Χαλκοπυριτικές ομοκυψέλες:η επανάσταση στα φωτοβολταϊκάλεπτών υμενίων

ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΑΡΙΑ8ο ΕΞΑΜΗΝΟυπεύθυνη καθηγήτρια:κ. Δήμητρα Παπαδημητρίου

Εναλλακτικές μορφές ενέργειας Αιολική ενέργεια Γεωθερμική

ενέργεια Βιόμαζα Ηλιακή ενέργεια Χρήση

φωτοβολταϊκών

Τί γίνεται στον ήλιο? 6*1011 kg H2He

Κάθε sec!!! Απώλεια μάζας4*103 Κg

δηλαδή 4*1020 j Ένταση της

ακτινοβολίας στη μέση απόσταση γης-ήλιου:1353 W/m2

Ενέργεια φωτονίων ήλιου:0.5-5 eV (0.2-3 μm)

Ιστορική αναδρομή

1839: Alexander-Edmond Becquerel- φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

1954:Chapin, Fuller, Pearson δίοδος επαφής Si

TFSCs:Cu2S/CdS/n=10%

1980:υμένια a:Si-H GaAs/InP CdTe Κυψέλες Χαλκοπυριτών

Η κατανομή των PV υλικών

Ημιαγωγοί-επαφή p/n Ηλεκτρική

αντίσταση:10-2-109 Ω Ενεργειακό χάσμα:

0-4 eV Συντελεστής

απορρόφησης :α (cm-1) Ένταση ρεύματος

φωτονίου:Iν (x)=Iνοe-ax

IVΔομή διαμαντιού

Si,Ge

III-VΔομή σφαλερίτη

GaAs,InP

II-VIΔομή σφαλερίτη

ZnSe,CdS

II-IV-V2

Δομή χαλκοπυρίτηZnGeAs2

I-III-VI2Δομή χαλκοπυρίτη

CuInSe2,CuGaSe2,CuInS2

Διάγραμμα n-Eg

Θεωρητικός συντελεστής απόδοσης: 85%

Πρακτικά :15-20%

2002:single c-Si : n= 24.7%

(θεωρητική τιμή 30%)

Φωτοβολταϊκό φαινόμενο και λειτουργία φωτοκυψέλης

φωτορεύμα IL IF=Is (exp(eV/kT)-1) I=IL – IF

R=0V=0I=ISC=IL R=∞I=0

I=IL – IS(exp(eVOC/kT)-1)

VOC=Vtln(1+IL/Is) Vt=kT/e

Χαρακτηριστική I-V φωτοκυψέλης επαφής p-n

Συντελεστής απόδοσης n Max τιμή:n=Pm/Pin 100%n= ImVm/Pin 100%

Συντελεστής πλήρωσης ff ImVm/IscVoc

Δομή CIGS Ετεροκυψέλης

Υπόστρωμα Μο (πίσω επαφή) Aπορροφητής CIGS

(υμένιο p- τύπου) Υμένιο n-τύπου:

Μεταβατική στρώση CdS‘Παράθυρο’ ZnO/ΙΤΟ

Εμπρόσθια επαφή (grid)

Χαλκοπυρίτες ως απορροφητές

Ιδιότητες Ομοκυψέλη

Παραγωγή φορέων κοντά στην επιφάνεια

Σχεδιασμός → πάχος και doping του απορροφητή

Αδρανοποίηση (passivation) επιφάνειας

Ετεροκυψέλη

Παραγωγή φορέων κοντά στην επαφή p-n

Μετατόπιση ζωνών (band offset)

ΠΡΟΒΛΗΜΑ:Επανασύνδεση φορέων στη διεπιφάνεια

ρυθμός επανασύνδεσης: R=np/τ(n+p) → max για n=p

AΝΑΓΚΑΙΑ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ→ Μετατροπή της επιφάνειας του απορροφητή (τύπου p-) σε τύπου n-

Ελαχιστοποίηση επανασύνδεσης φορέων στη διεπιφάνεια για τις CIGS ετεροκυψέλες Ασύμμετρο doping-αναστροφή διεπιφάνειας →

n+ παράθυρο/p απορροφητής Κατάλληλο φορτίο διεπιφάνειας Q≥0 → Αύξηση κάμψης ζωνών απορροφητή →

Αύξηση αναστροφής διεπιφάνειας Επίπεδο Fermi κοντά στη ζώνη αγωγιμότητας

Βέλτιστος συνδυασμος ζωνών αγωγιμότητας στη διεπιφάνεια/αποφυγή μείωσης φράγματος επανασύνδεσης Εb

