Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells

Abstract

Células solares baseadas em Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) estão entre as tecnologias de filme-fino mais promissoras, muito devido às suas propriedades optoeletrónicas favoráveis, tendo chegado a um recorde de eficiência de 23.35%. De forma a acompanhar o baixo custo inerente à atual tecnologia dominante do mercado, silício, é necessária uma redução da camada absorvente, visto que o In e Ga são considerados materiais raros. No entanto, é imperativo minimizar as limitações na absorção de luz por parte das células solares de filme ultra-fino. O principal foco desta tese assenta na supressão destas limitações através do desenvolvimento de um processo, eficiente e replicável, para a produção de substratos de alto desempenho, que permitam um aumento do caminho ótico dentro da camada absorvente, sem afetar as propriedades eletrónicas. Nanopartículas (NPs) individualizadas de ouro (Au) foram usadas na interface posterior, de forma a melhorar o desempenho ótico da célula solar ultra-fina. Adicionalmente, uma camada de passivação de Al2O3 foi usada para encapsular as NPs. Assim, neste trabalho é apresentada uma estratégia que combina, dispersão de luz e passivação. Desta forma, foi desenvolvido um procedimento de microfluídica que permite depositar NPs individualizadas, e otimizado o processo de litografia por nanoimpressão (NIL) para criar contactos elétricos na camada de Al2O3. A viabilidade desta arquitetura inovadora foi estudada através de simulações óticas usando o programa Lumerical. Foi verificado que a integração de NPs no contacto posterior da célula solar leva a um aumento dos valores da absorção na camada CIGS e da densidade de corrente de curto-circuito, quando comparados com os de um substrato convencional. Este aumento pode ser explicado considerando dois fenómenos: texturização imposta pelas NPs nas camadas superiores, comportando- se como uma arquitetura de anti-reflexão, minimizando a reflexão da luz incidente; dispersão de luz promovida pelas NPs, permitindo um aumento do caminho ótico na camada absorvente.

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) solar cells are amongst the most promising thin-film technologies mainly due to their favourable electronic and optical properties, having reached a record efficiency value of 23.35%. To keep up with the low costs inherent to the dominant silicon technology, a reduction of the absorber thickness is done since In and Ga are scant materials. Moreover, some challenges regarding limited light absorption arise from ultra-thin absorbers that must be tackled. The main focus of this Thesis relies on surpassing such drawbacks, through the development of an efficient and replicable process, to pro- duce high performance substrates able to attain an optical improvement without hampering the solar cell electrical performance. Individualized gold (Au) nanoparticles (NPs) were used in the solar cell rear interface to increase the optical path length inside the absorber layer. Additionally, an Al2O3 pas- sivation layer was used to encapsulate Au NPs. Thus, a tandem approach that promotes scattering and passivation is here presented. In that way, a microfluidic procedure was developed, to deposit individ- ualized metallic NPs, as a novel approach to pattern an Al2O3 layer by nanoimprint lithography (NIL) to create contacts, as that coat the NPs, was optimized. The impact of the novel high performance sub- strate architectures when integrated into CIGS ultra-thin solar cells, was studied employing optical sim- ulations via the Lumerical software. Through simulations, it was verified that the integration of NPS in the back contact of the cell, led to a CIGS absorbance and a short circuit current density enhancement compared to the conventional CIGS substrate. This improvement might be related to two phenomena: texturization imposed on the upper layers by the NPs that, acts as an anti-reflection architecture mini- mizing the incident light reflections; scattering promoted by the NPs, allowing for an optical path length improvement inside the absorber layer.