,00 eV, il che le rende i candidati ideali per la cella inferiore in applicazioni fotovoltaiche tandem. Il raggiungimento di questo stretto bandgap richiede un assorbitore di puro CuInSe₂ (CISe) senza Gallio (Ga). Tuttavia, i dispositivi a puro CISe soffrono di basse tensioni a circuito aperto ($V_{OC}$) a causa delle elevate velocità di ricombinazione al contatto posteriore di molibdeno (Mo). Sebbene i gradienti di Ga possano mitigare queste perdite, essi introducono perdite di generazione e radiative. Alternativamente, sono stati sviluppati strati di trasporto di lacune (HTL) per passivare il contatto posteriore. Ricerche precedenti hanno dimostrato che un HTL formato per scambio ionico tra un precursore di CuGaSe₂ e uno strato di InOₓ produce uno strato di GaOₓ che passiva il contatto posteriore. Tuttavia, è stato osservato storicamente che il GaOₓ blocca la corrente e riduce i fattori di riempimento (FF) nelle celle solari con contatti posteriori trasparenti, in particolare quando formato su contatti contenenti Indio. Inoltre, le precedenti implementazioni di successo di questo HTL richiedevano una specifica fase di ricottura del precursore di rame (Cu) e si basavano su InOₓ lavorato tramite via soluzione, sollevando dubbi sulla necessità di tali passaggi per processi depositati tramite sputtering e industrialmente scalabili. Inoltre, il ruolo del Sodio (Na) nel consentire la conducibilità all'interno dello strato di GaOₓ in questa specifica configurazione rimaneva poco chiaro.

Metodologia
Gli autori hanno investigato la formazione e le proprietà di trasporto di un HTL di GaOₓ in celle solari di CuInSe₂ puro da 1,0 eV utilizzando una struttura Glass/Mo/HTL/CISe/CdS/i-ZnO/AZO/MgF₂. L'HTL è stato costruito tramite un approccio a doppio strato: uno strato di CuGaSe₂ povero di Cu co-evaporato da 120 nm seguito da uno strato di InOₓ da 30 nm depositato tramite sputtering RF. È stato quindi utilizzato il processo standard a tre stadi di co-evaporazione per far crescere l'assorbitore di CuInSe₂ da 2,2 µm.

Per isolare i fattori che abilitano la conducibilità del GaOₓ e la passivazione, sono state confrontate tre distinte variazioni di processo:

1. "LT" (Bassa Temperatura): Nessun precursore di Cu aggiuntivo e nessuna ricottura ad alta temperatura prima della crescita dell'assorbitore.
2. "HT" (Alta Temperatura): Ricottura ad alta temperatura (500 °C) senza l'aggiunta di Cu.
3. "Cu HT": Deposizione di un precursore di Cu (30–40 nm) seguita da ricottura a 500 °C, replicando le condizioni ritenute precedentemente necessarie per gli HTL lavorati via soluzione.

Inoltre, lo studio ha esplorato il ruolo del Sodio depositando campioni con e senza una barriera di SiOₓ per bloccare la diffusione del Na dal substrato di vetro soda-lime (SLG). La composizione e la cristallinità dell'HTL sono state analizzate tramite STEM-EDS, SIMS e HRTEM. Le proprietà optoelettroniche sono state caratterizzate tramite fotoluminescenza (PL) assoluta per determinare la scissione del livello di quasi-Fermi (QFLS) e i fattori di diodo ottico (ODF), mentre le prestazioni elettriche sono state valutate attraverso misurazioni J-V, resistenza serie ed estrazione del fattore di diodo elettrico (EDF).

Contributi Chiave e Risultati

• Conducibilità del GaOₓ senza ricottura del Cu: Contrariamente ai risultati con gli HTL lavorati via soluzione, lo studio dimostra che la fase aggiuntiva di ricottura del precursore di Cu non è richiesta per rendere conduttivo lo strato di GaOₓ depositato tramite sputtering. I dispositivi processati senza il precursore di Cu ("LT") hanno mostrato fattori di riempimento e valori di $V_{OC}$ comparabili o superiori rispetto a quelli con il precursore di Cu. È stato scoperto che lo strato di GaOₓ è parzialmente cristallino, una caratteristica attribuita al trattamento termico durante la crescita dell'assorbitore, che può facilitare il trasporto di carica senza la necessità di bande di difetti profonde legate al Cu.
• Ruolo del Sodio: Sebbene il Na sia essenziale per migliorare la qualità bulk dell'assorbitore di CuInSe₂ (come dimostrato dalle rese PL più elevate nei campioni con diffusione di Na), lo studio rivela che il Na non è necessario per le proprietà di trasporto di lacune del GaOₓ stesso. I campioni con uno strato di blocco Na di SiOₓ hanno comunque ottenuto una passivazione del contatto posteriore efficace e un buon trasporto, indicando che il comportamento di blocco osservato negli studi precedenti su dispositivi bifacciali non è inerente a questo design di HTL quando depositato tramite sputtering.
• Indipendenza dal flusso di Ossigeno: Le variazioni nel flusso di ossigeno durante il processo di sputtering di InOₓ non hanno mostrato un'influenza sistematica sulla passivazione o sulla conducibilità dello strato di GaOₓ risultante.
• Prestazioni del Dispositivo: Il processo ottimizzato "LT" ha prodotto una $V_{OC}$ certificata record di 552 mV per una cella di CuInSe₂ puro senza gradienti di Ga, trattamenti con alcali pesanti o leghe di Ag. Il dispositivo ha raggiunto un'efficienza di area attiva del 16,4% con un fattore di riempimento del 69,9% e una corrente di cortocircuito ($J_{SC}$) di 42,7 mA/cm².
• Fattori Limitanti: Nonostante l'elevata $V_{OC}$, il fattore di riempimento rimane limitato da un alto fattore di diodo elettrico (EDF > 1,6). L'analisi confrontando l'ODF dell'assorbitore con l'EDF della cella finita indica che il principale meccanismo di perdita è la ricombinazione Shockley-Read-Hall (SRH) nella regione di carica spaziale (SCR), piuttosto che la ricombinazione bulk o la semplice resistenza serie.

Significatività
Questo lavoro stabilisce che un HTL di trasporto di lacune in GaOₓ, depositato tramite sputtering e formato tramite scambio ionico durante la crescita dell'assorbitore, può passivare efficacemente il contatto posteriore delle celle solari di CuInSe₂ puro senza la necessità di complessi passaggi di ricottura del precursore di Cu o di uno specifico drogaggio di Na all'interno dello strato di ossido. I dispositivi risultanti raggiungono una $V_{OC}$ certificata di 552 mV e un'efficienza superiore al 16%, stabilendo un nuovo standard per le celle inferiori a calcopirite prive di Ga. Questi risultati sono critici per lo sviluppo di celle tandem monolitiche, poiché validano un'architettura di contatto posteriore compatibile con lo sputtering e scalabile, che consente l'uso dell'assorbitore ideale con bandgap da 1,0 eV mantenendo un'alta tensione e una raccolta efficiente dei portatori. Lo studio chiarisce inoltre che l'alto fattore di diodo che limita il fattore di riempimento è un problema sistemico relativo alla ricombinazione SCR in queste specifiche architetture, indicando i futuri obiettivi di ottimizzazione.