Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cell by magnetron sputtering

Abstract

The purpose of this thesis is to develop a deposition processes for Cu(In,Ga)Se2 by DC magnetron sputtering to be employed as an absorber layer in Cu(In,Ga)Se2-based photovoltaic devices. The thesis describes three deposition processes: (1) co-deposition of Cu, In, Ga and Se, where Cu, In and Ga are sputtered and Se is evaporated at the same time, (2) Cu, In, Ga deposition by sputtering followed by post-selenization and (3) a pulsed deposition of Cu, In, Ga by sputtering and Se by evaporation. A calibration of the CuInGa precursor and the Se source were performed, involving several experiments such as varying the Ar flow, applied power and substrate temperature in order to determine the influence on the film and establish the best deposition parameters. For the three processes, the Cu(In,Ga)Se2 layer was deposited onto soda lime glass (SLG) substrate coated with a molybdenum layer. The samples produced were characterized by scanning electron microscopy (SEM) for surface morphology, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) for chemical composition, stylus profilometry and/or cross-sectional SEM analysis for thickness and X-ray diffraction (XRD) for structure identification. The Cu(In,Ga)Se2 co-deposition resulted in tetragonal CIGS, as revealed by XRD. The CuInGa deposition with post-selenization and the Cu(In,Ga)Se2 pulsed deposition resulted in Cu-rich Cu(In,Ga)Se2 films, which are not desired, hence these two techniques are considered unsuitable for the CIGS deposition process. A solar cell was fabricated for each deposition process and an efficiency of 1.57% was achieved for the co-deposition solar cell.

Esta tese teve como objetivo desenvolver um processo de deposição de Cu(In,Ga)Se2 por DC sputtering para ser utilizado como camada absorsora em dispositivos fotovoltaicos de Cu(In,Ga)Se2. Três processo de deposição são descritos nesta tese: (1) co-deposição de Cu, In, Ga, Se, onde Cu, In e Ga são depositados por sputtering e o Se é evaporado simultaneamente, (2) deposição de Cu, In e Ga por sputtering seguido de pós-selenização e (3) deposição pulsada de Cu, In e Ga por sputtering e evaporação de Se. Foi necessário realizar a calibração do precursor CuInGa e da fonte de Se, portanto diversas experiências foram realizadas variando-se o fluxo de Ar, a potência aplicada e a temperatura do substrato com o objetivo de determinar a influência no filme e estabelecer os melhores parâmetros a serem utilizados na deposição. Nos três processos, a camada absorsora foi depositada em substrado de vidro soda-cal revestido com uma camada de molibdênio. As amostras produzidas foram caracterizadas por microscopia eletrónica de varrimento (MEV) para avaliar a morfologia da superfície, espectroscopia de dispersão de raios-X (EDX) para avaliar composição química, perfilômetro e/ou seção transversal no MEV para determinar espessura e difração de raios-X (DRX) para identificação da estrutura. A co-deposição de Cu(In,Ga)Se2 resultou na presença de CIGS tetragonal atrvés do DRX. A deposição de CuInGa seguida de pós-selenização e a deposição pulsada de CIGS resultaram em filmes de Cu(In,Ga)Se2 ricos em cobre, portanto essas duas técnicas são consideradas inadequadas para a deposição de Cu(In,Ga)Se2. Para cada processo de deposição foi fabricada uma célula solar, e uma eficiência de 1,57% foi alcançada na célula solar produzida pelo processo de co-deposição.