Styrning av gradienter i tunnfilmssolceller
- Diarienummer
- RMA15-0030
- Start- och slutdatum
- 160501-220630
- Beviljat belopp
- 29 852 865 kr
- Förvaltande organisation
- Uppsala University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Syftet med detta projekt är att utveckla värmebehandlingsprocesser i svavel-, selen-, eller annan atmosfär, för högre verkningsgrad för solceller baserade på Cu(In,Ga)Se2 och Cu2ZnSnS4. Det specifika syftet att tillverka filmer med djup-gradering av det elektroniska bandgapet för att minska förluster vid bak- och framkontakterna. Utgångsmaterialet kan vara graderat eller ograderat och tillverkas med samförångning eller sam-sputtring. En specialbyggd reaktionsugn, med tre källor, används där temperatur och partialtryck kan styras separat. Den tredje källan kan till exempel användas för Na- eller K-baserade material för ytmodifiering. Processutvecklingen, som inkluderar tillverkning, analys och elektrisk modellering av solceller, stöds av grundläggande studier av interdiffusion, fas-segregation, homogenitet och korntillväxt i dessa materialsystem. Djupprofilering över större yta kompletteras av lokal karakterisering med bland annat ”atom probe tomography”. Teoretisk analys baserad på first-principles används för studier av materialegenskaper som fasstabilitet, elektronstruktur, defekt- och kluster-formation samt egenskaper hos korngränser. Diffusionsstudier stöds av molekylär dynamik simuleringar. Det förväntade resultatet är nya processer för högre verkningsgrad hos dessa solceller, eller mer industriellt anpassade processer med bibehållen verkningsgrad. Detta baserat på bättre förståelse av fundamentala begränsningar satta av termodynamiska och kinetiska hänsyn.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.