Spikes: ΔΕc>0 (ΔΕc<0.3) → ΕΥΝΟΕΙ ΤΗΝ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ Cliffs: ΔΕc<0

Αύξηση του Eg του απορροφητή-μετατόπιση ζώνης σθένους

Επίστρωση ενώσεων τύπου CuGa3Se5 ή CuGa5Se8 (Ordered-Vacancy Compounds, OVCs)

Αύξηση συγκέντρωσης θείου

Doping επιφάνειας απορροφητήομοεπαφή

Δεν αυξάνει το φράγμα Εb= Εg - ΔΕc Μείωση φωτορεύματος

Ελαχιστοποίηση επανασύνδεσης φορέων στη διεπιφάνεια για τις CIGS ετεροκυψέλες

Συντελεστές απόδοσης CIGS Scs

[3] 1st World Conference of Photovoltaic Solar Energy Conversion, Hawaii, 1994, pp. 68–75[4] Prog. Photovolt. Res. Appl. 7 (1999) 311–316.[5] Solar Energy Mat. Solar Cells 67 (2001) 159–166.[6] Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, 1997, pp. 1250–1253.

Αξιολόγηση CIGS κυψελών μικρού Εg

ZnO/CdS/CuInSe2 a= 3-6 105 cm-1

Αναστροφή διεπιφάνειας Προσθήκη Ga →

Cu(In,Ga)Se2 Εg~1.2 eV (30%

Ga) Μέγιστο n= 19.2 %

[*]

Δυσκολία κατάργησης ενδιάμεσης στρώσης-μετατόπιση ζώνης

CuInSe2/ZnO Cu(In,Ga)Se2/ZnO (cliff

στο ZnO)

*Prog. Photovolt: Res. Appl. 11 (2003) 225–230

Αξιολόγηση CIGS κυψελών μεγάλου Εg

ZnΟ/CdS/CuInS2 ή CuGaSe2

H μετατόπιση ζώνης (band-offset) δεν ευνοεί αναστροφή διεπιφάνειαςCliffμείωση φράγματος επανασύνδεσης Εb

Voc(0 K)= Εb/q

Cu(In,Ga)S2

qΔVoc≥ΔΕg αν Εg>1.6 eV

CuInS2/ZnOn= 6% Χωρίς ενδιάμεση στρώση (buffer-layer free)

n-τύπου αγωγιμότητα στο Ge-doped CuGaSe2

Ετεροκυψέλες CuGaSe2 n=9.7% (μονοκρυσταλλικό) & n=9.3% (λεπτό υμένιο)

Δυσκολία n-dopingαυτοαντιστάθμιση (self compensation) πλεγματικά κενά VCu

Λύση: Εμφύτευση ιόντων (ion implantation) Ge ή

Zn

Διαδικασία εμφύτευσης ιόντων 1.Aνάπτυξη μονοκρυστάλλων

CuGaSe2 CVT Κυρίαρχος αποδέκτης: VCu

2.Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) μειώση συγκέντρωσης

αποδεκτών (1018 1015 cm-3)

3.Εμφύτευση ιόντων Ge

4. Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) παρουσία Zn ZnCu Ge δότες n –τύπου αγωγιμότητα Συγκέντρωση δοτών> 1015

cm-3

Συμπερασματικά co-doping με Ge/Zn n-τύπου

CuGaSe2 (Εg=1.7 eV, 300 K) Δημιουργία ομοκυψελών CuGaSe2

Απομάκρυνση ενδιάμεσης στρώσης Μείωση επανασύνδεσης φορέων

διεπιφάνειας στις ετεροκυψέλες Βελτίωση απόδοσης CIGS μεγάλου Εg

Καλή γνώση της δομής του υλικού Έλεγχος υλικού κατά τη παρασκευή

Βιβλιογραφία

K. L. Chopra, P. D. Paulson, V. Dutta, ‘Thin-Film Solar Cells: An Overview’, Prog. Photovolt: Res. Appl. 12 (2004) 69–92.

A. Goetzberg, C. Hebling, H.-W. Schock, ’Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering R 40 (2003) 1–46.

R. Klenk, ‘Characterisation and modelling of chalcopyrite solar cells’, Thin Solid Films 387 (2001) 135-140.

S.Siebentritt, ‘Wide gap chalcopyrites: material properties an solar cells’, Thin Solid Films 403–404 (2002) 1–8.

J. H. Schön, J. Oestereich, O. Schenker, H. Raji-Nejad, M. Klenk, ‘n- type conduction in Ge-doped CuGaSe2, Appl. Phys. Lett. 75 (19) (1999) 2969-2971.

C. Xue, PhD Thesis, NTUA, Athens 2003.