Gradient Control in Thin Film Solar Cells
- Reference number
- RMA15-0030
- Start and end dates
- 160501-220630
- Amount granted
- 29 852 865 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
This project aims at the development of annealing processes in sulfur, selenium or other vapors, for higher efficiency thin film solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 and Cu2ZnSnS4. The specific aim is to make band gap graded films both at the back- and front interfaces for reduced solar cell losses. The starting material can be either graded or non-graded, and is deposited by co-sputtering or co-evaporation. A custom-built furnace, with three sources, where temperature and partial pressure can be separately controlled, is used. The third source can for example be used for Na- or Ka-based compounds for surface modifications. The process development, including fabrication, analysis and modeling of solar cell devices, is accompanied by fundamental studies of inter-diffusion, phase segregation, homogeneity and grain growth in these material systems. Large area depth profiling measurements are complemented by local characterization by atom probe tomography. Theoretical analysis by first-principles based methods is used to study properties such as phase stability, electronic structure, defect and cluster formation and grain boundary properties. Diffusion studies are supported by molecular dynamics simulations. The expected outcome is processes for increased device efficiency for these solar cells, or maintained efficiency with processes better suited for industrial processing. This is based on better understanding of fundamental limitations set by thermodynamic and kinetic concerns.
Popular science description
De flesta solceller på marknaden idag är gjorda av grundämnet kisel. Även om dessa solceller är stabila, tekniken välutvecklad och priset sjunkit kraftigt de senaste åren finns nackdelar. Den främsta nackdelen är att kisel är relativt dåligt på att absorbera solljus. Det finns andra material som kan absorbera solljuset med hundra gånger tunnare tjocklek än kisel, och det är grunden för tunnfilmssolceller som därmed kan bli ännu billigare att tillverka än kisel. I det här projektet vill vi vidareutveckla tunnfilmssolceller av två olika typer; Cu (In,Ga)Se2 ”CIGS” och Cu2ZnSnS4 ”CZTS”. CIGS finns på marknaden idag, bl a genom två företag i Sverige med koppling till vår forskning. CZTS är nyare och har ännu inte nått kommersiell nivå. I det här projektet kommer vi att använda en specialbyggd reaktionsugn för att utveckla nya processer för CIGS och CZTS. Ugnen har tre förångningskällor; en för svavel, en för selen och en för olika material som tex natrium- eller kaliumföreningar. Tack vare separat styrning av dessa källor, och god temperaturkontroll i upp- och nedvärmning, kan vi utveckla nya processer för djupprofilering av sammansättningen. Sådana profiler ökar verkningsgraden hos solceller, men utmaningen är att tillverka dem med god kontroll med processer som går att industrialisera. För att lyckas behöver vi förstå de termodynamiska och kinetiska begränsningar som finns. I projektet kombineras teoretiska beräkningar med tillverkning av material och solceller samt materialanalys ner till atomupplösning.