Near 13% efficient semitransparent Cu(In,Ga)S2 solar cells with band gap of 1.6 eV on transparent back contact

Deze studie presenteert semi-transparante Cu(In,Ga)S2-zonnecellen met een bandkloof van 1,6 eV en een werkingsrendement van bijna 13% op een transparante ITO-achtercontact, waarbij natriumtoevoer en hoge temperatuurgroei de absorberkwaliteit en luminescentie significant verbeteren, terwijl de dikte van het ITO-laag de vorming van een stroomblokkerende GaOx-grenslaag beïnvloedt.

De kern

De Zonne-energie van de Toekomst: Een Transparante Zonnebril

Stel je voor dat je een zonne-energiecentrale wilt bouwen, maar dan in lagen. Je hebt een "onderste laag" die het licht van de zon vangt, maar je wilt ook een "bovenste laag" die het licht dat de onderste laag niet kan gebruiken, zelf opvangt. Dit heet een tandem-zonnecel.

Het probleem? De bovenste laag moet doorzichtig zijn voor het licht dat naar de onderste laag moet gaan. Normaal gesproken gebruiken zonnecellen een achterkant van ondoorzichtig molybdeen (een metaal), wat werkt als een spiegel. Voor deze nieuwe technologie hebben we echter een doorzichtige achterkant nodig, zoals een raam.

De onderzoekers van dit papier hebben een nieuwe manier gevonden om dit te doen met een speciaal materiaal: Cu(In,Ga)S2 (een soort zwavel-variant van de bekende CIGS-zonnecel). Ze hebben een cel gemaakt die 12,7% efficiënt is, wat heel goed is voor dit type materiaal.

Hier is hoe ze het hebben gedaan, stap voor stap:

1. De Doorzichtige Achterkant (Het Transparante Raam)

In plaats van een metalen spiegel, hebben ze een laagje ITO (Indium Tin Oxide) gebruikt. Denk aan ITO als een heel dun, doorzichtig venster dat elektriciteit kan geleiden.

• Het probleem: Als je dit venster te dik maakt, of als je het materiaal te heet verwerkt, ontstaat er een ongewenste "roestlaag" (galliumoxide) tussen het zonnemateriaal en het venster.
• De analogie: Stel je voor dat je een brief (elektronen) wilt sturen door een deur. Als er een dikke laag modder (de roestlaag) voor de deur zit, kan de brief er niet doorheen. De elektriciteit blijft steken.

2. De Temperatuur: De "Oven" van het Materiaal

De onderzoekers hebben het materiaal op twee verschillende temperaturen gebakken:

• Lage temperatuur (575°C): Dit is alsof je brood in de oven zet, maar je haalt het er te vroeg uit. De korrels (de kristallen in het materiaal) blijven klein en rommelig. De elektriciteit kan hierdoor niet goed stromen.
• Hoge temperatuur (630°C): Dit is het perfecte bakken. De korrels worden groot en mooi geordend. De elektriciteit kan nu als een snelle auto over een lege snelweg rijden.
  • Resultaat: De hoge temperatuur maakte het materiaal veel sterker en efficiënter.

3. Het Geheim van Natrium (De "Smeermiddel")

Natrium (een zout) is cruciaal voor goede zonnecellen. Het werkt als een smeermiddel voor de elektronen.

• Manier 1: Je kunt natrium toevoegen door een laagje NaF (een zout) mee te bakken.
• Manier 2: Je kunt wachten tot het natrium vanzelf uit het glas onder het materiaal komt (diffusie).

De onderzoekers ontdekten iets verrassends:

• Als je een dikke ITO-laag hebt, moet je extra natrium toevoegen, anders werkt het niet goed.
• Als je een dunne ITO-laag hebt, hoeft je niets toe te voegen. Het glas eronder laat genoeg natrium door de dunne laag heen dringen om het materiaal te "smeren".
• De les: Een dunner raam (ITO) werkt beter omdat het de natuurlijke "smeermiddelen" uit het glas toelaat.

4. Het Dilemma van de "Roestlaag" (GaOx)

Zoals eerder genoemd, ontstaat er bij hoge temperaturen een laagje galliumoxide (GaOx) aan de achterkant.

