Charakterizácia tenkovrstvových solárnych článkov a analýza mikroštruktúrnych defektov
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Tenkovrstvové solárne články na báze absorpčnej vrstvy zo zlúčenín chalkogenidov (CIGS, CdTe) patria dnes medzi najsľubnejšie fotovoltické technológie vďaka svojej dlhodobej schopnosti presadiť sa v hromadnej komerčnej výrobe ako alternatíva ku konvenčným Si solárnym článkom. Napriek tomuto úspechu nie je fyzický pôvod defektov prítomných v tenkých vrstvách stále dostatočne objasnený, najmä pri zlúčeninách z rodiny chalkopyritov Cu(In_{1x},Ga_{x})(S_{y},Se_{1y})_{2}. Výskum sa zameriava na identifikáciu a analýzu mikroštruktúrnych defektov zodpovedných za elektrickú nestabilitu tenkovrstvových solárnych článkov na báze chalkopyritu s typickým usporiadaním heteroštruktúry ZnO:Al/i-ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se_{2}/Mo. Neuniformná polykryštalická povaha polovodičových materiálov v tejto komplexnej viacvrstvovej štruktúre vyžaduje obsiahlu analýzu elektro-optických, štrukturálnych a kompozičných vlastností vztiahnutých k skutočnej morfológii na makroskopickej, mikroskopickej alebo dokonca nanoskopickej úrovni. Pozorované prevládajúce ohmické alebo neohmické vedenie prúdu v transportných charakteristikách za tmy sa tiež prejavilo v odchýlkach sklonu nadbytočných šumových fluktuácií, ktoré boli v spektrálnej oblasti výlučne vo forme blikavého šumu so závislosťou S_{i} ~ f^{1}. Priestorovo rozlíšiteľná elektroluminiscencia, založená na stimulovanej emisii fotónov vstrekovaním nosičov náboja do depletičnej oblasti, nielenže preukázala výrazne nehomogénne rozloženie intenzity v planárnom heteropriechode pri priepustnom smere, ale tiež odhalila svetlo emitujúce lokálne oblasti v závernom smere vďaka žiarivej rekombinácii s asistenciou pascí skrz vysokú hustotu poruchových stavov. Mikroskopické vyšetrovanie svetlo emitujúcich defektných oblastí odhalilo skôr rozsiahle defektné komplexy s mnohými narušeniami vo všetkých vrstvách, najmä na rozhraní heteropriechodu CdS/Cu(In,Ga)Se_{2}. Okrem toho veľký zvodový prúd skrz tieto defektné komplexy následne viedol k značnému lokálnemu prehrievaniu, ktoré spôsobilo zreteľne pozorovateľné štrukturálne a morfologické zmeny, ako sú deviácie v stechiometrii absorpčnej vrstvy v dôsledku segregácie Cu–In–Ga–Se, formovanie zŕn bohatých na Cu a Ga s výskytom oblastí chudobných na Se alebo oblastí sekundárnych fáz Cu_{x}Se_{y}, redepozícia materiálu sprevádzaná odparovaním vrstiev ZnO:Al/i-ZnO/CdS spolu s tvorbou Se štruktúr na povrchu okolo defektov. V rámci výskumu bolo implementované analytické modelovanie transportných charakteristík s extrakciou parametrov jednotlivých transportných mechanizmov pre pochopenie neohmického správania zvodového prúdu. Okrem správnej dráhy prúdu pozdĺž hlavného heteropriechodu obsahuje navrhnutý model parazitné prúdové dráhy ako dôsledok transportu náboja s prevahou rekombinácie či vedenie prúdu uľahčované viac-hladinovým tunelovaním prostredníctvom vysokej hustoty poruchových stavov stredom zakázaného pásu v depletičnej oblasti, ohmického zvodového prúdu spôsobeného krátermi či nízko-odporovými dráhami pozdĺž hraníc zŕn v Cu(In,Ga)Se_{2}, alebo prúdu obmedzeného priestorovým nábojom vďaka difúzii kovov z vrstvy ZnO:Al a mriežky Ag kontaktov cez narušenia vo vrstvách i-ZnO/CdS.
Thin-film solar cells based on an absorber layer of chalcogenide compounds (CIGS, CdTe) are today among the most promising photovoltaic technologies due to their long-term ability to gain a foothold in mass commercial production as an alternative to conventional Si solar cells. Despite this success, the physical origin of the defects present in the thin films are still insufficiently elucidated, especially in the compounds of the chalcopyrite family Cu(In_{1x},Ga_{x})(S_{y},Se_{1y})_{2}. The research focuses on the identification and analysis of microstructural defects responsible for the electrical instability of chalcopyrite-based thin-film solar cells with a typical heterostructure arrangement ZnO:Al/i-ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se_{2}/Mo. The non-uniform polycrystalline nature of semiconductor materials in this complex multilayer structure requires a comprehensive analysis of electro-optical, structural and compositional properties associated with the actual morphology at the macroscopic, microscopic or even nanoscopic level. The observed predominant ohmic or non-ohmic current conduction in the dark transport characteristics was also reflected in the slope deviations of the excessive noise fluctuations, which were in the spectral domain exclusively in the form of flicker noise with dependency S_{i} ~ f^{1}. Spatially resolved electroluminescence based on stimulated photon emission by charge carriers injecting into the depletion region, not only showed a significantly inhomogeneous distribution of intensity in planar heterojunction under forward bias, but also revealed light emitting local spots in reverse bias due to a trap-assisted radiative recombination through the high density of defect states. Microscopic examination of the defect-related light emitting spots revealed rather extensive defective complexes with many interruptions through the layers, especially at the heterojunction CdS/Cu(In,Ga)Se_{2} interface. Besides, the high leakage current via these defective complexes subsequently led to a considerable local overheating, which caused a clearly observable structural and morphological changes, such as deviations in absorber layer stoichiometry due to Cu–In–Ga–Se segregation, Cu-rich and Ga-rich grains formation with an occurrence of Se-poor or Cu_{x}Se_{y} secondary phases regions, material redeposition accompanied by evaporation of ZnO:Al/i-ZnO/CdS layers together with the formation of Se structures on the surface around the defects. Within the research, analytical modelling of transport characteristics was implemented with parameters extraction of individual transport mechanisms to understand the non-ohmic shunt behaviour due to leakage current. In addition to the proper current path along the main heterojunction, the proposed model contains parasitic current pathways as a consequence of recombination-dominated charge transport or current conduction facilitated by multi-step tunnelling via high density of mid-gap defect states in the depletion region, ohmic leakage current caused by pinholes or low-resistance paths along grain boundaries in Cu(In,Ga)Se_{2}, or space-charge limited current due to metals diffusion from the ZnO:Al layer and grid Ag contacts through disruptions in i-ZnO/CdS layers.
