Semi-transparent Cu(In,Ga)Se₂ solar cells for window applications

Abstract

Novos esquemas de energia renovável e sustentável têm vindo a ser desenvolvidos como alternativas aos combustíveis fosseis. De entre essas tecnologias, a fotovoltaica é uma das mais relevantes. Sistemas fotovoltaicos têm sido instalados em telhados e fachadas como forma de gerar energia nos locais de consumo final. Uma vez que os sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios atualmente estão restringidos principalmente a telhados, têm-se vindo a explorar tecnologias semitransparentes para aplicações em janelas. Neste sentido, o objetivo desta tese é desenvolver uma aplicação de janela fotovoltaica semitransparente através da microestruturação de células solares de filme fino de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) em tiras estreitas. Foi adotada uma estratégia de fabricação bottom-up onde o contato posterior de molibdénio (Mo) e o contacto superior (window layer) foram depositados por pulverização catódica, por sua vez, a buffer layer foi depositada por banho químico. A camada absorvente foi fabricada num processo de duas etapas que consiste em pulverização catódica seguida de selenização. Para obter o efeito semitransparente, o contato posterior e a camada absorvente foram padronizados numa matriz de micro linhas usando técnicas de fotolitografia e lift-off. Durante a selenização, encararam-se problemas de levantamento dos filmes que se verificou estar associado à formação de uma camada espessa de MoSe2 entre as camadas de Mo e CIGS devido ao excesso de Se presente na camada absorvente pulverizada. Além disso, em alguns materiais absorventes, houve a formação de bolhas, verificando-se menor quantidade de bolhas em selenizações com rampas de aquecimento e arrefecimento mais lentas. No entanto, este problema só foi completamente ultrapassado através da utilização de um material absorvente sem formação de bolhas. Dois processos de fabricação diferentes foram desenvolvidos de modo a evitar o risco de curto-circuito entre os contactos posterior e superior devido à formação de “orelhas”. No primeiro, é utilizada lixívia para remover quimicamente o Mo debaixo do material absorvente, e no segundo é utilizada uma técnica de revestimento duplo de fotoresiste. Para cada processo de fabrico foi produzida uma amostra com linhas de células solares (linhas de 200, 300, 500 e 1000 μm de largura). A amostra de revestimento duplo de fotoresiste apresentou um desempenho superior generalizado, tendo obtido 3,8% de eficiência numa linha de 500 μm de largura e 2,8% e 2,6% em linhas de 300 μm e 200 μm de largura. Na amostra tratada com lixívia, a eficiência obtida mais elevada nas linhas de 300 μm e 200 μm de largura foram 1,9% e 1,1%.

New schemes of renewable and sustainable energy technologies are being developed as alternatives to fossil fuels. Among these technologies, the photovoltaic (PV) is one of the most significant. PV systems have been installed on roofs and facades to generate energy at the end-use locations. Since current building-integrated photovoltaic systems are mainly restricted to rooftops, semi transparent technologies have been exploited for window applications. From this perspective, the purpose of this thesis is to develop a semi-transparent photovoltaic window application by micro-structuring thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) solar cells into narrow stripes. A bottom-up fabrication strategy was adopted. The molybdenum (Mo) back contact and the window layer were deposited by magnetron sputtering, whereas the buffer layer was by chemical bath deposition. The absorber layer was fabricated in a two stage deposition process consisting of sputtering followed by selenization. To obtain the semi-transparent effect, the back contact and the absorber layer were patterned into an array of micro lines using photolithography and lift-off techniques. During selenization, film peeling problems were encountered that revealed to be associated with the formation of a thick MoSe2 layer between the Mo and CIGS due to the excess of Se on the as-sputtered absorber layer. Moreover, in some absorber materials, there was the formation of blisters during selenization that could be reduced by using slower heating and cooling ramps. However, this problem could only be completely overcame by using an absorber material with no blisters formation. Two distinct fabrication processes were developed to avoid the risk of short-circuit between the bottom and top contacts due to ears formation. A Mo wet-etching step with bleach and a resist double coating technique differentiate the two fabrication methods. A sample with solar cells lines (200, 300, 500 and 1000 μm wide lines) was completed for each fabrication process. Overall, the resist double coating sample had better performance, achieving 3.8% efficiency on a 500 μm wide line and 2.8% and 2.6% on a 300 μm and 200 μm wide lines. In the Mo etching sample, the best efficiency for the 300 μm and 200 μm wide lines were 1.9% and 1.1%.