Loss analysis of Low Bandgap (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 Solar Cells for Tandem Applications

Deze studie analyseert de verliezen in 1,0 eV (Ag,Cu)(In,Ga)Se2-zonnecellen voor tandemtoepassingen en concludeert dat hoewel stroomverliezen voornamelijk door absorptie worden veroorzaakt, de grootste beperkende factoren de niet-stralende recombinatie in de absorberlaag (die de spanning verlaagt) en een hoge diodefactor (die de vullfactor beïnvloedt) zijn.

De kern

Titel: Het Grote Verliesanalyse: Waarom zonnecellen nog niet perfect zijn (en hoe we ze beter kunnen maken)

Stel je voor dat een zonnecel een grote, drukke fabriek is. De zon schijnt als een onuitputtelijke stroom van pakketjes (fotonen) naar deze fabriek. De taak van de fabriek is om deze pakketjes te vangen, te verpakken in elektriciteit en die elektriciteit naar buiten te sturen.

In dit onderzoek kijken wetenschappers naar een heel specifiek type fabriek: een tandem-zonnecel. Dit is een dubbeldekker. De bovenste laag vangt de hoge, energieke stralen, en de onderste laag (die we hier bestuderen) vangt de lagere, "rode" stralen op die de bovenste laag heeft laten passeren. Deze onderste laag is gemaakt van een speciaal materiaal genaamd (Ag,Cu)(In,Ga)Se2. Het is als een zeer slimme, maar nog niet perfecte, vangnet.

De onderzoekers hebben deze fabriek grondig gecontroleerd om te zien waar de "lekken" zitten. Ze keken naar drie belangrijke cijfers:

1. Hoeveel pakketjes worden er gevangen? (Stroom)
2. Hoeveel kracht zit er in de elektriciteit? (Spanning)
3. Hoe soepel loopt het proces? (Vulfactor)

Hier is wat ze ontdekten, vertaald naar alledaagse taal:

1. Het Pakketjes-Vangnet (De Stroom)

De fabriek vangt ongeveer 90% van de pakketjes die het zou moeten kunnen vangen. Dat is best goed! Maar er gaat nog wat verloren.

• Het probleem: Sommige pakketjes worden niet eens in de fabriek opgevangen. Ze worden teruggekaatst (reflectie) of gevangen door de "deurposten" (de bovenste lagen van de cel) voordat ze bij de werkelijke werknemers (de absorber) komen.
• De analogie: Stel je voor dat je een bal naar een doel gooit, maar de bal botst tegen een muur ervoor en rolt weg. Of je gooit hem door een smalle deur die te veel weerstand biedt.
• De oplossing: Je moet de deurposten transparanter maken en misschien een spiegel onder de fabriek zetten om de bal terug te sturen als hij eruit valt. Maar het grootste probleem is dat de fabriek zelf niet dik genoeg is om alle "rode" pakketjes te vangen.

2. De Kracht van de Stroom (De Spanning)

Dit is waar het grootste probleem zit. De fabriek produceert elektriciteit, maar de "druk" (spanning) is veel lager dan het theoretische maximum.

• Het probleem: De onderzoekers ontdekten dat de werknemers in de fabriek (de atomen in het materiaal) niet perfect werken. Ze maken fouten. In plaats van de energie van de zonnetjes om te zetten in elektriciteit, laten ze de energie "lekkend" als warmte verdwijnen.
• De analogie: Stel je voor dat je een emmer water (energie) moet vullen. Maar de emmer heeft heel veel kleine gaatjes. Het water stroomt eruit voordat je het kunt gebruiken. Dit wordt niet-stralende recombinatie genoemd. Het is alsof de werknemers in de fabriek vergeten zijn om het werk te doen en in plaats daarvan gaan kletsen (warmte genereren).
• De conclusie: De kwaliteit van het materiaal zelf (de "emmer") is nog niet perfect. Het heeft te veel gaatjes. Dit is de belangrijkste reden waarom de spanning niet hoger is.

3. De Soepelheid van het Proces (De Vulfactor)

De laatste parameter is hoe efficiënt de elektriciteit wordt afgeleverd. Hier zit een verrassend probleem.

