Industrial relevant electrical passivation of thin film solar cells interfaces

Abstract

In this thesis, it was developed and studied new rear contact architectures and materials to further increase the optoelectronic performance of ultrathin Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) solar cells. Al₂O₃ and SiO₂ insulator materials were used and studied as passivation layers in the CIGS solar cell’s rear contact. The integrated passivation layers needed to have nano-contact openings to ensure electrical contact between the rear metal and the CIGS layer. Thus, several nano-contact patterns were tested, allowing for an optimization of the solar cell’s rear contact architecture. The passivation layers used on the CIGS solar cell’s rear contact mitigated recombination mechanisms, and, thus, increased the solar cell’s final performance. Another critical aspect of the CIGS solar cell’s rear contact is the low optical reflectivity of the molybdenum (Mo) metal layer. Thus, different metals more reflective than Mo were tested to be used in the rear contact, as well as new rear contact’s architectures to couple both the passivation layers and the metal reflective layers. In this way, it was possible to optimize both rear contact’s passivation and optical reflectivity properties, which allowed to increase the optoelectronic performance of the ultrathin CIGS solar cells. Several electrical measurements, namely current density vs. voltage (J-V) and alternating current (AC) admittance measurements were performed in ultrathin CIGS solar cells, as well as in such solar cells employing passivation layers and/or metal reflective layers. Considering that such solar cells are different from the conventional ones (silicon), additional care was needed to analyse the electrical data. Thus, several nonideal features that can appear in the J-V measurements were analysed and discussed. Moreover, a procedure was shown to accurately estimate the J-V diode parameters, since the process is not straightforward in non-conventional solar cells, such as ultrathin CIGS solar cells. AC electrical measurements, including circuit fitting, are of pivotal importance to couple with J-V electrical analysis, since together they offer a deeper understanding of the optoelectronic effects of the device under study. The AC electrical measurements importance was demonstrated by studying perovskite-based Metal-Oxide- Semiconductor devices to show the relevance of said measurements on technologies other than CIGS.

Nesta tese foram desenvolvidas e estudadas novas arquiteturas e materiais para o contacto posterior de células solares ultrafinas de Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS), de forma a aumentar o seu desempenho optoelectrónico. Os materiais isolantes Al₂O₃ e SiO₂ foram usados e estudados como camadas de passivação para o contacto posterior de células solares de CIGS. As camadas de passivação usadas necessitavam de aberturas nanométricas de forma a manter contacto elétrico entre o contacto de metal posterior da célula solar e a camada de CIGS. Por conseguinte, vários padrões de contactos nanométricos foram testados, o que permitiu uma otimização da arquitetura do contacto posterior da célula. As camadas de passivação usadas nas células solares de CIGS permitiram a mitigação de mecanismos de recombinação, e, por isso, aumentaram o seu desempenho final. Outro aspeto crítico do contacto posterior das células solares de CIGS é a baixa refletividade ótica do metal molibdénio (Mo). Consequentemente, vários metais mais refletores do que Mo foram testados para serem usados no contacto posterior da célula solar de CIGS, em conjunto com o desenvolvimento de novas arquiteturas para o contacto posterior da célula, de forma a juntar a camada de passivação com o metal refletor. Deste modo, foi possível otimizar as propriedades de passivação e de reflecção ótica da camada posterior da célula, o que levou a um aumento do desempenho das células solares ultrafinas de CIGS. Diferentes medidas elétricas foram realizadas em células solares ultrafinas de CIGS, nomeadamente densidade de corrente vs. tensão (J-V) e medidas de admitância em corrente alternada (AC), bem como nas mesmas células solares usando camadas de passivação e/ou metais refletores. Tendo em consideração o facto deste tipo de células solares serem diferentes das células solares convencionais (silício), foi necessário um cuidado adicional na análise dos resultados elétricos. Por conseguinte, várias características não ideais que podem aparecer em medidas J-V foram analisadas e discutidas. Adicionalmente, foi demonstrado um procedimento para estimar corretamente os parâmetros de díodo do J-V, tendo em conta que tal processo não é trivial em células solares não convencionais, tais como são as células solares ultrafinas de CIGS. O acoplamento das medidas elétricas em AC, incluindo o ajuste de circuito equivalente, com medidas J-V, é de importância fundamental, considerando que ambas as medidas oferecem uma compreensão mais profunda dos efeitos optoelectrónicos dos dispositivos em estudo. A importância das medidas elétricas em AC foi demonstrada ao se estudar dispositivos Metal-Óxido-Semicondutor de perovskita, onde se mostrou a utilidade dessas medidas em outras tecnologias para além de CIGS.