Influence of KF post deposition treatment on the polycrystalline Cu(In,Ga)Se2/CdS heterojunction formation for photovoltaic application
Influence des traitements à base de KF sur la formation de l'hétérojonction polycristalline Cu(In,Ga)Se2/CdS pour application photovoltaïque
Résumé
Among photovoltaic technologies, Mo/Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)/CdS/ZnO/ZnO:Al solar cell is the only thin film based structure demonstrating record energy conversion efficiency of 21.7 %. This outstanding level of performance for such polycrystalline and hetero-junction based devices has been made possible by the use of a so-called potassium fluoride post deposition treatment (KF-PDT) after the absorber synthesis. Such treatment indeed improves all photovoltaic parameters of the solar cell (i.e. Voc, FF, Jsc). Nevertheless, this paradigm appears closely dependent to specific CIGS-surface characteristics which, if not fully satisfied, can yield hindered device performance. In the present work, CIGS absorbers leading to either beneficial or detrimental impact of KF-PDT have been firstly finely investigated. From this study it appeared conclusive that the presence of an ordered vacancy compound (OVC) on top of the CIGS is requested to avoid –detrimental- CuxSe segregation and to take advantage of the KF-PDT. It is herein proposed that this superficial Cu-poor chalcopyrite results in a new phase that turns during the chemical bath deposition of CdS into a ∼5 nm-thick CdIn2S4 layer. This mechanism can in particular explain the much more homogeneous CBD-growth of the buffer layer. Moreover, it is shown that cubic CdIn2S4 material, which has n+-type conductivity, forms a defect-free interface with the CIGS. The final part of this work aims at discussing the impact of KF-PDT on the electro-optical properties of CIGS/CdS solar cell, based on the modifications it implies on both hetero-junction and grain boundary characteristics.
Les cellules photovoltaïques basées sur une hétérojonction constituée d’un absorbeur de
Cu(In,Ga)Se 2 (CIGS) co-évaporé et d’une couche tampon de CdS déposée par bain chimique (CBD) sont
les dispositifs en couches minces permettant d’atteindre les plus hauts rendements de conversion
photovoltaïque. Ces hauts rendements sont notamment rendus possibles par la présence d’espèces
alcalines au sein de l’absorbeur. Jusqu’à très récemment, seul le sodium (Na) était utilisé. Ce Na peut
être apporté par diffusion d’espèces sodées contenues dans le substrat de verre à travers le molybdène
ou par évaporation délibérée d’un précurseur contenant du Na, tel que du NaF, avant, pendant ou après
la croissance de l’absorbeur. La présence de Na pendant la croissance du CIGS impacte ses propriétés
structurales et morphologiques. Que le Na soit apporté pendant ou après le dépôt de l’absorbeur, sa
présence au sein du dispositif augmente significativement la densité effective de trous, et donc la tension
de circuit ouvert. Récemment, l’équipe du Professeur Tiwari a introduit un traitement post-dépôt de
l’absorbeur sous vapeur de KF et sous pression partielle séléniée (KF-PDT), permettant d’atteindre des
rendements de conversion jusqu’à 21.7% à l’échelle du laboratoire. Ce traitement de la surface de
l’absorbeur a pour effet d’augmenter significativement la tension de circuit ouvert (V oc ) et le facteur de
forme (FF) des dispositifs. Il a également été montré que le temps de dépôt par CBD de la couche de CdS
sur cette surface modifiée pouvait être réduit sans détériorer la V oc et le FF, permettant ainsi
d’augmenter la densité de courant de court-circuit (Jsc ). En effet les photons absorbés au sein des
couches de type n (ZnO, CdS) n’étant que très partiellement collectés, la réduction de l’épaisseur de la
couche tampon permet de réduire l’absorption des photons de hautes énergies (λ<550 nm)
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Thesis-LEPETIT-2015-Influence-of-KF-PDT-on-the-polycrystalline-CIGS-CdS-heterojunction-formation-for-photovoltaic-application.pdf (9.87 Mo)
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)