Mots-clé
(Anglais)
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Photovoltaics / Thin film solar cells / CIGS
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Description succincte
(Anglais)
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The proposed project is planned to understand the differences in the properties of low and high temperature grown CIGS layers and solar cells and then implement the knowledge to further in-crease the efficiency of flexible solar cells beyond the current state of the art values.
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Publications / Résultats
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Influence of Ga back grading on voltage loss in low-temperature co-evaporated Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells, S.-C. Yang et al., Volume29, Issue6 June 2021 Pages 630-637 (2021)
Silver-Promoted High-Performance (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 Thin-Film Solar Cells Grown at Very Low Temperature. S.-C. Yang et al., Volume5, Issue5 May 2021 2100108 (2021)
ALD-ZnMgO and absorber surface modifications to substitute CdS buffer layers in co-evaporated CIGSe solar cells, R. Hertwig et al., EPJ Photovoltaics 11, 12 (2020)
Challenges and opportunities for an efficiency boost of next generation Cu(In,Ga)Se2 solar cells: prospects for a paradigm shift†, M. Ochoa et al., Energy & Environmental Science, Issue 7, 2020
Advanced Alkali Treatments for High-Efficiency Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells on Flexible Substrates, R. Carron et al., Volume9, Issue24 June 26, 2019 1900408 (2019)
Efficiency Improvement of Near-Stoichiometric CuInSe2 Solar Cells for Application in Tandem Devices, T. Feurer et al., Volume9, Issue35 September 19, 2019 1901428 (2019)
Bandgap of thin film solar cell absorbers: A comparison of various determination methods, R. Carron et al., Thin Solid Films Volume 669, 1 January 2019, Pages 482-486 (2019)
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Rapport final
(Allemand)
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Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) -Dünnschichtsolarzellen werden aufgrund ihrer nachgewiesenen Vorzüge der hohen photovoltaischen (PV) Umwandlungs-Effizienz, der langfristigen Leistungsstabilität und ihrem Potential für kostengünstige Solarmodule aufgrund der inhärenten Vorteile der Dünnschichtherstellungstechnologien, die eine Produktion mit hohem Durchsatz auf großflächigen Substraten mit geringem Energieverbrauch - insbesondere per Rolle-zu-Rolle-Verfahren – als wichtig für die industrielle Produktion erachtet. Ziel des Projekts war es, flexible CIGS-Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von 22% mit einem Verfahren zu entwickeln, das für Folien - vorzugsweise Polymerfolie, ansonsten Metallfolie als alternative Ersatzstrategie, wobei die Kompatibilität der Abscheidungsprozesstemperatur mit industriellen Rolle-zu-Rolle-Verfahren berücksichtigt wird - geeignet ist In diesem Zusammenhang bestand die zentrale Herausforderung darin, zunächst zu verstehen, warum die Wirkungsgrade über 20% mit Folien schwer zu erreichen sind. Wir untersuchten den Einfluss des Substrats (Glas, Stahl, Polyimid) und der Prozesstemperaturen und stellten fest, dass die Beschaffenheit des Substrats bei Niedertemperaturprozessen (~ 450°C, kompatibel mit Polyimidsubstraten) eine marginale Rolle spielt. Die Eigenschaften der CIGS-Schichten, die bei höheren Temperaturen auf Glassubstraten abgeschieden werden, sind anders und führen zu Solarzellen mit höherem Wirkungsgrad. Durch Erhöhen der Abscheidungstemperatur auf >550°C konnten wir einen absoluten Wirkungsgradgewinn von 1% (von 20.4% auf 21.5%) erzielen. Aufgrund unserer Präferenz für Polyimidsubstrat haben wir jedoch unsere Bemühungen zur Verbesserung der Eigenschaften von bei niedrigereren Temperaturen abgeschiedenen CIGS-Schichten durch Modifizierung des Wachstumsprozesses priorisiert, insbesondere durch Optimierung der Methode zur Inkorporation von Alkali in CIGS und der Gradienten der elementaren Zusammensetzung. Mit verbesserten Methoden zur Inkorporation von Alkali konnten wir zwei aufeinanderfolgende Effizienzverbesserungen nachweisen, die in einer Solarzelle auf einem flexiblen Polyimidsubstrat mit einer zertifizierten Effizienz von 21.38% resultierte. Wir haben einen vielversprechenden Weg für weitere Effizienzgewinne durch das Legieren mit Silber identifiziert, der neue Möglichkeiten für hocheffiziente Solarzellen bei deutlich verringerten Abscheidungstemperaturen eröffnet. Um den Wirkungsgradverlust von Zelle zu Modul zu verringern, haben wir eine detaillierte Untersuchung der optischen und elektrischen Verluste in der Gerätestruktur und der parasitären Shunts durchgeführt, die sich während den Laserablationsschritten entwickeln. Wir konnten einen Wirkungsgradverlust von Zelle zu Modul von 2.1% für gelaserte Minimodule erzielen, die auf einem flexiblen Polyimidfilm hergestellt wurden. Die Ergebnisse legen nahe, dass verbleibende Füllfaktorverluste insbesondere durch eine weitere Untersuchung des Potenzials von blauen Lasern als Ablationswerkzeug gemindert werden können.
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Rapport final
(Anglais)
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Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells are considered important because of their proven merits for high photovoltaic (PV) conversion efficiency, long-term performance stability, and potential for low-cost solar modules. The inherent advantages of thin film manufacturing technologies enable high throughput production on large area substrates with low energy consumption, especially with roll-to-roll methods for industrial production. The ambition of the project was to develop flexible CIGS solar cells with an efficiency of 22% with a process suitable for foils- preferably polymer film, otherwise with metal foil as a fall-back alternative strategy, keeping in mind the deposition process temperature compatibility with roll-to-roll industrial manufacturing. In this context, the key challenge was to first understand why the efficiencies beyond 20% are difficult to reach with foils. We investigated the influence of substrate (glass, steel, polyimide) and process temperatures and found that the nature of the substrate plays a marginal role for low-temperature processes (~450°C compatible with polyimide substrates). The properties of the CIGS layers deposited at higher temperatures on glass substrates are different and lead to higher efficiency solar cells. We could achieve an efficiency gain of 1% absolute (from 20.4% to 21.5%) by increasing the deposition temperature to >550 °C. However, because of our preference for polyimide substrate we prioritized our efforts to improve the properties of low-temperature deposited CIGS layers by modifying the growth process, especially by optimizing the alkali incorporation method in CIGS and elemental composition gradients. With improved alkali incorporation methods, we demonstrated two successive efficiency record improvements, culminating in a 21.38% certified solar cell on a flexible polyimide substrate. We identified a promising path for further efficiency gains by silver alloying which opens new pathways for high-efficiency solar cells at much lower deposition temperature. To reduce the cell-to-module efficiency loss we performed a detailed investigation of optical and electrical losses in device structure and parasitic shunts which develop during the laser scribing steps. We could achieve a cell-to-module efficiency loss of 2.1% for laser scribed mini-modules fabricated on flexible polyimide film. Results suggest that remaining fill factor losses can be mitigated notably by exploring further the potential of blue laser as scribing tool.
Documents annexés
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Rapport final
(Français)
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Les cellules solaires à couches minces Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sont considérées comme importantes en raison de leurs mérites éprouvés pour une efficacité de conversion photovoltaïque (PV) élevée, une stabilité des performances à long terme et un potentiel pour des modules solaires à faible coût. Les avantages inhérents aux technologies de fabrication de couches minces permettent une production à haute vitesse et de faible consommation d'énergie sur des substrats de grande surface, en particulier par des méthodes de production industrielle rouleau-à-rouleau. L'ambition du projet était de développer des cellules solaires CIGS flexibles avec une efficacité de 22% avec un procédé adapté aux feuilles - de préférence un film polymère, sinon avec une feuille métallique comme stratégie alternative de repli, en gardant à l'esprit la compatibilité en température du processus de dépôt industriel rouleau-à-rouleau. Dans ce contexte, le principal défi était de comprendre d'abord pourquoi les rendements au-delà de 20% sont difficiles à atteindre avec les feuilles. Nous avons étudié l'influence du substrat (verre, acier, polyimide) et des températures de déposition, et avons constaté que la nature du substrat joue un rôle marginal pour les processus à basse température (~450°C compatible avec les substrats en polyimide). Les propriétés des couches de CIGS déposées à des températures plus élevées sur des substrats en verre sont différentes et conduisent à des cellules solaires plus efficaces. Nous pourrions atteindre un gain d'efficacité de 1% absolu (de 20.4% à 21.5%) en augmentant la température de dépôt à >550°C. Cependant, en raison de notre préférence pour les substrats en polyimide, nous avons priorisé nos efforts pour améliorer les propriétés des couches de CIGS déposées à basse température en modifiant le processus de croissance, notamment en optimisant la méthode d'incorporation d'alcali dans le CIGS et les gradients de composition d'éléments. Grâce à des méthodes améliorées d'incorporation d'alcali, nous avons démontré deux améliorations successives du record d'efficacité, aboutissant à une cellule solaire certifiée à 21.38% sur un substrat flexible en polyimide. Nous avons identifié une voie prometteuse pour des gains d'efficacité supplémentaires grâce à l'alliage d'argent qui ouvre de nouvelles voies pour les cellules solaires à haut rendement à une température de dépôt beaucoup plus basse. Pour réduire la perte d'efficacité cellule à module, nous avons effectué une enquête détaillée sur les pertes optiques et électriques dans la structure de modules et les shunts parasites qui se développent au cours des étapes de marquage laser. Nous avons obtenu une perte d'efficacité cellule à module de 2,1% pour les mini-modules gravés au laser fabriqués sur un film polyimide flexible. Les résultats suggèrent que les pertes de fill factor restantes peuvent être atténuées notamment en explorant plus avant le potentiel du laser bleu en tant qu'outil de marquage.
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