Optimization of ultra-thin Cu(In,Ga)Se2 based solar cells with alternative back-contacts

par Fabien Mollica

Thèse de doctorat en Physique et Chimie des Matériaux

Sous la direction de Marie Jubault et de Negar Naghavi.

Soutenue le 21-12-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec INSTITUT DE RECHERCHE ET DEVELOPPEMENT SUR L'ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE (laboratoire) .

Le jury était composé de Nicolas Barreau, Marika Edoff, Susanne Seibentritt, Christel Laberty-Robert.

Les rapporteurs étaient Jean-Jacques Simon, Daniel Abou-Ras.

  • Titre traduit

    Optimisation de cellules solaires ultra-minces à base de Cu(In,Ga)Se2 avec contact arrière alternatif


  • Résumé

    En quelques années, l'efficacité des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) est passée de 20% à 22.6%. La rapidité de ce développement montre que le CIGS est un matériaux idéal pour les technologies solaires en couches minces. Pourtant, le coût de production cette technologie doit encore être abaissé pour une meilleure compétitivité. La fabrication d'un module avec une couche CIGS plus fine permettrait d'augmenter la production d'une usine et de réduire sa consommation en métaux. Ce travail de thèse vise à réduire l'épaisseur du CIGS d'un standard de 2.0-2.5 µm à une épaisseur inférieure à 500 nm sans altérer les performances des cellules. Cependant, comme rapporté dans la littérature, nous avons observé une diminution des rendements, ce que nous avons analysé en détail en comparant simulations et caractérisations d'échantillons. Celle-ci est causée à la fois par une faible absorption de la lumière dans la couche de CIGS et par un impact important du contact arrière (fortes recombinaisons et faible réflectivité). Pour dépasser ces limites, nous démontrons à la fois théoriquement et expérimentalement que le contact arrière en molybdène peut être remplacé par un oxyde transparent conducteur couplé à un miroir métallique. Nous obtenons de cette manière de meilleurs rendements de cellules. Pour atteindre ce résultat, une optimisation du dépôt de CIGS a été nécessaire. De plus, nous prouvons qu'une couche d'oxyde perforée, insérée entre le CIGS et le contact arrière, limite les recombinaisons des porteurs de charges et réduit l'influence des courants parallèles. Au final, nous avons fabriqué une cellule avec un rendement de 10.7% sur SnO2:F passivé par Al2O3.


  • Résumé

    In the past three years, record efficiency of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) based solar cells has improved from 20% up to 22.6%. These results show that CIGS absorber is ideal for thin-film solar cells, even if this technology could be more competitive with a lower manufacture cost. The fabrication of devices with thinner CIGS absorbers is a way to increase the throughput of a factory and to reduce material consumption. This PhD thesis aims to develop cells with a CIGS thickness below 500 nm instead of the conventional 2.0-2.5 µm. However, as reported in the literature, we observed a decrease in cell performance. We carefully analyzed this effect by the comparison between simulations and sample characterizations: it is attributed, on one hand, to a lack of light absorption in the CIGS layer and, on the other hand, to an increased impact of the back-contact (high recombination and low reflectivity). To resolve these problems, we demonstrated theoretically and experimentally that the use of an alternative back-contact, other than molybdenum, such as a transparent conducting oxide coupled with a light reflector, improves the cell efficiency. To achieve this result, an optimization of the CIGS deposition was necessary. Moreover, we proved that a porous oxide layer inserted between the CIGS and the back-contact limits the charge-carrier recombination and removes some parasitic resistance. Finally, an efficiency of 10.7% was achieved for a 480-nm-thick CIGS solar cell with a SnO2:F back-contact passivated with a porous Al2O3 layer.


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