Highly efficient solar cells from abundant materials
- Reference number
- FFL12-0178
- Start and end dates
- 140101-191231
- Amount granted
- 9 720 032 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The aim of the project is to increase the understanding of loss mechanisms in thin film solar cells based on sulphur or selenium containing semiconductors. This will be the basis for fabrication of a tandem thin film structure with significantly increased efficiency as compared to single junctions. In addition, the materials should be made using only abundant, non-toxic elements. The project will support Swedish emerging thin film solar cell industry through education of skilled personnel, dissemination of results and active collaboration. The work plan includes development of deposition processes for Cu2ZnSnS4 (CZTS) films and one additional wide band gap material, fabrication of solar cell devices and development of suitable contacts. The starting point is the Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) device structure. Optical, electrical and structural characterisation of individual films will be coupled to opto-electric device characterisation and modelling to determine limiting loss mechanisms. In particular, detailed interface studies will be related to solar cell performance. Expected results are establishment of processes for high quality CZTS material and wide gap material giving devices with at least 13% and 10% efficiency respectively. Another expected result is the identification of loss mechanisms in both device structures and the determination of band alignment at relevant interfaces. In the end, first results from a tandem structure will be shown.
Popular science description
Behovet av energikällor som är förnybara och inte förorenar naturen ökar. Ett alternativ är solceller som direkt omvandlar solljuset till elektrisk energi utan rörliga delar. Den så kallade verkningsgraden hos en solcell anger hur stor del av energin i solljuset som kan omvandlas till elektrisk energi. De solceller som finns på marknaden idag är gjorda av halvledarmaterialet kisel. Dessa solceller har en verkningsgrad runt 15% och en garanterad livstid på 25 år. Detta skulle göra solceller till ett attraktivt alternativ om inte priset var för högt. Ett sätt att försöka sänka kostnaden är att använda tunnfilmsteknik där solcellerna byggs upp genom att lägga tunna filmer på ett billigt substrat, t ex glas. För tillräckligt storskalig tillverkning kommer kostnaden för dessa solceller kommer att domineras av priset på substratet. Det enda sättet att ytterligare sänka kostnaden för producerad el är då att höja verkningsgraden. Solceller bygger på samma princip som dioder. Ett inre elektriskt fält byggs upp genom kontakten mellan två material med olika elektriska egenskaper. Solljuset absorberas och skapar rörliga laddningar som separeras med hjälp av det inbyggda fältet. En viktig egenskap hos halvledarmaterial är förekomsten av förbjudna energinivåer i så kallade bandgap. Storleken på bandgapet avgör hur stor del av solens spektrum som kan absorberas. Den maximala verkningsgraden för en solcell som baseras på ett material är begränsat till ungefär 30%. Om man däremot kan använda flera solceller med olika bandgap som absorberar olika delar av solens spektrum, kan verkningsgraden öka markant. Cu(In,Ga)Se2, kallat CIGS, är ett av de mest lovande materialen för tunnfilmssolceller eftersom 20% verkningsgrad visats i lab-skala. Flera unika egenskaper hos CIGS har framförts som förklaring till den höga verkningsgraden, men mycket arbete återstår för bättre förståelse. En av de största nackdelarna med CIGS, liksom för det andra mest framgångsrika materialet för tunnfilmssolceller; kadmiumtellurid, är användandet av sällsynta ämnen som indium och tellurium. Detta kommer att bli en begränsande faktor för storskalig produktion i framtiden. En möjlig, ny kandidat är Cu2ZnSnS4, med flera egenskaper som liknar CIGS. Första, fungerande solceller har redan visats för detta material. Målet med detta projekt är att studera dessa material och utveckla högeffektiva solceller, både enkla och tandem, som endast innehåller vanliga och ogiftiga grundämnen.