Thin-film solar cells based on an absorber layer of chalcogenide compounds (CIGS, CdTe) are today among the most promising photovoltaic technologies due to their long-term ability to gain a foothold in mass commercial production as an alternative to conventional Si solar cells. Despite this success, the physical origin of the defects present in the thin films are still insufficiently elucidated, especially in the compounds of the chalcopyrite family Cu(In_{1x},Ga_{x})(S_{y},Se_{1y})_{2}. The research focuses on the identification and analysis of microstructural defects responsible for the electrical instability of chalcopyrite-based thin-film solar cells with a typical heterostructure arrangement ZnO:Al/i-ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se_{2}/Mo. The non-uniform polycrystalline nature of semiconductor materials in this complex multilayer structure requires a comprehensive analysis of electro-optical, structural and compositional properties associated with the actual morphology at the macroscopic, microscopic or even nanoscopic level. The observed predominant ohmic or non-ohmic current conduction in the dark transport characteristics was also reflected in the slope deviations of the excessive noise fluctuations, which were in the spectral domain exclusively in the form of flicker noise with dependency S_{i} ~ f^{1}. Spatially resolved electroluminescence based on stimulated photon emission by charge carriers injecting into the depletion region, not only showed a significantly inhomogeneous distribution of intensity in planar heterojunction under forward bias, but also revealed light emitting local spots in reverse bias due to a trap-assisted radiative recombination through the high density of defect states. Microscopic examination of the defect-related light emitting spots revealed rather extensive defective complexes with many interruptions through the layers, especially at the heterojunction CdS/Cu(In,Ga)Se_{2} interface. Besides, the high leakage current via these defective complexes subsequently led to a considerable local overheating, which caused a clearly observable structural and morphological changes, such as deviations in absorber layer stoichiometry due to Cu–In–Ga–Se segregation, Cu-rich and Ga-rich grains formation with an occurrence of Se-poor or Cu_{x}Se_{y} secondary phases regions, material redeposition accompanied by evaporation of ZnO:Al/i-ZnO/CdS layers together with the formation of Se structures on the surface around the defects. Within the research, analytical modelling of transport characteristics was implemented with parameters extraction of individual transport mechanisms to understand the non-ohmic shunt behaviour due to leakage current. In addition to the proper current path along the main heterojunction, the proposed model contains parasitic current pathways as a consequence of recombination-dominated charge transport or current conduction facilitated by multi-step tunnelling via high density of mid-gap defect states in the depletion region, ohmic leakage current caused by pinholes or low-resistance paths along grain boundaries in Cu(In,Ga)Se_{2}, or space-charge limited current due to metals diffusion from the ZnO:Al layer and grid Ag contacts through disruptions in i-ZnO/CdS layers.
Description
Keywords
rozhranie heteropriechodu, nízkofrekvenčné fluktuácie, mapovanie elektroluminiscencie, elektrónová mikroskopia, parazitné zvodové prúdy, model transportu náboja, heterojunction interface, low-frequency fluctuations, electroluminescence mapping, electron microscopy, parasitic leakage currents, charge transport model
Citation
ŠKVARENINA, Ľ. Charakterizácia tenkovrstvových solárnych článkov a analýza mikroštruktúrnych defektov [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2021.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
sk
Study field
Fyzikální elektronika a nanotechnologie
Comittee
prof. Ing. Pavel Koktavý, CSc. Ph.D. (předseda)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. - oponent (člen)
prof. Ing. Lubomír Grmela, CSc. (člen)
doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Sedlák, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Vladimír Šály, PhD. - oponent (člen)
Date of acceptance
2021-07-19
Defence
Doktorand prezentoval svoji doktorskou disertační práci, v prezentaci zdůraznil výsledky a původní přínosy. Následně školitel doktoranda představil a zhodnotil jeho práci. Dále doktorand odpověděl na všechny otázky oponentů a následovala diskuze, v rámci které doktorand odpovídal na dotazy členů komise. Lze konstatovat, že všechny dotazy byly plně zodpovězeny. Komise se jednomyslně shodla, že obhajoba proběhla úspěšně a vzhledem k vynikající úrovni práce ji doporučila pro udělení ceny děkana.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení