Growth and characterization of Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells with a Cu-rich Cu-In-Ga target

Abstract

High-efficiency Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) thin-film solar cells are typically fabricated by a multi-stage coevaporation process, where one of these stages leads to a Cu-rich composition and the other stages balance the CIGSe layer composition, to reach the desired stoichiometries. Cu-rich conditions favor the growth of CIGSe grains, improving the overall efficiency of the solar cell. In this work, CIGSe absorber layers were deposited on soda-lime glass/molybdenum (SLG/Mo) substrates by sputtering from a Cu-In-Ga (CIG) target with the following composition: Cu0.6In0.25Ga0.15. Selenium was supplied simultaneously by a pulsed valved-cracker evaporation source. The Cu-rich nature of the CIG target lead to the presence of Copper-Selenide on the absorber layer, which is known to be detrimental to the performance of CIGSe solar cells. To eliminate this undesired phase, in a first approach, Potassium cyanide etching (KCN-etching) was used. Absorber layers were deposited at temperatures of 200ºC, 350ºC, 400ºC, 450ºC, and 500ºC. SEM, EDX, XRD, and Raman spectroscopy revealed that an increase in temperature leads to an improved CIGSe film. Despite this, the absorber layers manifested well-pronounced grain boundaries and a large density of holes near the grain boundaries, all of which can be detrimental for the solar cell performance. To fabricate complete solar cells, a CdS buffer layer was deposited by chemical bath deposition, and an i-ZnO/ZnO:Al double layer was sputter-deposited as the front contact. Maximum efficiency of 8.4% was obtained for a deposition temperature of 450ºC. The I-V curves of solar cells deposited at 500ºC exhibited a reverse-bias current leakage behavior, possibly to the existence of pinholes or the presence of Copper-Selenide in deeper regions of the absorber layer, not reached by the KCN solution. An average efficiency of 3.4% was obtained for the 500ºC solar cell. In a second approach, the excess Copper was consumed by a post-deposition of Indium-Selenide following the CIGSe deposition, thus avoiding the need for the KCN-etching process. The temperature selected for such depositions was 500ºC. Owing to the extra supplied Indium, the CIGSe layers submitted to this treatment have a lower [Ga]/([Ga]+[In]) (GGI) ratio compared with the GGI ratio of the KCN-treated samples. This GGI ratio difference is one of the focal points when characterizing the difference between the absorber layers. The Indium post-deposition leads to more compact films with less pronounced grain boundaries, and an inferior density of holes. Solar cell results showed improved efficiencies, reaching an average of 6.1%, which was a significant enhancement to the 3.4% obtained for the KCN solar cell. The reverse-bias current leakage problem was successfully eliminated, thus confirming that it was the KCNetching that causes this problem.

Células solares de filme finos de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) são tipicamente fabricadas através de um processo de co evaporação composto por várias fases, onde uma dessas fases resulta numa composição rica em Cobre, e as restantes fases balanceiam a composição da camada CIGSe, atingindo as estequiometrias desejadas. Uma deposição com excesso de Cobre favorece o crescimento dos grãos do CIGSe, melhorando a eficiência da célula solar. Neste trabalho, filmes finos de CIGSe foram depositados em substratos de vidro/Molibdénio, com recurso a um alvo de Cu-In-Ga (CGI) com a seguinte composição química: Cu0.6In0.25Ga0.15. Selénio foi fornecido simultaneamente com recurso a uma fonte de evaporação pulsada. A natureza rica em Cobre do alvo de CIG resulta na presença da fase Copper-Selenide no filme, que, caso não seja removida, é prejudicial para o desempenho das células solares. Numa primeira abordagem, está fase será eliminada com recurso a KCN-etching. Camadas de CIGSe foram depositadas com as seguintes temperaturas: 200 ºC, 350 ºC, 400 ºC, 450 ºC e 500 ºC. Análises de SEM, EDX, XRD e espectroscopia de Raman revelaram que um aumento na temperatura de deposição resulta numa melhoria das propriedades do filme de CIGSe. Contudo, todas as camadas manifestaram fronteiras de grão muito pronunciadas, e uma elevada densidade de buracos perto das mesmas, o que pode ser prejudicial para o desempenho das células solares. Para fabricar células solares completas, uma camada buffer de CdS foi depositada por CBD, e uma dupla camada de i-ZnO/ZnO:Al foi depositada por sputtering. Uma eficiência máxima de 8.4% foi atingida para uma temperatura de deposição de 450 ºC. As curvas I-V das células solares depositadas a 500 ºC revelaram um comportamento de vazamento de corrente em polarização reversa, possivelmente devido à presença de buracos perto das fronteiras de grão, ou devido à presença da fase Copper-Selenide em regiões mais profundas da camada CIGSe, que não são atingidas pela solução de KCN. Uma eficiência média de 3.4% foi obtida para células solares depositadas a 500 ºC. Numa segunda abordagem, o excesso de Cobre foi consumido através de uma pós-deposição de Índio, evitando assim a necessidade do uso da solução de KCN. Uma temperatura de 500 ºC foi selecionada para tais deposições. Devido ao excesso de Índio fornecido, as camadas de CIGSe apresentam um rácio de [Ga]/([Ga]+[In]) (GGI) inferior ao apresentado pelas amostras subtidas ao processo de KCN. A pós deposição de Índio resulta em filmes com fronteiras de grão menos pronunciadas e uma densidade inferior de buracos. As células solares apresentaram um aumento significativo de eficiência, sendo atingida uma média de 6.1%, quando em comparação com os 3.4% obtidos na experiência de KCN.