• Te dik: Het blokkeert de stroom (zoals een dichte deur). De zonnecel wordt traag.
• Te dun: Het blokkeert de stroom niet. Sterker nog, het kan zelfs helpen om de elektronen te beschermen.
• De oplossing: Door de ITO-laag dun te houden en de juiste hoeveelheid natrium te gebruiken, bleef deze "roestlaag" dun genoeg om de stroom door te laten, maar dik genoeg om het materiaal te beschermen.

De Eindresultaten

De onderzoekers hebben een zonnecel gemaakt die:

1. Doorzichtig is aan de achterkant (perfect voor tandem-systemen).
2. Een hoge spanning heeft (door de hoge temperatuur en goede kristalstructuur).
3. 12,7% efficiënt is. Dit is een wereldrecord voor dit specifieke type materiaal met een doorzichtige achterkant.

Samenvattend:
Stel je voor dat je een hoogwaardige zonnecel bouwt in een glazen huis. Als je het huis te heet maakt, ontstaat er condens (de roestlaag) op de ramen. De onderzoekers hebben ontdekt dat als je de ramen (ITO) dun genoeg maakt en het juiste "smeermiddel" (natrium) gebruikt, de condens niet de doorgang blokkeert. Hierdoor kan de zonneschijn (licht) het huis binnenkomen, de elektriciteit vrij stromen, en het licht zelfs doorlaten naar een tweede zonnecel eronder.

Dit is een grote stap richting super-efficiënte zonnepanelen die in de toekomst op gebouwen of auto's kunnen worden geplaatst, waarbij elke straal zonlicht maximaal wordt benut.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Chalcopyriet-zonnecellen op basis van Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) hebben record-efficiënties bereikt, maar voor toepassing als bovenste cel in tandem-zonnecellen (bijv. gecombineerd met een siliciumondercel) zijn materialen met een bredere bandkloof (>1,5 eV) vereist.

• Materiaaluitdaging: Sulfide-gebaseerde chalcopyrietcellen (Cu(In,Ga)S2 of CIGS) met een bandkloof van ca. 1,6 eV zijn veelbelovend, maar vertonen vaak een lagere efficiëntie dan hun selenide- tegenhangers. Dit wordt veroorzaakt door niet-radiatieve recombinatie, defecten in het absorbermateriaal en een lage diffusielengte van ladingsdragers bij hoge gallium-gehaltes.
• Contactuitdaging: Voor tandem-toepassingen is een transparante achtercontact (TBC) noodzakelijk om infraroodlicht door te laten naar de ondercel. Traditionele ondoorzichtige molybdeen (Mo) contacten zijn hier niet geschikt. Indiumtin-oxide (ITO) is een veelgebruikt TBC, maar er zijn twee kritieke problemen:
  1. Bij hoge groeitemperaturen (nodig voor goede kristalkwaliteit) vormt zich vaak een Gallium-oxide (GaOx) laag aan de interface tussen CIGS en ITO. Deze laag kan fungeren als een barrière voor ladingsdragers, wat leidt tot S-vormige J-V-krommen en verlies van de vullingsfactor (FF).
  2. De rol van natrium (Na) en de dikte van de ITO-laag bij het vormen van deze GaOx-laag en het passiveren van defecten is nog niet volledig begrepen in sulfide-systemen.

Methodologie

De auteurs onderzochten Cu(In,Ga)S2 zonnecellen met een bandkloof van ongeveer 1,6 eV, vervaardigd op ITO-gedekte soda-lime glass (SLG) substraten.

• Variabelen:
  • Substraattemperatuur (Tsub): Vergelijking tussen lage temperatuur (575°C) en hoge temperatuur (630°C).
  • ITO-dikte: Twee diktes werden getest: 250 nm (dik) en 100 nm (dun).
  • Natrium (Na) toevoer:
    • Diffusie alleen vanuit het glas (geen extra Na).
    • Extra Na toegevoerd via co-evaporatie van NaF tijdens de tweede stap van het groeiproces (variabele duur: 7 en 18 minuten).
• Karakterisering:
  • Structuur: Scanning Electron Microscopy (SEM) voor korrelgrootte en XRD voor kristalstructuur.
  • Samenstelling: GDOES en ToF-SIMS voor diepteprofielen van Ga, In, Na en de vorming van de GaOx-laag.
  • Opto-elektronisch: Absolute fotoluminescentie (PL) metingen om de Quasi-Fermi-niveau splitsing (QFLS) en de niet-radiatieve verliezen te bepalen.
  • Zonnecel prestatie: J-V metingen, EQE en berekening van de Power Conversion Efficiency (PCE).