• Het probleem: De fabriek heeft een soort "verkeersopstopping" in het midden. De elektriciteit kan niet soepel stromen omdat er een extra obstakel is ontstaan op de plek waar de twee lagen van de fabriek samenkomen (de ruimte-lading regio).
• De analogie: Stel je voor dat je een auto hebt die perfect rijdt op de open weg (het materiaal zelf), maar zodra je de afslag neemt (de overgang naar de bovenste laag), zit er een enorme file. De auto's (elektronen) moeten wachten en steken.
• De oorzaak: Dit gebeurt omdat er een extra laag is toegevoegd (de transparante geleidende laag) om de elektriciteit af te voeren. Deze laag creëert een nieuw soort "verkeersongeval" waar de elektronen vastlopen. Dit is iets dat niet gebeurt in het ruwe materiaal alleen, maar wel in de complete fabriek.

Wat betekent dit voor de toekomst?

De onderzoekers zeggen: "We zijn op een heel goed punt, maar we kunnen nog veel beter."

• Als we de "emmer" (het materiaal) perfect maken (minder gaatjes), kunnen we de spanning flink verhogen.
• Als we de "deurposten" (bovenste lagen) transparanter maken, vangen we meer pakketjes.
• Als we de "verkeersopstopping" (de diode-factor) oplossen, stroomt de elektriciteit veel soepeler.

Het eindresultaat:
Als we al deze lekken dichten, zou deze zonnecel niet meer 18,5% efficiënt zijn, maar 22,8%. Dat klinkt misschien als een klein verschil, maar in de wereld van zonne-energie is dat een gigantische sprong. Het is alsof je van een kleine scooter naar een krachtige motorfiets overstapt.

Kort samengevat:
Deze zonnecel is als een zeer talentvolle sporter die nog niet zijn volledige potentieel haalt omdat hij een slechte schoen draagt (het materiaal heeft te veel fouten) en struikelt over een steen op het pad (de verkeersopstopping bij de overgang). Als we de schoen verbeteren en de steen weghalen, kan hij de wereldrecordbreken.

Technische samenvatting

Probleemstelling

De groeiende vraag naar schone energie vereist een grootschalige implementatie van fotovoltaïsche (PV) technologie. Tandem-zonnecellen, die een boven- en ondercel combineren, kunnen het zonne spectrum efficiënter benutten dan enkelvoudige cellen, met een theoretisch rendement van 46% tegenover 33% voor enkelvoudige cellen. Voor de ondercel in een tandemconfiguratie is een bandkloof van ongeveer 1,0 eV vereist. Chalcopyriet-gebaseerde cellen, specifiek (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 (ACIGS), zijn momenteel de enige hoog-efficiënte technologie die deze bandkloof kan bereiken.

Hoewel recordcellen met een bandkloof van 1,0 eV een rendement van ongeveer 20% hebben bereikt, liggen deze waarden nog ver onder het theoretische Shockley-Queisser (SQ) limiet van 31,6% voor een ideale cel met een perfecte achterreflector. Het is cruciaal om de fundamentele verliezen in de drie prestatieparameters (kortsluitstroom $J_{SC}$, open-klemspanning $V_{OC}$ en vullfactor $FF$) te begrijpen om de efficiëntie verder te verhogen.

Methodologie

De auteurs hebben een uitgebreide optische en elektrische analyse uitgevoerd op hoog-efficiënte ACIGS-ondercellen met een bandkloof van 1,00 eV en een rendement van ongeveer 18,5%. De studie omvatte de volgende meettechnieken op zowel de geëtste absorber/CdS-stapel als de afgewerkte zonnecellen:

1. Absolute Fotoluminescentie (PL): Gebruikt om de kwasi-Fermi-niveau-splitsing (QFLS), de absorptiecoëfficiënt en de niet-stralende verliezen te bepalen. Metingen werden uitgevoerd met zowel kleine als grote laserbundels om de invloed van de ruimte-ladingzone (SCR) te onderscheiden.
2. Elektroluminescentie (EL): Om de diode-factor onder elektrische injectie te meten.
3. Stroom-Spanning (J-V) Karakteristieken: Om de elektrische parameters ($J_{SC}$, $V_{OC}$, $FF$) en de elektrische diode-factor (EDF) te bepalen.
4. Externe Kwantum Efficiency (EQE): Om de spectrale respons en collectieverliezen te analyseren.
5. Verliesanalyse: De auteurs pasten het formalisme van Rau toe om de $V_{OC}$-verliezen op te splitsen in generatieverliezen, stralende verliezen en niet-stralende verliezen. Ze vergeleken ook de optische diode-factor (ODF) met de elektrische diode-factor (EDF) om de locatie van recombinatie te lokaliseren.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

1. Verliesanalyse van de Kortsluitstroom ($J_{SC}$)

• De cellen bereiken ongeveer 89,5% van de theoretische SQ-stroom.
• Het totale stroomverlies bedraagt ongeveer 5 mA/cm².
• Oorzaken:
  • Korte golflengten: Parasitaire absorptie in de vensterlagen (CdS, i-ZnO) en de TCO-laag (AZO).
  • Lange golflengten: Absorptieverliezen in de absorber zelf. De analyse toont aan dat collectieverliezen (verliezen in het verzamelen van ladingsdragers) bij deze efficiënte cellen verwaarloosbaar zijn. Het probleem is dat de absorptie niet 100% is vlakbij de bandkloof.
• Conclusie: Verbetering vereist lichtmanagementstructuren of een dikkere absorberlaag met een constante 1,0 eV bandkloof.

2. Verliesanalyse van de Open-Klemspanning ($V_{OC}$)

Dit is het grootste verliesgebied. De cellen bereiken slechts 77% van de SQ-spanning. De verliezen werden als volgt opgesplitst:

• Generatieverliezen: Verwaarloosbaar (~3 mV).
• Stralende verliezen: Klein (~15 mV), gerelateerd aan de breedte van de bandkloofverdeling ($\sigma$).
• Niet-stralende verliezen: Dit is de belangrijkste fundamentele beperking, goed voor meer dan 150 mV verlies.
  • Deze verliezen zijn voornamelijk te wijten aan bulk-recombinatie in de chalcopyriet-absorber.
  • De kwaliteit van de absorber (bepaald door PL-metingen) bepaalt de $V_{OC}$; het toevoegen van de bovenste lagen (TCO, CdS) heeft een minimaal negatief effect op de niet-stralende verliezen (toename van slechts ~8 mV).
  • De Urbach-energie (een maat voor statische orde) is laag (~13-14 meV), wat wijst op een hoge kwaliteit van het materiaal, maar de niet-stralende recombinatie blijft het kritieke punt.

3. Verliesanalyse van de Vullfactor (FF) en Diode-factor

De FF is beperkt door een hoge diode-factor (ideality factor).

• Observatie: De elektrische diode-factor (EDF) van de volledige cel is significant hoger dan de optische diode-factor (ODF) van de absorber alleen.
• Oorzaak: Dit verschil duidt op recombinatie in de ruimte-ladingzone (SCR) wanneer de p-n-overgang wordt gevormd door het aanbrengen van de TCO-laag. In de absorber alleen (zonder SCR) is de recombinatie lager.
• Mechanisme: De auteurs concluderen dat Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatiecentra in de SCR de oorzaak zijn. Het toevoegen van Gallium (Ga) aan de voorkant van de cel (in de SCR) kan de bandkloof daar vergroten en zo de recombinatie verminderen, maar dit heeft een negatief effect op de stroom.

Significantie en Toekomstperspectief

De studie identificeert twee hoofdzakelijke blokkades voor de efficiëntie van ACIGS-ondercellen:

1. Niet-stralende bulk-recombinatie: Dit beperkt de $V_{OC}$. Als de PL-kwantumopbrengst (PLQY) zou stijgen naar 1% (vergelijkbaar met huidige records), zou de $V_{OC}$ met 117 mV toenemen, wat leidt tot een rendementstijging van 1,2%.
2. SCR-recombinatie: Dit beperkt de FF. Als de diode-factor zou kunnen worden verlaagd naar de laagste waarden gemeten bij chalcopyrieten (n ≈ 1,1), zou de FF stijgen naar 79,3%, wat een rendementstijging van 1,9% oplevert.

Conclusie:
De auteurs tonen aan dat de huidige prestaties van 18,5% voornamelijk worden beperkt door niet-stralende verliezen in de bulk en een hoge diode-factor door SCR-recombinatie. Door deze verliezen aan te pakken (bijvoorbeeld via betere passivering, alternatieve bufferlagen zoals Zn(O,S) om parasitaire absorptie te verminderen, en het elimineren van Ga-gradiënten die de stroom beperken), zou een theoretisch rendement van 22,8% haalbaar zijn. Dit onderzoek biedt een blauwdruk voor de ontwikkeling van de volgende generatie tandem-zonnecellen.