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Invloed van Temperatuur en Na op de Absorberkwaliteit

• Korrelgrootte: Hoge temperatuur (630°C) resulteerde in aanzienlijk grotere, kolomvormige korrels vergeleken met 575°C, wat de korrelgrenzen vermindert.
• Defectpassivering: De toevoeging van Na (via NaF) onderdrukte effectief diepe defecten (D1 en D2) in het absorbermateriaal. Dit leidde tot een sterke reductie van niet-radiatieve recombinatie.
• QFLS en PL: De QFLS steeg aanzienlijk bij hoge temperaturen (van 880 meV bij 575°C naar 1060 meV bij 630°C). De fotoluminescentie kwantumopbrengst ($Y_{PL}$) verbeterde met twee orde van grootte bij hoge temperatuur, en werd verder verhoogd door Na-toevoeging.

2. De Rol van de GaOx Interface en ITO-dikte

• Vorming van GaOx: Bij hoge temperaturen vormt zich een GaOx-laag aan de CIGS/ITO interface. De dikte van deze laag is niet-lineair afhankelijk van de Na-concentratie en de ITO-dikte.
  • Dikke ITO (250 nm) + Hoge Temp + Geen extra Na of veel Na (18Na) resulteerde in een dikke GaOx-laag.
  • Dikke ITO + Matige Na (7Na) resulteerde in een dunnere GaOx-laag.
  • Dunne ITO (100 nm) resulteerde in de dunste GaOx-laag, zelfs zonder extra Na-toevoeging, omdat de dunne laag minder zuurstof levert voor oxidatie en de diffusie van Na uit het glas mogelijk de interface beïnvloedt.
• Elektrisch Effect: Een dikke GaOx-laag fungeerde als een barrière voor ladingsdragers, wat leidde tot S-vormige J-V-krommen en een lage vullingsfactor (FF). Een dunne GaOx-laag (zoals bij de dunne ITO of matige Na-toevoeging) veroorzaakte geen blokkering en resulteerde in een hoge FF (>70%).

3. Prestaties van de Zonnecellen

• Record Efficiëntie: De beste cel, vervaardigd op dunne ITO (100 nm) zonder extra NaF (alleen diffusie uit glas) bij 630°C, bereikte een efficiëntie van 12,7% op een actief oppervlak met een bandkloof van 1,61 eV.
• Vergelijking: Een cel met extra NaF (7 min) op dikke ITO bereikte 12,0% efficiëntie.
• Transparantie: De cel is semitransparant en geschikt als bovenste cel in tandemconfiguraties. De efficiëntie onder achterverlichting was lager (3,2%), wat typisch is voor cellen met korte diffusielengtes.
• Bandkloof: De resultaten tonen aan dat sulfide-chalcopyrietcellen met een bandkloof van 1,6 eV vergelijkbare prestaties kunnen leveren als selenide-cellens met een lagere bandkloof (~1,45 eV), wat cruciaal is voor tandem-optimalisatie.

Significantie

Dit onderzoek is een mijlpaal in de ontwikkeling van tandem-zonnecellen:

1. Eerste rapportage: Dit is het eerste rapport dat een efficiëntie van bijna 13% demonstreert voor een chalcopyrietmateriaal met een bandkloof >1,5 eV op een transparant achtercontact.
2. Mechanistisch inzicht: Het werk verheldert de complexe relatie tussen Na, ITO-dikte en de vorming van de GaOx-interface. Het toont aan dat een dunne GaOx-laag niet per se schadelijk is, maar dat een te dikke laag (geïnduceerd door hoge temperatuur en dikke ITO) de prestaties beperkt.
3. Na-diffusie: Het bewijst dat voldoende Na-diffusie uit het glas (via een dunne ITO) voldoende is om de absorberkwaliteit te optimaliseren, wat de noodzaak van extra NaF-co-evaporatie in sommige scenario's kan elimineren.
4. Toekomstperspectief: De resultaten bevestigen dat sulfide-gebaseerde CIGS-cellens met een breed bandkloof een haalbare en efficiënte oplossing zijn voor de bovenste cel in hoog-efficiënte tandem-zonnecellen, mits de interface-chemie (GaOx) en de korrelkwaliteit goed worden beheerd.